基于紅外反射的油煙濃度傳感器技術的實驗研究

張思輝

（廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528305）

研究背景

隨著社會的發展進步，半導體技術的發展以及各類聲、光、電、化學等類型傳感器的研發及應用，在很大程度上提高了吸油煙機智能化水平，使用戶的使用體驗感更佳。根據團體標準T/CAS 376-2019《家用吸油煙機智能水平評價技術規范》要求，按照用戶需求為中心的原則，從“安全、可靠、健康、易用、節能”五個方面選取了對增強產品功能、提升產品性能、改善用戶體驗具有一定價值的智能功能[1]，吸油煙機智能化已形成行業共識并付諸實踐。通過傳感器檢測技術來啟動吸油煙機及調節風量大小誕生了很多方案，目前的方案雖說可以在一定程度的實現吸油煙機的自動調節風量，但仍然不盡如人意，主要有以下幾點原因：①吸油煙機的風量大小仍然無法與油煙實際產生的大小進行匹配；②傳感器檢測部易受油污污染影響檢測精度甚至使傳感器損壞。為了實現精準且長期的檢測油煙的濃度，本文根據吸油煙機的使用環境，對現有吸油煙機油煙濃度傳感器檢測原理進行了介紹，并提出了一種新型油煙濃度傳感器的技術方案，從而使吸油煙機能根據油煙濃度自動調節風量的大小，并且使得傳感器使用壽命更長久。

1 吸油煙機傳感器技術發展介紹

現有的吸油煙機傳感器技術應用已經非常多，為了實現烹飪時吸油煙機可以根據所產生的油煙大小來自動調節風量，誕生了如下技術方案。

第一代煙灶聯動式：吸油煙機與燃氣灶聯動控制的方案。

通過檢測燃氣灶火力大小來控制吸油煙機風量的大小，該方案是通過在燃氣灶上增加一個用于檢測火力大小的傳感器，并將燃氣灶火力大小數據發送至吸油煙機。該方案吸油煙機的風量與燃氣灶的火力是成正比例的，該方案缺陷在于燃氣灶火力的大小與吸油煙機風量的大小是固定匹配的，而火力大小并不能等同于實際烹飪時油煙產生的大小。

第二代傳感器檢測式：主要有直接檢測式、間接檢測試以及混合檢測式。

1）使用粉塵傳感器的直接測量方式，粉塵傳感器是通過檢測流經粉塵傳感器的油煙的濃度并輸出測量結果。粉塵傳感器是使用定制設計的橢圓鏡和一個雙元件光電檢測器的組合，在一個開放的散射腔室的中心自由空間創建一個“虛擬感應區”，然后感應區及其周邊空間會被一個薄的帶狀激光束照亮，含顆粒的空氣不受約束地通過散射室且可以穿過激光束感應區內外，但只有那些穿過感應區域內的顆粒可被雙元件檢測器確認并由OPC電子計數/測量大小[2]，如圖1所示。該方案缺陷在于粉塵傳感器的探頭光學組件只能檢測干粉塵，應用在油煙環境中傳感器檢測部件很容易被油煙所覆蓋，影響測試結果的準確性，存在一定的使用壽命。

圖1 粉塵傳感器示意圖

2）使用VOC氣體傳感器的間接檢測方式，VOC氣體傳感器是采用旁熱式結構廣譜型半導體氣敏元件，該傳感器由陶瓷加熱器上涂覆納米級半導體材料SnO2并摻雜適當微量元素構成[3]。主要用來檢測燃氣灶燃燒中所產生的一氧化碳等有機氣體，其利用半導體氣敏元件的電導率特性，其導電率隨被測氣體濃度的增加而迅速升高，用于可燃性氣體的檢測，靈敏度高，響應速度快[4]，如圖2所示。通過檢測烹飪過程中燃氣灶燃燒的過程中所產生的廢氣濃度來控制吸油煙機的風量，該方案缺陷在于燃氣灶燃燒所產生的廢氣濃度與烹飪所產生的油煙濃度是沒有直接性關系的。

圖2 VOC傳感器示意圖

3）使用紅外測溫或檢測音頻的間接檢測方式或由幾種方案相結合的混合檢測方式，例如使用紅外溫度傳感器是通過檢測燃氣灶上鍋具內的溫度，通過判斷鍋具的溫度大小來控制吸油煙機的風量大小；使用音頻檢測模塊檢測烹飪過程中所產生的聲音大小或頻率特征來控制吸油煙機的風量大小。以上方案缺陷均在于不能準確控制風量大小，因為隨著烹飪的食材和烹飪方式不同，所產生的被測物理量也不同，均不能滿足實際應用需求。

