CN104360419B - 多参数传感模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多参数传感模块，所述的多参数传感模块包括：壳体、多个隔板、风扇、颗粒物传感器、气体传感器模块、温度传感器、温湿度传感器、加热器件、控制单元。其中所述的加热器件，在空气进入气体传感器模块之前将空气加热至有效工作温度；所述的控制单元根据空气湿度对所述颗粒物传感器的检测值进行补偿以及控制所述的加热器件的开启和关闭，使得多参数传感模块在低温环境可以正常工作，防止传感器失效，避免多参数传感模块内部结露。所述多个隔板与所述壳体采用全密闭铸造铝结构一体形成确保了模块内部的气闭性和屏蔽性，同时确保了激光无外漏，提高了抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术，更具体地，涉及一种可以同时测量环境中多个空气参数并且能够补偿环境影响的多参数传感模块。
背景技术
空气质量对人的健康有很重要的影响，空气中的污染物是很多疾病的诱发因素。目前室内空气中对人体有害污染物的主要包括：直径小于2.5微米的细颗粒物(Particulate Matter 2.5，PM2.5)和直径小于10微米的粉尘颗粒物PM10，以及挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds，VOC)等。PM2.5和PM10是如今雾霾污染物的主要成分，VOC包括香烟烟雾，建筑及装修材料释放的甲醛、甲苯、氨气等，而室内二氧化碳CO2浓度代表着新风量及通风水平。因此能够随时随地检测周围环境的空气质量，根据检测结果调整室内活动、提高空气质量水平，对保持人体健康很有意义。然而目前一方面各种检测设备检测参数单一，用户需要测量多个参数时，需要采用多个不同的传感器或监测仪器，占用空间大成本昂贵；另一方面检测设备在测量时受工作环境影响较大，工作环境变化会造成检测结果大大偏离实际值，甚至检测设备不能正常工作。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种多参数传感模块。可以同时测量环境空气的多个参数，并且能够补偿环境对测量值的影响。
本发明所述的多参数传感模块，包括：
壳体，具有至少一个空气进气口和至少一个空气排气口；
多个隔板，设置于所述空气进气口和空气排气口之间，用于形成气道或气室；
温湿度传感器，设置于所述空气进气口处，用于检测空气进气口处的空气温度和空气湿度；
颗粒物传感器；
气体传感器模块，设置于所述气道中，包括至少一种气体传感器；
温度传感器，设置于所述气道中，用于检测气体传感器模块处的空气温度；
加热器件，设置于所述气道中，所述的气体传感器模块之前，在空气进入气体传感器模块之前将空气加热至有效工作温度；
控制单元，设置于所述气道中，控制所述加热器件的开启和关闭，以及根据所述空气湿度对所述颗粒物传感器的检测值进行偏差补偿；
风扇，设置于所述空气排气口处，用于驱动空气从空气排气口排出；
所述多个隔板与所述壳体一体形成，形成用于容纳所述颗粒物传感器的第一气室结构以及用于容纳所述控制单元、所述气体传感器模块、所述温度传感器和所述风扇的第二气室结构，所述加热器件位于第一气室结构和第二气室结构的连接处；
其中，所述控制单元基于如下公式对所述颗粒物传感器的检测值进行补偿：
Z＝(p1+p2*x+p3*x2+p4*y+p5*y2)/(1+p6*x+p7*y)
其中，x为所述检测值，y为所述空气湿度，Z为经补偿的检测值；
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优选地，所述多个隔板包括：
第一隔板，设置于所述颗粒物传感器和所述气体传感器模块之间；
第二隔板，设置于所述空气进气口和所述颗粒物传感器之间；
