红

外还是激光？

- 净化器用粉尘传感器选型指南

　　近些年来，随着中国雾霾天气的日趋多发以及全民健康意识的不断提升；造成了国内空气净化器市场的迅速扩大，新老品牌竞争激烈。据有关资料显示[1]，2014年上半年，中国净化器市场消费者最关注的十款产品均价4566，其中有7款售价高于3000元。高于2000元产品的消费者整体关注度达到72.2%。由此可见，中、xx净化器市场仍将是各净化器厂家未来关注的焦点。

　　空气净化器产品不同于空调，就普通消费者而言，对其购买的空气净化器产品是否高效是很难建立一个直观的感受的。因此，评价室内空气质量的粉尘传感器，是空气净化器产品与用户间建立联系的最重要的通道。尤其在中、xx净化器市场，粉尘传感器的应用十分广泛。随着国内空气净化器市场的高速增长，粉尘传感器技术也发展迅猛。除了现有市场上传统的红外式粉尘传感器厂商（SHINYEI，Amphenol <原GE>，SHARP，SYHITECH） 外，国内厂家也开始陆续推出自己的激光式粉尘传感器。2014年国内粉尘传感器市场也可谓是精彩纷呈，新品倍出。

　　然而，乱花渐欲迷人眼，从各厂商对自己产品的宣传来看，都侧重于渲染自家产品的优点，这无可厚非；但有时不免言之偏颇，缺乏客观性。本文从如何选择合适的粉尘传感器来帮助中、xx净化器产品提升用户体验、创造价值入手；浅谈净化器用粉尘传感器的技术发展。

激光 vs. 红外

　　一提到激光，很多人首先会想到的是科幻影片中各种造型各异，威力强大的激光武器。事实上，除了军事领域外激光技术被大量应用于医疗、照明、测距、切割和IT等领域。例如这些年VCD、DVD和蓝光产品的普及，其实都得益于激光技术的逐步发展。

　　激光的英文单词LASER来源于英文词组“受激辐射的光放大”的首字母缩写。最初，LASER在我国被简单地音译为雷射，1964年在我国xx科学家钱学森建议下改称“激光”。那么，究竟什么是激光？激光其实是指利用“受激辐射产生光放大”这一特殊的物理现象，所产生的光。抛开晦涩懂的物理学术语，与普通的可见光相比，激光具有：相干性高、方向性强、单色性好以及功率密度高的特点[2]。打个形象点的比方，激光光源产生的光像大合唱，所有人的声音都是一个音调而且节奏整齐；而普通可见光源产生的光就好像是茶馆店里喧闹声，叽叽渣渣，杂乱无序。因此，激光能够被汇聚成非常集中的平行光束，并且能在很长距离内保持较小的扩散角度和较高的功率密度。常见的激光器一般分为：固体激光器，气体激光器以及半导体激光器（俗称激光LED）三大类。在仪表级激光粒子计数器领域，一般采用（氦氖）气体激光器作为光源。在粉尘传感器领域，由于受成本约束，一般采用激光LED作为光源。

　　红外LED是发射波长在红外段的发光二极管，常见波长一般在850nm~940nm左右，广泛应用于医疗、安防、通信、遥控和传感等领域。由于红外LED发光波长在可见光谱以外，配合特定光谱的接收器，可以大幅削弱环境光对接收信号的影响。得益于近年来红外LED技术的不断成熟，红外LED具有：寿命长、发射效率高、单色性较好以及方向性较好的特点。这使得红外LED在传感器领域，尤其是粉尘传感器行业被大量应用。

对于红外式粉尘传感器认识几个误区

　　对于净化器厂家，如何选择合适的粉尘传感器是决定其中、xx产品用户体验的关键。今天市面上传统的第一代红外式粉尘式传感器普遍存在“响应慢”、“一致性差”、“精度差”的缺点；难以满足中、xx空气净化器产品对于数显的需求。尤其是“响应慢”和“一致性差”这两个缺点，使得中、xx净化器产品很难通过传感器体现其产品的优异性能，形成差异化竞争优势。很多净化器厂商甚至陷入了一个思维误区，认为红外式粉尘传感器在原理上就存在“响应慢”、“一致性差”、“精度差”、“寿命短”这些先天不足；而激光式的粉尘传感器从原理上可以避免上述缺点。其实，这样的理解并不客观，本文试从以上净化器厂商关注的几个点，浅谈红外式粉尘传感器与激光式粉尘传感器的差异。

