• 半導體激光器在PM2.5粉塵傳感技術中的應用

    粉塵檢測技術最早誕生于上世紀50年代,以英、美、日、德為代表的發達國家率先開展相關研究,并將其應用于工礦揚塵監測等場景,用于控制、預防由可吸入粉塵引發的各類職業病。經過幾十年的發展,以光散射原理為核心的粉塵檢測技術,也逐步進入空氣凈化器等民用領域。21世紀以來,隨著中國工業化進程的加快,作為副產品的環境污染問題也日益突出,城市居民的呼吸健康受到了霧霾問題的影響,于是以“PM2.5”為代表的顆粒物污染檢測技術也首次進入大眾視野,成為廣受社會關注的重點話題,PM2.5傳感器也逐步成為室內、車內、公共場所空氣質量檢測的重要工具。

    早期的粉塵傳感器,主要使用紅外LED作為光源,通過電阻發熱以獲得熱氣流流動。當有空氣中有顆粒物通過時,接觸到LED光源之后發生散射,被光敏探測器接收到后產生不同大小電信號,經放大、運算后得到檢測結果。此項技術中,由于LED散射光強度較低,加熱電阻產生的氣流較弱,通常只對直徑大于1μm的較大顆粒有效,且只能通過電信號占空比表征空氣中的顆粒物變化情況,測量數值誤差較大化,且無法適應塵源變化環境,難以實現對PM2.5等顆粒物的實時監測。

    1、紅外LED粉塵傳感器示意圖及內部結構

     

    為追求更高的性能,PM2.5傳感器開始引入激光技術,使用小功率半導體激光器作為光源,替代原有紅外LED。通過風扇或鼓風機,將采樣空氣推入激光光束所在區域,空氣中的顆粒物將激光散射,且不同粒徑的顆粒物散射角度、光強分布均有差異;通過在不同位置安裝光敏探測器,分別收集散射光并轉換為電信號,分析后可快速獲得不同尺寸顆粒物的濃度,從而實現高精度測量。與紅外LED傳感器相比,激光傳感器具有如下優勢:

     

    項目

    紅外LED傳感器

    激光傳感器

    探測粒徑

    1μm

    0.3μm

    測量范圍

    0-300μg/m³

    0-1000μg/m³

    測量精度

    單一塵源下工作,塵源變化后誤差大

    可滿足不同塵源,精度10%

    輸出信號

    模擬信號,低電平占空比,易失真

    數字信號,輸出PM1.0/PM2.5/PM10濃度數值

    響應時間

    平均30

    1

    維護保養

    易出現積灰,需定期擦洗維護

    無需后期維護

    應用場景

    低精度、單一塵源、大直徑顆粒度物濃度變化趨勢檢測,如礦場、管道粉塵檢測、吸塵器等

    高精度、復合塵源、不同直徑顆粒物濃度測試,如中央空調、車載空調、空氣凈化器、油煙傳感、揚塵監控等

    2、紅外LED及激光傳感器對比

    除了室內家電,車內及室外環境下對PM2.5檢測的需求也日益強烈。面對更復雜的使用環境,不但要求傳感器所用的小功率半導體激光器具有穩定的出光功率,還可在極大的環境溫度變化范圍內長期工作,故對激光器整體可靠性提出了更高的要求。早期PM2.5傳感器多使用進口品牌,但近幾年山東華光光電子股份有限公司在半導體激光器研發中取得關鍵技術突破,將高可靠性外延結構設計及生長、高質量腔面鍍膜工藝、全自動金錫共晶工藝、全自動老化及測試分檔等先進技術引入小功率半導體激光器制造領域,以650nm、790nm為代表的小功率半導體激光器產品,可在下至-40℃、上至85℃的苛刻環境下穩定工作,已在PM2.5檢測領域獲得業內龍頭企業及眾多客戶認可,多年以來已大規模應用于室內外、車載PM2.5傳感器中。

    3、用于PM2.5粉塵傳感器的小功率半導體激光器

    未來,華光光電也將繼續發揮自身優勢,堅持走自主創新之路,大力推進技術革新,朝著先進光電子產品和領先解決方案的服務商奮進,引領國內半導體激光器邁上新的臺階。

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