所述第一隔板和第二隔板相互连接，包围所述颗粒物传感器。
优选地，所述颗粒物传感器为激光散射微小颗粒物传感器，测量空气中的PM2.5和PM10的浓度；
优选地，所述控制单元基于如下公式对所述激光散射微小颗粒物传感器的PM2.5/PM10检测值进行补偿：
Z＝(p1+p2*x+p3*x2+p4*y+p5*y2)/(1+p6*x+p7*y)
其中，x为所述检测值，y为所述空气湿度，Z为经补偿的检测值；
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优选地，所述壳体包括两个方向的空气排气口，分别设置于壳体的不同侧面，所述空气排气口分别设置有可拆卸的第一空气盖和密封盖，所述第一空气盖具有可供空气流通的孔洞，所述密封盖用于关闭空气排气口。
优选地，所述壳体包括两个方向的空气进气口，分别设置于壳体的不同侧面，所述空气进气口分别设置有可拆卸的第二空气盖和密封盖，所述第二空气盖具有可供空气流通的孔洞或用于连接气管的接口，所述密封盖用于关闭空气进气口。
优选地，所述多参数传感模块还包括：
气泵，设置于壳体外，与所述空气进气口连接；
空气除湿管，设置于壳体外，与所述气泵连接。
优选地，所述壳体所述隔板采用铝铸造一体形成。
优选地，所述控制单元在气体传感器模块处的空气温度小于第一温度阈值时开启所述加热器件，在气体传感器模块处的空气温度大于第二温度阈值并且持续第一时间阈值后关闭所述加热器件。
优选地，所述温度传感器位于所述气道的尾部。
本发明的多参数传感模块可以提供同时多个空气测量参数，并且在低温环境下通过加热器件对气道中的空气进行加热预处理，空气被加热至有效工作温度后再进入气体传感器模块，可以防止传感器工作失效，并能避免内部结露；本发明的多参数传感模块能够根据空气湿度对所述颗粒物传感器的检测值进行补偿；本发明的多参数传感模块采用全密闭铸造铝结构确保了模块内部的气闭性和屏蔽性，确保激光无外漏，同时提高了抗外界干扰能力。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为本发明的多参数传感模块实施例的结构图；
图2为图1中的壳体的结构示意图；
图3a-3c为用于空气进气口的可拆卸的第二空气盖、密封盖的示意图；
图4a-4b为用于空气排气口的可拆卸的第一空气盖、密封盖的示意图；
图5为本发明的多参数传感模块另一个实施例的示意图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图1为本发明的多参数传感模块实施例的结构图。如图1所示，多参数传感模块10包括：壳体101、第一隔板102、第二隔板103、第一空气进气口104a、第二空气进气口104b、第一空气排气口105a、第二空气排气口105b、温湿度传感器106、颗粒物传感器107、加热器件108、控制单元109、VOC传感器110、CO2传感器111、温度传感器112以及风扇113。控制单元109通过线路分别同温湿度传感器106、颗粒物传感器107、加热器件108、VOC传感器110、CO2传感器111、温度传感器112、风扇113连接，所述线路未在图1中示出。
壳体101用于容纳并支撑第一隔板102、第二隔板103、温湿度传感器106、颗粒物传感器107、控制单元109、加热器件108、CO2传感器111、VOC传感器110、温度传感器112以及风扇113，使这些部件与外界隔离。
图2为壳体101的结构示意图。如图2所示，壳体101包括第一壳体101a和第二壳体101b。图1中第一隔板102、第二隔板103、温湿度传感器106、颗粒物传感器107、控制单元109、加热器件108、CO2传感器111、VOC传感器110、温度传感器112以及风扇113都安装固定在第二壳体101b上。第一壳体101a和第二壳体101b使用铝材料通过模具铸造制成。通过将第一壳体101a和第二壳体101b直接闭合和加固就得到了壳体101。
