摘要：本文简单介绍了空气质量传感器技术的发展现状及历史，集中介绍了它的技术进展情况，并通过分析指出了该领域存在的问题和今后的研究方向。
关键词：空气质量传感器；多传感器；数据融合
中图分类号： TP212.2  文献标识码： A 

一、引言
    目前，改善汽车内环境空气质量是一个愈来愈受到人们普遍重视的研究方向。世界上著名的汽车制造公司在此领域都不断地采用新措施。例如，凌志LS430轿车作为丰田品牌的顶级车，采用了世界上最先进的汽车技术。其空调系统具有智能记忆功能，带有先进的空气质量化学传感器（AQS），当探测到高级别污染时，AQS会指导空调系统关闭空气进气门以将有毒的气体拒之门外。

    目前，市场上存在大量不同类型的空调系统或采用多种接口技术，这使得AQS子系统必须面临如何提供柔性且易于集成的接口的问题，以便为带有微机控制接口的特定设计提供较为高级的解决方案。

二、空气质量传感器的历史背景
    对于汽车的尾气排放物而言，乘客最需要防止的是一氧化碳和氮氧化合物气体。

    氮氧化合物有毒且会致癌，它与水汽发生反应形成硝酸，可以破坏黏膜并损伤免疫力。经常接触氮氧化合物会减少黏膜厚度且降低其保护功能。闻到氮氧化合物的临界值是50ppb，但是，为了感觉它，驾驶员至少要吸入一口这样的气体，相应就对身体有害。

    一氧化碳对于人体来说是危险的，由于人无法闻到CO，而CO会与血色素发生反应且会阻碍其载氧功能，这种损害过程是不可逆的。没有传感系统，人们就不会知道他们的健康处于危险之中，当人体处于极限浓度（大于100ppm）时就会引起伤害甚至死亡，不过这一浓度一般不会在汽车中发生，除非在密封的车库中把引擎打开。

    另外，汽车内部会产生附加污染。一个是新车里来自装饰塑料的味道，含有多种气体分子，称之为“雾”，经常会引起头痛、恶心及过敏反应。虽然最近由于汽车厂商对环保的注意，大量的挥发性物质已经减少，“雾”效应也相应减少，但持续时间却有增长的趋势。另一种臭味源是燃料箱，致癌的不纯苯能够进入到汽车中来。

    用于轿车的第一代空气质量传感器于1986年产于日本，采用在陶瓷基体上涂敷气体敏感材料二氧化锡。这种传感器只能用于控制CO由于柴油引擎还会产生氮氧化合物，不能被二氧化锡传感器探测到，所以，这种传感器只适于以汽油为燃料的汽车。

    1989年第二代双传感器系统开发出来，增加了酞腈染料传感器以解决了柴油引擎尾气测量问题。酞腈染料是一种有机半导体，在微结构硅基底上沉积成一层薄膜，可探测氮氧化合物、臭氧和氧化硫。这种双传感器系统可同时探测汽油尾气和柴油尾气。

    1994年第三代混合金属氧化物传感器上市。该类型传感器表现的高灵敏性和选择性，可作为现场传感器使用。设计人员最初的设计与早期的二氧化锡传感器相同，但是，通过发现混合金属氧化物的成分，研制了一种可以对两种进行反应的传感器单元。

    第四代空气质量传感器是世界上最小的集成空气质量传感器，它是防水标准的，且带有卡口架及任意安装卡子。

三、空气质量传感器的技术进展
    我们可以假设空气质量传感器是一种“电子鼻”。人类的鼻子可以立即对臭味产生反应，避免吃到腐烂的食物或受到有害气体的伤害。然而，鼻子的功能与空气质量传感器相当不同，比较难以置信的是，鼻子甚至可以探测某些只有几ppb浓度的气体。然后，这些气体测评会经过一个非常复杂过程，由许多不同因素决定，是一个非常主观，甚至与文化相关的过程。因此，不可能有标准或标准化的测评。

    大多数传感器都不能在ppb范围上测量尾气浓度，但是，人们要使用空气质量传感器而不是过滤器的原因在于，过滤器的限制非常有限，在原烟中有害颗粒都非常小，大约1mm，这很难过滤出来。

