思瑞浦TPA8801B在PM2.5传感器中的应用

PM2.5粉尘传感器的原理

目前主流的PM2.5粉尘传感器采用光学传感方式，将空气中的颗粒物浓度转化为电信号。基本原理如下图所示，

光发射管发射光到待探测的腔体中，光被腔体中空气的粉尘折射后被接收光电管接收后，经过光电转换电路转换成电信号。空气中粉尘较少时，光被折射较少，转换的电信号也较弱；粉尘较多时，光被折射较多，转换的电信号也较强。

传感器设计中的难点是光路和气路。光路要求一致性较好，避免环境光的干扰，同时不对发射光产生反射和折射从而产生干扰信号，设计中一般使用特殊设计的腔体和透镜来保证，有的设计通过调整光发射管的功率来保证光路的一致性。气路是空气进入传感器的通路，需要保证空气可以迅速在气路中流通，减少粉尘在光路中的沉积从而影响测量精度。

主流PM2.5粉尘传感器的介绍

目前市场主流的产品按传感器使用的光的种类，可以分为激光和红外两种，其中红外按照光的发射方式，分为常亮式和脉冲式两种。

激光式传感器在光路中采用激光发射，激光的指向性非常好，所以可以对空气中的粉尘颗粒物进行计数，可以分清PM2.5和PM10的颗粒物，测量精度较高。传感器的气路中使用了风扇主动进气，提高检测速度。传感器的设计中，算法是主要难点，需要分辨出PM2.5和PM10的粉尘，并配合气路进行颗粒物浓度的计算。缺点是，传感器的发光管一般是常亮工作，加上风扇的功耗，整理功耗较大，而且发光管和风扇的寿命限制使传感器的工作时间为3年到5年左右。

红外常亮式传感器在光路中把激光改为红外光，红外光的发射管的寿命比激光管长，使得传感器寿命可以提高到5年以上。采用红外光不能对颗粒物进行计数，只能估计颗粒物浓度，所以该方案相对激光是针对低成本应用的产品，相应的气路采用电阻发热进气，比激光传感器的模块响应速度慢，同时也要求模块必须垂直安装才能保证气路工作。红外常亮式传感器的输出大都是PWM输出，当颗粒物浓度增加时，PWM输出中低电平的占空比会增加，只需要对PWM的占空比进行统计得到浓度。由于红外发射管一直工作，加上发热电阻的功耗，模块整体的功耗在80mA到100mA左右。

红外脉冲式传感器针对功耗和安装方向性进行了改进。为了降低功耗，常亮发射红外光改为脉冲发射红外光，检测信号也从PWM的占空比变成了脉冲信号的幅度；将接收光电三极管改为光电二极管降低接收电路的功耗；将主动进气的方式改为了内部通孔自然进气的方式，去掉了发热电阻的功耗，提高了安装的灵活性。缺点是脉冲信号的电信号处理比较难，自然扩散的方式也降低了响应的速度。最初的传感器的输出为脉冲信号，新一代传感器也有内置MCU将脉冲信号处理为数字信号输出。

以下为三类传感器的外形

以下为三类传感器的比较

（信息来自于有限产品，可能不能覆盖最新产品的指标）。

TPA8801B在红外脉冲式粉尘传感器的应用

红外脉冲式粉尘传感器成本低，功耗小，在民用空气净化器中得到大量应用。由于车载净化器的空间小，要求粉尘传感器安装灵活，近期红外脉冲式粉尘传感器在此领域崭露头角。TPA8801B是思瑞浦公司针对红外脉冲式粉尘传感器设计的模拟前端，相比普通运放的方案，集成度更高，设计更简单。

TPA8801B内部集成了精密运放，增益调整和带宽设置电路。内置的精密运放是针对此应用做优化，具有1pA输入偏置电流，减少输入光电流的测量误差；0.4mV的偏置电压，提高了放大电路的动态范围；极低的输入噪声提高了测量的精度；内置的增益调整电路可以在放大1nA电流时保证1%的灵敏度误差。TPA8801B的应用电路图如下，生产标定时，只需要调整Rg达到精度要求。该产品已经成功的帮助客户量产了红外脉冲式的粉尘传感器，获得了终端客户很好的反馈。

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