如图1所示，壳体101具有2个空气进气口：第一空气进气口104a和第二空气进气口104b。第一空气进气口104a位于壳体101的侧面1011，第二空气进气口104b位于壳体101的底面。外部空气通过空气进气口进入多参数传模块10内部的气道。第一空气进气口104a和第二空气进气口104b分别设置有可拆卸的第二空气盖和密封盖。使用时将其中之一直接插入空气进气口的插槽中。图3a-3c为用于空气进气口的可拆卸的第二空气盖、密封盖的示意图。如图3a所示，第二空气盖可以设有若干条平行相间的条状长孔通风孔，即百叶窗扩散式；在一个优选的实施例中，第二空气盖如图3b所示，第二空气盖设有连接气管的接口，即管道式；密封盖如图3c所示，密封盖用于关闭空气进气口。例如当第一空气进气口104a插上第二空气盖时，第二空气进气口104b应插上密封盖，即第二空气进气口104b被关闭。相反当第二空气进气口104b插上第二空气盖时，第一空气进气口104a应插上密封盖。由此，根据使用环境以及安装方式可以灵活地选择空气进气口的位置和进气方式。
壳体101具有2个空气排气口：第一空气排气口105a和第二空气排气口105b。与壳体101的侧面1011相对的是壳体101的另一侧面1012，第一空气排气口105a位于壳体101的侧面1012，第二空气排气口105b位于壳体101的底面。多参数传模块10的气道中的空气通过空气排气口排出。第一空气排气口105a和第二空气排气口105b分别设置有可拆卸的第一空气盖和密封盖。图4a-4b为用于空气排气口的可拆卸的第一空气盖、密封盖的示意图。如图4a所示，第一空气盖设有若干条平行相间的条状长孔通风孔，即百叶窗式排气口；如图4b所示，密封盖用于关闭空气排气口。由此，根据使用环境以及安装方式可以灵活地选择空气排气口的位置。
多参数传感模块10的空气进气口和空气排气口设计为数种不同的进风出风组合方式。用户可以根据应用的安装环境和安装方式，灵活地选择不同的空气进气口和空气排气口位置组合，以及空气进气口的进气方式。
第一隔板102设置于壳体101的中部，与壳体101和第二隔板103连接。第一隔板102将颗粒物传感器107同控制单元109、CO2传感器111、VOC传感器110、温度传感器112、风扇113、第一空气排气口105a和第二空气排气口105b隔开。
第二隔板103设置于第一空气进气口104a、第二空气进气口104b和颗粒物传感器107之间，第二隔板103与壳体101和第一隔板102连接。第二隔板103用于将颗粒物传感器107同第一空气进气口104a和第二空气进气口104b、温湿度传感器106隔开。第一隔板102、第二隔板103和壳体101共同围成一个包围颗粒物传感器107的腔体作为颗粒物传感器107的气室，所述的气室避免外界光对颗粒物传感器107的干扰，同时也能使颗粒物传感器107产生的激光不会外泄。第一隔板102、第二隔板103和壳体101均为铸造铝材料。第一隔板102、第二隔板103和壳体101b为一体结构，通过模具一体形成。第一隔板102、第二隔板103和壳体101还共同构成了多参数传感模块10内部的气道。所述的气道以空气进气口为首以空气排气口为尾，进入气道的空气依次经过温湿度传感器106、颗粒物传感器107、加热器件108、控制单元109、VOC传感器110、CO2传感器111和温度传感器112。
温湿度传感器106设置于壳体101内部，临近第一空气进气口104a和第二空气进气口104b，用于检测空气进气口处的空气温度和空气湿度，并将空气进口处的空气温度和空气湿度发送给控制单元109。
颗粒物传感器107位于由第一隔板102、第二隔板103和壳体101共同围成的气室中。在本实施例中颗粒物传感器107为激光散射微小颗粒物传感器，用于检测直径小于等于2.5微米的微小颗粒物以及直径小于等于10微米的粉尘颗粒物在空气中的含量。颗粒物传感器107包括一个激光发射器和一个激光接收器。该激光散射微小颗粒物传感器实时将分别检测到PM2.5颗粒和PM10颗粒的浓度发送到控制单元109。
