文 | 云上乌托邦

编辑 | 云上乌托邦

序

近年来，气体传感器在自动化生命科学实验室环境监测中扮演着越来越重要的角色。工作场所的空气污染不仅危及工作人员的健康与安全，还可能对工作流程产生严重影响。

在其中，氮氧化物和挥发性有机化合物被认为是主要的空气污染物，世界卫生组织和全球疾病负担流行病学研究显示，家庭与周围环境中的空气污染物造成的过早死亡人数高达数万。

新型气体传感器，特别是基于半导体金属氧化物的传感器，由于其低成本、小尺寸、长寿命和易于使用等优势，受到了广泛的重视。

接下来将为大家详细讲解，新型SGP41气体传感器运行中，能否准确监测挥发性有机化合物污染物。

空气污染带来的环境危害

工作场所的空气污染，尤其是可能存在污染物来源的工作场所，是一种常见的危害，威胁着工人和工作流程的安全，氮氧化物和挥发性有机化合物是影响工作环境中公共安全的主要空气污染物之一。

世界卫生组织以及全球疾病负担流行病学研究的统计数据显示，至少有7万人过早死亡是由于家庭和周围环境中的空气污染物造成的。

在整个欧洲，氮氧化物（NOx，主要是NO和NO2）和挥发性有机化合物污染已成为主要的环境问题，一些大城市地区的二氧化氮水平已经高于欧盟安全限值，这种情况不再局限于大型工业区，许多周边农村地区和小规模人群经常记录氮氧化物浓度的违规记录。

暴露于氮氧化物的风险不仅限于急性肺炎的可能性;它们还包括肺泡扩张和气道容积增加对呼吸系统的组织和功能造成永久性损害的可能性，这可能导致早期局灶性肺气肿的发生。

如今，半导体金属氧化物传感器因其一些吸引人的特性而被普遍使用，例如低成本、小尺寸、长寿命、易用性以及检测各种化学气体和蒸气的能力，此外，它们的特点是易于调整其输出，这通常以传感材料电阻抗变化的形式出现。

已经实施了许多产品和研究工作来检测和报告过量的NOx和VOC污染物，提出了一个云连接的NO2，以及基于臭氧电化学传感器的哮喘患者空气污染连续监测系统，

除气体传感器外，该系统还包括一个用于湿度和温度测量的环境传感器，系统可以记录NO2气体浓度低至10ppb，臭氧浓度为15ppb，时间分辨率为一分钟，传感器的测量结果使用RaspberryPi单板计算机进行处理，生成的数据使用Wi-Fi通信模块和亚马逊云科技传输到云端。

提出了一种完全集成的光声二氧化氮（NO2）用于低浓度气体浓度测量的气体传感器，3D打印技术用于制造NO的嵌入式光声电池。

传感器尺寸为12厘米 6.5厘米 0.35厘米的传感器，PLTB-450BA，450nm蓝色激光二极管用于常开2基于光与气体分子相互作用的气体检测（气体光谱）。

采集的数据经过放大并使用四级带通滤波器滤波以降低噪声，然后使用模数转换器（ADC）进行转换，传感器使用带有浮动处理单元的微控制器进行数据处理。

并使用SPI通信协议与其他设备进行通信，该传感器在几个污染地区进行了测试，结果比较否-否2–NOX气体分析仪适用于相同的位置，并显示出传感器的良好使用潜力。

我们介绍了新型SGP41金属氧化物半导体（MOX）气体传感器的集成、测试和评估，该传感器是同一制造商生产的旧版本（SGP30，SGP40）的替代品。

该传感器已集成到基于物联网的便携式传感器节点中，用于环境监测以及检测和报告有害气体和蒸气的泄漏，该传感器的集成通过增加检测氮氧化物泄漏（NO，NO）的能力，提高了传感器节点的灵敏度和选择性2，NOx）和VOC指数，这是主要的空气污染物之一。

这项工作的目标包括测试商用传感器的性能，并确定它是否适合集成到可能泄漏有害气体和化学烟雾的位置的传感器节点和空气质量监测设备中，这项工作包括广泛的测试，以检测不同大小和不同来源的氮氧化物的泄漏。

该传感器还用一系列不同浓度和不同测试距离的挥发性有机化合物进行了测试，这项工作清楚地描绘了传感器的性能及其对泄漏情况的响应速度，以及恢复传感器中传感器薄膜所需的时间。

材料和方法

所介绍工作的主要目标是更新和增强多任务柔性传感器节点的性能，尤其是气体传感器层，传感器节点位于德国罗斯托克大学生命科学自动化中心（celisca）。

传感器节点的第一个版本包括4层，主要的是带有BME688（博世传感器技术，德国罗伊特林根）和SGP30气体传感器的传感器层。

在这项工作中，传感器节点已更新为SGP41气体传感器，可以检测NOx水平以及VOC水平。

传感器节点的通信层负责接收预处理的传感器数据，并将其无线发送到云服务器，为此，使用了两种类型的无线通信模块：ESP-WROOM-02D（乐鑫，中国上海）Wi-Fi模块，负责通过Wi-Fi协议将传感器数据发送到云服务器。

以及Aconno蓝牙模块ACN52840（Aconno，杜塞尔多夫，德国），负责使用基于蓝牙的特殊信标设备检测位置信息。

然后使用Wi-Fi模块将位置信息发送到云.通信层与处理层通信，以便使用SPI总线进行数据传输，接收到的数据存储在通信层的512KB铁电RAM中，以避免在发生无线通信问题时丢失数据。

