Prodrive Technologies logo white Prodrive Technologies logo
EN 中文 |

光学传感器致力于车内空气清洁

光学传感器致力于车内空气清洁

浦卓科技开发了一种传感器,可以测量汽车内部和周围的灰尘颗粒。有了这些数据,汽车制造商可以改善车内的空气质量。现生产已经全面展开。 

作者: Alexander Pil

 

驾驶体验对于汽车制造商来说是至关重要的,尤其是那些处于高层的制造商。凭借漂亮的灯光和一流的音响系统,他们希望在竞争中胜出,并说服潜在的买家。相对较新的选择是监测和调节机舱内的空气质量。毕竟,当前面的卡车突然加速时,通风系统可以迅速自动切换到内部循环,就太好了。

为了实现这一目标,需要能够快速准确地测量车内外空气中颗粒物的传感器。浦卓已经迎接了这一挑战,最近开始为几个德国汽车品牌批量生产PM2. 5传感器。目前还不知道购车者何时可以将空气质量传感器作为备选项,但时间不会太长。

工业应用

虽然浦卓已经为汽车行业开发了PM2.5传感器,但也看到了其他行业的应用。首先,可以通过云端与荷兰皇家气象研究所(Royal Netherlands Meteorological Institute KNMI)共享所有汽车的测量数据,从而获得更详细的空气质量状况。目前,它仍在使用有限的测量站,这些测量站装满了昂贵的实验室设备。浦卓传感器非常适合做这种网格测量。

系统架构师Bas van der Oest解释说:“我们已经对我们的传感器和实验室系统进行了对比试验,表明我们的精度范围是相同的。浦卓在气象站的测试中取得了相同的结果。”我们的信号包含稍微更多的噪声,但这也是因为我们采样速度更快。我们的传感器每秒提供一个新的测量值,而气象站的实验室设备每分钟提供一次,甚至更少。当然,较低的频率更容易获得更好的信噪比。”

PM2.5传感器在汽车上的作用,也可以在对空气质量要求更高的其他地方发挥作用。比如医院里的通风和空调系统。

“市场给了我们一些具有挑战性的要求,”布拉班特公司视觉和传感项目经理埃里克•詹森(Eric Jans)表示显然,传感器应该尽可能便宜,所以我们非常重视系统的产业化和可制造性。此外,汽车制造商选择将传感器安装在仪表板下难以触及的地方。所以我们的任务是设计一个不需要维护的部件。所以,不像油,灯或过滤器,车主接受定期更换。我们的传感器应该能持续8000小时,差不多是汽车整个生命周期的总驾驶时间。再加上测量速度和精度,这些都是设计过程中最重要的出发点。

虚拟冲击器

浦卓的空气质量传感器有两个通道,一个用于室内空气,一个用于室外空气。它们是两个独立的系统,使用同一个复杂的激光模块,封装在一个组件中。

两股气流都被一个所谓的虚拟冲击器分开,一个“侧轨”捕捉部分气流。这种虚拟冲击器的配置决定了它从主流中过滤出的颗粒大小。浦卓对小于2. 5微米的颗粒物感兴趣。这就是它设计冲击器的目的。”“这是一个复杂的部分,”浦卓系统架构师basvanderoest说尤其是因为涉及的变量太多了。我们进行了大量的模拟和测试,以获得最佳的几何图形。”

在这方面,浦卓选择了光学测量原理。考虑到连续不断的脏空气流过,这还远远不够明显。杨森:“首先,我们要确保气流不会与光学元件接触。通过模拟和字面上的驾驶英里数,你将在某一点上确切地知道如何做到这一点。这种结构使得我们的系统非常强大。”杨森不想详细说明浦卓的工程师们是如何精确地解决这个问题的。

 范德奥斯特补充说:“我们选择光学是因为成本和速度。在实验室设置中,你可以使用过滤器来捕捉灰尘颗粒,并精确称量它是多少物质。那么你就有了绝对的真理,但是你必须长时间取样,否则,测量就太不准确了。使用我们的光学系统,你会在一秒钟内得到一个即时的答案。”

 

杨森再次表示:“有其他的测量方法,但它们通常包含一种消耗品——推进剂或过滤器。因为维护要求,我们决定不做这些。”

The air quality sensor from Prodrive Technologies will soon be available as an option with several German car brands.

浦卓的空气质量传感器将很快作为几个德国汽车品牌的选装件提供。

光子计数器

实际测量基于米氏散射原理。” 光如何在尘埃上散射取决于粒子的大小和使用的波长,”浦卓的光学专家Johan Bosman说,所以我们选择了一个与我们感兴趣的粒子大小相匹配的波长。但即使在那个波长,也只有极少量的光被散射;到目前为止,大部分的光都是直行的。你可以想象一下:用激光,我们向尘埃流发射毫瓦,但是散射的信号是皮瓦量级的。我们的探测器是真正的光子计数器。”

此外,散射模式取决于角度,大部分散射光仅发生一点偏转。“然而,我们不能把探测器放得离主光束太近,激光束会影响衍射光。因此,我们必须在尽可能多的散射光和尽可能少的来自远光的影响之间找到平衡。”

因为最小的干扰都会影响测量,浦卓必须有意识地考虑每一个细节以获得良好的信噪比。博斯曼解释说:“我们花了很多时间来制造一个清晰的准直激光束我们还捕获了所有所谓的幽灵射线——难以模拟的不受控制的反射。在全光跃迁时,一点光总是反射回来。你可以用涂层来抑制这一点,但总有一点残留。在许多测量系统中,这并不算太糟,但使用我们的光子计数器,任何幽灵射线都可能产生灾难性的影响。”

For cost reasons, the sensor is contained in a plastic housing. This set the bar very high for the laser alignment.

出于成本原因,传感器被安装在塑料外壳中。这为激光对准设置了很高的门槛。

 

激光套管

传感器最关键的部分是激光模块。出于成本原因,浦卓选择将整个传感器单元置于塑料外壳中。当它变热时,材料会膨胀,但不影响测量。范德欧斯特:“我们非常清楚我们的模具和注塑机可以达到哪些公差。然后我们计算了这对激光对准的要求。因此,浦卓建立了一个单独的生产单元,在这里它可以用精密机器人精确地组装激光模块,并立即检查组装的是否正确。

博斯曼补充道:“因为我们花了太多时间在激光衬套的精度上,所以在以后的过程中我们有更多的回旋余地。我们可以用相对便宜的注塑件来做。毕竟,这是预算分配的问题。”

杨森:“我们定期设计和生产光学元件,例如用于医疗行业。在那里,你可以自由选择更昂贵的材料和使用更复杂的制造工艺。对于这个传感器,我们必须处理非常不同的要求。这使得这个项目对我们来说很特别。”

Prodrive has set up a fully automatic production cell for the PM2.5 sensor.

浦卓为PM2.5传感器建立了全自动生产单元。

 

为了检查设计是否令人满意,浦卓对PM2.5传感器进行了广泛的测试。”在汽车领域,客户非常清楚他们希望系统经过什么样的测试。比如振动、温度冲击和高湿度下的寿命,”vanderoest说。传感器必须能经受住西伯利亚的严寒和沙特阿拉伯闷热的沙漠。浦卓已经在所有这些环境中测试了它的空气质量传感器。

 

“在加速寿命试验中,我们通过传感器泵送每立方米5毫克污染的空气,” Van der Oest说,通过这一点,我们在六周内证明了该系统继续出色地运行,即使汽车在新德里行驶了整整8000个小时。”