气体传感器模块包括CO2传感器111和VOC传感器110。CO2传感器111用于检测空气中的CO2浓度，并将检测到的CO2浓度发送给控制单元109。VOC传感器110用于检测空气中挥发性有机化合物的浓度。在本实施例中所述的挥发性有机化合物包括甲醛、甲苯、氨气、香烟烟雾、酒精等。VOC传感器110将检测到的VOC浓度发送给控制单元109。
加热器件108设置于气道中,气体传感器模块之前，用于加热气道中空气的温度。加热器件108根据控制单元109的命令开启或者关闭。加热器件108可以是采用任何利用电能达到加热效果的器件如采用电磁加热，红外线加热，电阻加热等方式。本实施例中加热器件108采用电阻加热方式。在一个优选的实施例中，加热器件108有多个发热功率，所述的发热功率的选择由控制单元109控制。
温度传感器112设置于第一空气排气口105a和第二空气排气口105b附近，用于检测气体传感器模块处的空气温度并将气体传感器模块处的空气温度发送给控制单元109。
风扇113位于壳体101内，设置多参数传模块10的气道尾部，用于驱动多参数传模块10气道中的空气经过空气排气口排出。
控制单元109接收传感器检测到的CO2浓度、VOC浓度、PM2.5/PM10浓度、空气进气口处的空气湿度和空气温度、气体传感器模块处的空气温度。控制单元109在气体传感器模块处的空气温度低于第一温度阈值时开启加热器件108，当气体传感器模块处的空气温度大于第二温度阈值并且持续超过第一时间阈值后关闭加热器件108。在一个优选的实施例中，第一温度阈值为0摄氏度，第二温度阈值为10摄氏度，第一阈值时间为10秒。
控制单元109中还根据空气进气口处的空气湿度对颗粒物传感器107的PM2.5/PM10浓度检测值进行补偿。控制单元109基于如下公式对颗粒物传感器107的PM2.5/PM10浓度检测值进行补偿：
Z＝(p1+p2*x+p3*x2+p4*y+p5*y2)/(1+p6*x+p7*y)
其中，x为颗粒物传感器107的PM2.5/PM10浓度检测值，y为空气入口处的空气湿度，Z为经补偿的PM2.5/PM10浓度值；
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p7＝5.58069786921768E-5。
控制单元109将CO2浓度、VOC浓度、经补偿的PM2.5/PM10浓度、空气进气口处的空气温度和空气湿度发送给外部接收装置。
图5为本发明的多参数传感模块的另一个实施例的示意图。如图5所示，本实施例中多参数传感模块10还包括空气除湿管115和气泵114。
壳体101与前一实施例完全相同，同样的位置设置有第一空气进气口104a和第二空气进气口104b。
空气除湿管115与气泵114连接。空气除湿管115中安装了空气干燥带，空气干燥带表面涂有化学物质，所述的化学物质将吸收空气中的水分并转化为其他化学成分挥发。空气干燥带将通过的空气湿度降低至60％RH以下，从而尽量减少环境空气湿度过大造成对CO2传感器、VOC传感器、颗粒物传感器检测值的偏差。
气泵114连接空气除湿管115和第一空气进气口104a或第二空气进气口104b。与气泵114连接的空气进气口使用第二空气盖，另一个空气进口则采用密封盖。气泵114用于驱动经过空气除湿管115后进入进气口的空气。