误区一

寿命

　　净化器厂商在选择粉尘传感器的时候需要考虑的一个重要因素是产品寿命。传统的红外粉尘传感器经过市场多年的验证，其可靠性是被市场广泛认可的。通常认为，在室温、额定电流驱动下，红外LED光衰50%的周期可以做到100,000小时以上；这主要得益于近年来红外LED技术不断成熟。为了保证产品质量和产品精度，劲天科技对于红外LED寿命的追求近乎苛刻，除了降额设计、选料上乘外，每个产品出厂前都经过长时间的考核筛选，以满足50，000小时的设计寿命。

　　现有市面上激光LED的技术水平参差不齐。欧美大厂的技术相对先进；在额定驱动下，激光LED的寿命一般可以做到在6,000 至 20,000小时[3]；但价格相对昂贵，适用于工业和汽车等高附加值领域。其他低价位产品，发射功率低、耗散功率高、温升大，设计寿命很难得到有效保证。

　　因此，有关“红外式粉尘传感器的寿命不如激光式粉尘传感器”的理解是一大误区。应该说，在同样工作条件下，红外式粉尘传感器的寿命明显优于普通的激光式粉尘传感器。这两年红外式粉尘传感器市场的不断成熟，从一个侧面也印证了这一观点。

误区二

响应速度

　　除了寿命外，净化器厂商在选择粉尘传感器的时候也非常关心传感器的响应速度-俗称灵敏度。市面上的第一代的红外粉尘传感器采用被动式进风方式：进风效率低下，流量易受外界环境干扰，摆放方式受到严格限制。使得不少净化器厂商深受其苦，甚至误认为红外式的粉尘传感器在响应速度上存在先天不足，这其实是一大误区。 劲天科技的新一代的红外粉尘传感器 DUST E，采用主动式进风方式，流量稳定，不受摆放位置影响，其响应时间小于5 秒，远高于第一代的红外产品；甚至超越了有些知名的台式激光粒子计数仪。

　　事实上，粉尘传感器的响应速度主要受到进气道设计，接收器设计，滤波器设计等几方面因素的制约；但与照射光源是红外LED还是激光LED没有直接关系。众所周知，无论是激光还是红外光，真空光速本身都在300，000 KM/S左右，因此，光源是否为激光不会影响传感器的响应速度。在进气良好的前提下，滤波器的设计直接决定传感器的响应速度。

误区三

一致性

　　尽管市面上第一代的红外粉尘传感器都宣传自己的一致性可以控制在+/-20% 甚至更小的范围内，但细心的净化器产品研发人员在产品研发过程中一定会发现，无论自己如何努力优化设计，甚至不惜增加软、硬件成本，都无法做到厂家所宣称的+/-20%，甚至连+/-50%，+/-100%都做不到。在净化器展上，很少有厂家会将自己同一机型产品进行多台成列，就是为了避免显示差异过大的尴尬场面。可以这样认为，粉尘传感器的一致性问题是中、xx净化器数显方案成功与否的关键。鉴于第一代红外粉尘传感器在一致性上的糟糕表现，很多净化器厂家不禁提出这样的疑问，“红外式粉尘传感器是否在一致性上存在不可逾越的障碍”？

　　劲天科技的新一代红外式粉尘传感器DUST E在“一致性”方面的表现颠覆了客户对传统红外式粉尘传感器的认识。上图充分展示了新一代红外粉尘传感器DUST E在一致性上的惊人表现。人们不禁要问到底是什么因素制约了传统粉尘传感器的一致性？以及劲天科技是如何解决红外粉尘传感器的一致性问题？

　　能否正确检测2.5um甚至更小尺寸的尘埃的关键技术是微小光电信号的处理。量产传感器中的电路，壳体，透镜等部件的差异都会给最终测量结果带入相当大的影响。例如，普通未经筛选的光敏接收器件灵敏度可能出现+/-100%以上的偏差；透镜焦距的微小差异会直接影响接收灵敏度；风扇的转速也会直接影响测量结果……因此，只有通过对各种部件进行严格的筛选，才能从根本上减小传感器硬件偏差。此外，劲天科技的红外传感器内置专有算法，配合劲天科技自主研发的全自动标定设备，可以对每个传感器的一致性做进一步优化，从而满足中、xx净化器对数显功能的需求，免去净化器客户对传感器进行二次标定增加额外成本。