    空气质量传感器是专门设计用来探测浓度非常低的汽油和柴油尾气。比较高级的空气质量传感器是一个全面集成的系统，一般设计成独立的模块化系统。它组合了所有必需的功能，使之在加热通风和空调系统中成为独立可调节装置。它由传感器单元、微控制基本信号处理器和接口组成。微机控制器读取和编译传感器单元中的信号，并且使用脉冲宽度调制信号将其传输给空调系统。通过判断污染级别，决定是否减少外部空气进出量。当汽车进入高度污染的区域时，空气质量传感器自动地关闭进气门，为乘员提供健康、安全和舒适的环境，且可极大地延长车厢空气过滤器的寿命。当空气质量转好时，空气质量传感器会自动重新打开进气管，防止了司机因为忘记重新打开进气口会而使车窗上成雾，导致能见度降低或车厢内氧气浓度下降而使驾驶者产生睡意，这是事故发生的原因之一。微控制器的作用是测评传感器信号并控制传递脉宽调制信号到空调单元，空调单元再依此决定信号的适当动作和执行什么动作。使用微控制器能使空调性能得到提高，并能够根据客户的愿望编程。如通过软件编程确定进气口总的关闭时间和开放时间、脉冲宽度调制信号输出的结构、在启动时传感器性能等各种变量。

    空气质量传感器的传感器单元采用厚膜技术制造，具有很好的强度。特殊混合氧化传感器单元因为是多气体传感器，所以不局限于仅探测几种尾气，它能感知每天的交通环境中所发现的宽范围的尾气；它可感知氧化物尾气如一氧化碳、粗苯、汽油、乙烷、辛烷、二氧化硫、氢硫化物和二硫化碳。高度成熟的电子电路可以完成双单元探测宽范围的尾气，但其成本较高。

    空气质量传感器一般安置在空气进口附近的通风罩或气室里，位于挡风玻璃的基座下。当进气口打开时，它便会在这里探测将要吹到汽车里的空气。该系统能动态地适应各种驾驶环境，如城市、乡村、交通阻塞路口或隧道等等。

    传感器专用软件提供了合适的灵敏度来控制系统适应周围的污染级别。传感器具有一种自学特征来提供持续的调节以使得在汽车整个使用寿命里保持一致性。

    空气质量传感器还具有自我诊断功能。微控制器监控了传感器功能，如果有故障发生会自动初始化，该功能是一种能保护正常程序运行的安全程序。

    空气质量传感器微控制器能满足用于脉冲宽度调制或总线的各种接口特征的兼容应用，具有合适的输出过载保护。它根据接口的定义生成接口信号，且控制了接口的电流和电压以及防止在过载时使接口失去活性。

四、存在的问题和未来的展望
    虽然空气质量传感器在汽车空调系统中已得到了广泛的应用，它能够很容易地适应于各种汽车接口形式，如数字式、准模拟式或模拟接口，但是至今为止还没有被大规模应用于各种汽车上。

    实际上，虽然汽车尾气的危害性是众人皆知的，但大多家庭消费者对空气质量传感器所能提供的更大的健康、安全和舒适性观念模糊。目前，已有相关部门制订了严格的法规、采用完善的评价体系对汽车尾气排放做出了严格的限制。正如汽车安全装置（空气囊）一样，未来的发展趋势是将会有越来越多的汽车会装备空气质量传感器，用以提供一种有效率的空气质量管理给客户，为人们的生活提供更多的潜能。

    随着传感器技术、数据处理技术、计算机技术、网络技术、人工智能技术、并行计算机的软件和硬件技术等相关技术的发展，未来一代的空气质量传感器将是多传感器数据融合的一部分。未来的空气质量传感器必须设计成多用途的以用于不同汽车系统，然后每个传感器必须包括总线控制器或将与其他传感器集成起来形成智能传感子系统以执行某种级别的信息处理，更多的电子将用于预处理且总线兼容性会被集成，同时也因为空气质量传感器将变得标准化而更易于互换。

参考文献
[1] Strategy Analytics Boston, Automotive Radar Systems[M], 2001.
[2] J.Marek, H.P.Trah, Y.Suzuki. Sensors for Automotive Technology[M], 2004.
[3] Luo,R.C.et al. Dynamic Multi-sensor Data Fusion System for Intelligent Robotics and Automation[M],1998.

The Research and Progress in Air Quality Sensor of Automotive
Abstract: The history and development of air quality sensor technology are described in this paper; its progress of technology is focused on. The remaining problems and possible directions on the research are also mentioned. 

Keywords: air quality sensor; multi-sensor; data fusion

作者简介：
吴良胜，汽车讲师、维修技师、硕士研究生，研究方向为汽车教学、检测、控制技术。
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