本发明的多参数传感模块可以提供同时多个空气环境参数，并且在低温环境下通过内部的加热器件对空气进行加热处理，空气被加热后再进入气体传感器，可以防止传感器工作失效，并能避免多参数传感模块壳体内部结露；本发明的多参数传感模块通过内部补偿和/或外部除湿提高了CO2传感器、VOC传感器、激光微小颗粒物传感器参数的测量精度；本发明的多参数传感模块采用全密闭铸造铝结构确保了模块内部的气闭性和屏蔽性，确保激光无外漏，同时提高了抗外界干扰能力。本发明的多参数传感模块提供了多种空气进气口和空气排气口设计，用户可以根据使用环境灵活选择。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种多参数传感模块，包括：
壳体，具有至少一个空气进气口和至少一个空气排气口；
多个隔板，设置于所述空气进气口和空气排气口之间，用于形成气道；
温湿度传感器，设置于所述空气进气口处，用于检测空气进气口处的空气温度和空气湿度；
颗粒物传感器；
气体传感器模块，设置于所述气道中，包括至少一种气体传感器；
温度传感器，设置于所述气道中，用于检测气体传感器模块处的空气温度；
加热器件，设置于所述气道中，所述的气体传感器模块之前，在空气进入气体传感器模块之前将空气加热至有效工作温度；
控制单元，设置于所述气道中，控制所述加热器件的开启和关闭以及根据所述空气进气口处的空气湿度对所述颗粒物传感器的检测值进行补偿；
风扇，设置于所述空气排气口处，用于驱动第二气道中的空气从空气排气口排出；
所述多个隔板与所述壳体一体形成，形成用于容纳所述颗粒物传感器的第一气室结构以及用于容纳所述控制单元、所述气体传感器模块、所述温度传感器和所述风扇的第二气室结构，所述加热器件位于第一气室结构和第二气室结构的连接处；
其中，所述控制单元基于如下公式对所述颗粒物传感器的检测值进行补偿：
Z＝(p1+p2*x+p3*x2+p4*y+p5*y2)/(1+p6*x+p7*y)
其中，x为所述检测值，y为所述空气湿度，Z为经补偿的检测值；
p1＝-97.3402743047253；p2＝6.12542455498836；
p3＝-0.0910880350446089；p4＝0.0131784988508396；
p5＝9.30928475757443E-8；p6＝-0.0199220178034449；
p7＝5.58069786921768E-5。
2.根据权利要求1所述的多参数传感模块，其特征在于，所述多个隔板包括：
第一隔板，设置于所述颗粒物传感器和所述气体传感器模块之间；
第二隔板，设置于所述空气进气口和所述颗粒物传感器之间；
所述第一隔板和第二隔板相互连接，包围所述颗粒物传感器。
3.根据权利要求1所述的多参数传感模块，其特征在于，所述颗粒物传感器为激光散射微小颗粒物传感器，测量空气中的PM2.5和/或PM10的浓度。
4.根据权利要求1所述的多参数传感模块，其特征在于，所述壳体包括两个方向的空气排气口，分别设置于壳体的不同侧面，所述空气排气口分别设置有可拆卸的第一空气盖和密封盖，所述第一空气盖具有可供空气流通的孔洞，所述密封盖用于关闭空气排气口。
5.根据权利要求1所述的多参数传感模块，其特征在于，所述壳体包括两个方向的空气进气口，分别设置于壳体的不同侧面，所述空气进气口分别设置有可拆卸的第二空气盖和密封盖，所述第二空气盖具有可供空气流通的孔洞或用于连接气管的接口，所述密封盖用于关闭空气进气口。
6.根据权利要求1所述的多参数传感模块，其特征在于，所述多参数传感模块还包括：
气泵，设置于壳体外，与所述空气进气口连接；
空气除湿管，设置于壳体外，与所述气泵连接。
7.根据权利要求1所述的多参数传感模块，其特征在于，所述壳体和所述隔板采用铝铸造一体形成。
8.根据权利要求1所述的多参数传感模块，其特征在于，所述控制单元在气体传感器模块处的空气温度小于第一温度阈值时开启所述加热器件，在气体传感器模块处的空气温度大于第二温度阈值并且持续第一时间阈值后关闭所述加热器件。
9.根据权利要求1所述的多参数传感模块，其特征在于，所述温度传感器位于所述气道的尾部。
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