误区四

精度

　　前面谈到的产品一致性是产品之间个体差异的问题；除了相对偏差以外，传感器测量值与环境真实值之间的xx偏差，也是有些净化器厂商关心的参数。因此，有些客户可能会有这样的疑问，“激光式传感器的精度是否天生优于红外式传感器”？这是一个有趣的问题，在回答这个问题之前，我们先来了解一下激光式粉尘传感器的基本组成及与红外式粉尘传感器之间的差异。

　　现有市场上常见的激光粉尘传感器主要由发光部分（半导体激光LED），接收部分（硅光电池或光电二极管），放大电路，微处理器和一个风扇组成。

　　半导体激光LED与红外LED的差异主要体现在以下四个方面：发射功率低不同，波长较为集中（红光650nm左右，蓝光在490 nm左右），光路方向性强以及高相干性。然而，高相干性对粉尘测量的精度几乎没有任何影响。而现有红外LED的头部均装有光学透镜，可以轻松实现 +/-10度以下的发射角，鉴于光路长度一般不超过10mm左右，因而在红外光束宽度变化不到2mm，可以说与激光LED没有太大差异；考虑到可能存在的安装误差，进一步减小发射角并没有太大的实际意义。激光传感器的接收部分实际多采用广谱的光敏接收器（硅光电池500-1100nm，光电二极管400-1100nm）；因此，激光LED发射波长较为集中的特性对粉尘测量的精度影响也基本可以忽略。xx，从发射功率来看，普通半导体激光LED要明显低于同类的红外LED。常用的TO18封装的InGaAIP的红色激光LED发射功率在5mW@30mA左右，而T-1封装5mm的红外LED发射功率可以达到50mW@30mA甚至更高。总所周知，光源强度直接影响光电散射信号的强度，红外LED的发射功率比普通半导体激光LED高一个量级就意味着更小的信号可以被更容易的分辨出来。此外，由于普通激光LED光电转换效率低下，管芯的温升成了影响光源稳定性的新问题。事实上，计量级台式激光粒子计数器产品多采用氦氖激光器而非半导体激光器作为光源就是考虑到半导体激光器温升过高的原因。而且，在一定条件下，随着激光LED管芯温度升高，其发射功率会下降，这使得耗散功率和管芯温度进一步升高，最终会导致管芯烧毁。因此，普通激光LED对其适用的温度有严格的限制，一般不超过50℃；而红外LED则没有这方面的限制。当然，高发射功率（效率）的激光LED技术并非不可逾越，欧美的一些大厂已经可以提供发射功率在100mW以上的5mm直径的产品，但其价格远高于售价在千元以内的量产传感器可以承受的范围，现阶段主要用于工业和汽车领域。我们相信，随着技术不断的发展，未来高功率的激光LED是有可能逐渐进入普通粉尘传感器领域的。

　　红外粉尘传感器在接收部分也与激光粉尘传感器存在一定差异。为了避免环境光对接收器的影响，红外粉尘传感器多采用接收器加光学透镜的组合。这样设计虽然增加了一定的成本，却在获取良好的信号与削弱环境光影响之间取得一个很好的平衡，使得检测精度进一步提高。此外，红外式粉尘传感器由于采用波长在850nm附近红外光源和接收器，可以进一步削弱环境光对测量结果的影响。而红（650nm）、蓝（490nm）激光由于落在可见光谱的范围内，如果采样通道设计不合理，则传感器易受环境光干扰。

　　在放大电路方面和信号处理方面，红外传感器与激光式传感器在基本原理大同小异，但在具体实现上各有侧重。劲天科技专有设计的电路和信号处理技术，可以使空气动力学直径在0.5um及以上的颗粒物可以被有效的检出。