传感层主要负责使用三个小型传感器收集所需的环境数据，传感器层可以通过使用预定义的通信总线（I2C、SPI、UART）添加新传感器来扩展。

而且传感器节点设计为可以根据目标参数灵活地使用不同的传感层，在拟议的工作中，使用带有BME688环境传感器，SGP41气体传感器和MS5803-05BA压力传感器的传感层。

其实处理层是传感器节点的中心层，它负责采样、处理和传输所有传感器数据，处理节点的主要元件是恩智浦MKL27Z256LH4微控制器（恩智浦半导体，荷兰埃因霍温）。

这是一款32位ARM微控制器，处理时钟为32MHz，它具有所有必需的总线，例如USBType-C，I2C，SPI和UART接口，以便与传感器节点层中的不同传感器和模块进行通信。

USBType-C总线可用于为传感器节点供电、为移动应用和系统配置电池充电，处理层具有MCP79411电池备份的I2C实时时钟（MicrochipTechnologyInc.，美国亚利桑那州），用于生成用于感测层测量的时间戳。

而且电源层是一个可选层，用于在托管环境中没有典型的USBType-C接口时为传感器节点提供电源，电源层可提供两个电源输入接口，24V直接直流电源用于某些类型的人形机器人和坦克机器人。

第二个电源接口用于典型的可充电电池（3.7V），广泛用于移动应用，连接到第二个电源层接口的可充电电池，可以从第一个24VDC电源接口以及处理层板的USBType-C接口充电，图4显示了建议的传感器节点的电源层。

系统测试

SGP41传感器在不同气体和挥发性有机化合物下，测试了其两个氮氧化物指数和挥发性有机化合物指数参数，使用多种测试程序、环境、样品量和与传感器节点的距离来评估传感器性能，并研究在固定和移动环境监测应用中使用传感器节点的最佳条件。

所有测试均在德国罗斯托克大学生命科学自动化中心（celisca）的实验室进行，该实验室配备了程序化的空气通风系统，可将温度保持在22 0.5摄氏度以内，相对湿度保持在50.0 2.0%左右，此外，SGP41和BME688气体传感器都具有校准算法。

以避免温度和相对湿度变化引起的任何传感器漂移，以下两个小节解释了NOx指数和VOC指数的测试程序和结果。

NOx指数是指室内空气中氮氧化物的含量，该指数随着NO，NO浓度的增加而变化2，或两者兼而有之（NOx）在测试空气样品中。

为此，使用不同尺寸（1L、10L）的特殊SKC气体样品页（SKC，Inc.，EightyFour，PA，USA）和最大压力为2.4bar的小型电动泵KNF（KNFNeubergerGmbH，德国弗莱堡）来收集NO、NO2和来自不同来源的NOx气体混合物。

例如纯NO气体2气瓶、苯燃料发动机排气和柴油发动机废气，氮氧化物气体的测试是使用为此目的设计并由聚氯乙烯（PVC）制成的特殊气体测试室进行的，它的尺寸为高52厘米，长42厘米，宽30厘米，总容积为65升。

气体检测室有一个小风扇，可将气体样品与室内空气均匀混合，以确保准确的传感器响应，此外，风扇用于在测试阶段后从气室中抽空气体样品，并在下一个测试阶段用新鲜空气替换它（风扇持续工作，直到传感器测量正常的NOx指数基线）。

VOC指数表示空气中VOC在五个水平上的浓度，从良好到危险的空气质量，针对VOC指数的SGP41传感器测试与BME688传感器的IAQ指数同时实施，BME0传感器包含在相同的传感层中，这两个指数都是指空气质量水平从500到41，分别代表最佳到最差的质量范围。

该测试是在Secuflow烟气样品制备罩（WaldnerHoldingGmbH&Co.KG，WangenimAllgäu，德国）内进行的，该罩专为实验室化学样品制备而设计，SGP10传感器使用5种不同的VOC溶剂进行了测试。

即丙酮、乙腈、苯、乙醚、乙醇、甲酸、己烷、异丙醇、甲醇和甲苯，测试了每种VOC的四个体积（10μL、50μL、100μL和15μL）。

使用精确的Eppendorf移液器（EppendorfSE，德国汉堡）采集VOC样品，并注入直接放置在传感器节点下方的直径为40厘米的培养皿中，传感器节点固定在可调节高度的支架上。

并且传感器节点和VOC源之间的两个距离（100cm和<>cm）用于系统测试，图10显示了带有二手可调节支架的测试罩。

结论

在这项工作中，介绍了新型SGP41气体传感器，在用于环境监测的便携式传感器节点中的集成和测试，该传感器可以测量NOx气体混合物和VOC的指数水平。

这是空气污染的主要参数，该传感器已与另一种气体传感器BME688结合使用，并且两者都已使用多种VOC溶剂进行了测试。

测试结果表明，SGP41对9/10测试的VOC溶剂具有更好的响应，可以检测NOx气体的含量，这是危险和有毒气体检测和报警系统的独特而重要的功能。

基于系统测试，SGP41传感器可以检测到从0.3%（0.2L/65L体积）开始的小NOx气体泄漏，并且可以检测两个测试距离 100μL的所有VOC溶剂，传感器性能评估表明，SGP41和BME688的响应和恢复时间对于设计目的非常有用。

在未来的工作中，传感器层可以通过包含用于检测不同气体和/或空气污染物（如H2，CO，SO2，O3和PM2.5。