　　影响测量精度的诸多问题中，还有一个经常容易被忽略的问题是采样空气的流量。空气流量大小，直接决定了单位时间计数值、计重值的大小。在台式激光例子计数器/粉尘仪的技术规范中，流量的测量和校准是不可或缺的。现有市场上的激光粉尘传感器，受到成本和体积的限制，往往采用没有转速反馈的风扇。由于缺乏流速补偿机制，这类产品的长期精度是难以真正得到保障的。

　　xx，需要强调的是粉尘传感器的精度还取决于其标定方法。对于销量少，单价高的仪表级激光粒子计数器而言，可以采用多组粒径分布相对集中的气溶胶来标定各通道的数据。由于受成本的限制，粉尘传感器的标定均参照净化器行业国标，粉尘源采用的是燃烧红塔山香烟产生的颗粒物。由于香烟粉尘的粒径主要分布于0.1um以上，粒径分布范围较广[4]。因此，要从一个“单一的、广谱粒径分布”的粉尘源上获得准确的多通道标定数据是非常困难的；在规模生产中既不切实际、也没有必要。 因为现有红外粉尘传感器的精度，已经xx满足、甚至超越中、xx净化器市场的需求了。

　　了解了以上方面，相信读者可以对“红外式粉尘传感器和激光粉尘传感器的优劣”有个客观的认识了。

从净化器发展的趋势来看劲天红外粉尘传感器的优势

优势一

性能卓越

　　劲天科技从设计之初起，就将“一致性”，“灵敏度”和“小型化”这三个理念深深植入新一代的红外粉尘传感器DUST E之中。DUST E在研发之初，就以国外知名台式激光粒子计数器为参照，因此DUST E一经问世，就颠覆了市场对于传统红外式粉尘传感器的种种误解，使市场对于粉尘传感器技术发展有了更为客观的认识。红外式粉尘传感器，作为一种已经被市场所广泛使用多年的产品，从劲天的DUST E问世这天起，进入了“高一致性”，“高灵敏度”和“小型化”的崭新时代。

优势二

工业级设计

　　随着净化器市场争夺的日趋激烈，各净化器厂商除了在产品功能，市场营销上下足了功夫，同时对产品质量的追求更是日益提高。为净化器客户提供高质量的传感器，是劲天科技不懈的追求。

　　劲天科技的DUST E的研发团队，拥有多年工业品设计经验，从设计之初就秉承了工业品的研发理念。从器件的降额到选料，从FMEA到可靠性预测，无一不是按照工业品的设计规范在打造DUST E这样一款粉尘传感器。这其中包括：

- DUST E的电路采用高成本的-40~85℃的工业级器件，可以有效杜绝环境温度对产品寿命和性能的影响。

- DUST E的电路采用高成本的全陶瓷电容设计，可以有效杜绝电源纹波和环境温度对产品寿命和性能的影响。

- DUST E 的电路采用了全端口的ESD防护设计，可以有效防止安装时静电感应对产品的损坏，提高产线的一次xxx。

- DUST E 拥有完整的自诊断功能，可以有效的防止对整机的二次损坏，降低产品的维修物料成本和人工成本。

……

　　可以这样说，在客户看不到的地方，劲天科技更加用心钻研。

优势三

定制化服务

　　劲天科技从成立之初就秉承了本土化的理念。核心研发团队全部由国内资深的研发人员组成。劲天科技的DUST E粉尘传感器具有xx的自主知识产权（专利号： ZL201420317765.3， ZL201420388409.0），可以根据净化器厂商的需求，提供软、硬件的定制化的服务。未来除了DUST E以外，劲天科技还会推出更为xx的DUST S（高精度）系列和更为亲民的DUST C系列粉尘传感器产品，以满足不同客户对与性能和成本的差异化需求。

优势四

为客户展现xx净化效果

　　作为本文的结束语，xx也是最重要的一点，劲天科技的DUST E粉尘传感器的设计目标就是为了帮助空气净化器厂商展现其产品xx的净化效果，来实现产品的差异化。未来，劲天科技将进一步改进算法和标定技术，提高检测精度。我们有意愿、也有能力同广大的净化器厂家开展广泛和深入的技术合作，一起来实现这个目标。同时也为中国空气净化行业的发展尽一份绵薄之力。

参考

[1] 《2014年上半年中国净化器市场研究报告》- ZDC互联网消费研究中心。

[2] 《激光原理》第四版- 周炳琨。

[3] 环境温度40℃，光衰50%。

[4] 《香烟燃烧产生的亚微米颗粒物动态粒径谱特征》- 孙在，苏中地，张洪军，黄震。

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