以上這些方案雖說可以在一定程度上實現吸油煙機的自動調節風量，但在用戶實際使用過程中，仍然無法準確實現風量大小與油煙實際濃度大小進行準確匹配，用戶體驗感較差。

2 新型廚房油煙濃度傳感器技術方案

2.1 現有技術方案介紹

現在應用較成熟的廚房油煙濃度傳感器技術方案中比較典型的有紅外傳感檢測方案，該方案為直接檢測方式。其采用的是紅外線發射管和紅外線接收管對置布置的結構，發射管與接收管安裝在塑料密封結構中，設置的檢測通道可以讓油煙通過，如圖3所示；還有另外一種方案是對上述方案的光學部分進行改進，發射管與接收管安裝在同一側，紅外發射管發射的紅外線通過反射鏡來反射并通過紅外檢測管檢測，如圖4所示。

圖3 紅外傳感檢測方案示意圖一

圖4 紅外傳感檢測方案示意圖二

該技術方案檢測原理為，控制紅外發射管的發射固定功率強度Q1的紅外光，當紅外光被油煙阻擋反射、折射或吸收后，紅外接收管檢測反射回的紅外光線強度Q2，控制程序將接收到的紅外光強度轉換為數字量，通過判斷Q1-Q2的差值從而定量判斷油煙的濃度大小。由于該方案受制于檢測結構的原因，傳感器總成結構復雜外形面暴露較多，使得油煙污漬易吸附在傳感器表面，影響檢測結果的準確性，長期使用時壽命較短。同時該檢測方案僅由紅外發射管與紅外接收管組成，無法對外部環境光線干擾進行濾除，因此只能檢測非常明顯的油煙濃度變化，無法實現精準檢測。

2.2 本技術方案介紹

為了使得油煙濃度檢測更加準確，同時使傳感器的使用壽命更長，本文對目前所使用的油煙濃度傳感器的檢測方法和檢測結構進行改進設計，提出了一種新型廚房油煙濃度傳感器技術方案。本技術方案屬于直接檢測型，該傳感器硬件電路由以下模塊組成：①供電模塊，②紅外發射控制電路，③紅外PD接收電路，④紅外補償控制電路，⑤MCU控制單元，⑥UART輸出等部分組成。如圖5所示。

圖5 新型油煙濃度傳感器原理圖

該光學傳感器系統以MCU控制單元為核心，由多組紅外發射管分時發射固定功率強度的紅外光，紅外光線經過油煙煙霧的反射、折射或吸收后，通過紅外接收PD管檢測實時的紅外光線強度，通過模數轉換即可得出油煙濃度大小的數值。如圖6所示。

圖6 新型油煙濃度傳感器結構圖

本文所述的技術方案具有紅外光線強度補償電路，用于檢測環境光線強度的數值并對檢測值進行補償。環境光補償的步驟為：①紅外發射管發送固定功率和頻率的紅外光S1，紅外接收管接收到的紅外光強度為P1，此時P1=S1+E1，其中E1為環境光本底值；②紅外補償管發射與紅外發射管相同頻率的紅外光S2，其發射的周期與紅外發射管波形相反，以節省檢測時間，通過調整S2的發射功率，使得紅外接收管接收到的紅外光強度為P1，③由于S2=P1,因此計算S2-S1的差值即為E1環境光本底值。紅外補償管直接通向紅外接收管發射，且外部通過光罩隔絕環境光，能更準確的檢測環境光本底強度，對最終數值結果進行補償。

控制模塊軟件還具有靜態和動態基準值自校準功能，在傳感器上電時以及正常工作時，能根據傳感器表面的臟污程度對基準值更新，并可以通過絕對值和差值兩種方法進行油煙濃度大小的判斷。

與此同時我們對油煙濃度傳感器的安裝位置進行優化設計，根據兩款不同形態的側吸式吸油煙機建立模型,應用流體力學方法對其風道進行了模擬仿真,主要針對風量、油煙流場、速度流場及負壓區進行分析,選擇最優安裝位置[5]。通過使本文所描述的新型廚房油煙濃度傳感器處于一個垂直豎放位置，當油煙在傳感器表面上聚集成油滴的時候，油滴會因為重力原因下落，有效降低了油煙聚集到傳感器表面的程度。并且本文所述傳感器表面設計成光滑平面結構，使傳感器檢測部表面盡量少的暴露在油煙環境中，通過流體仿真計算將傳感器設置于吸油煙機腔體內高壓高速氣流中，使氣流可以沖刷傳感器表面，這樣就起到了傳感器表面自清潔的作用，如圖7所示。

圖7 新型廚房油煙濃度傳感器安裝示意圖

3 新型廚房油煙濃度傳感器功能及測試驗證

3.1 傳感器數據測試

通過搭建測試系統模擬烹飪過程中產生的油煙大小，分別測試開機無油煙、純水蒸汽、純油煙、少量油煙（含水）、中等量油煙（含水）、大量油煙（含水）、傳感器全遮擋等情況下實時讀取油煙濃度傳感器的數據，并將數值轉換為16進制值。待油煙煙霧穩定10 s后記錄此時傳感器的數據，吸油煙機停機10 min后復測，每種工況條件分別復測10次，油煙濃度數據結果如表1所示。

表1 不同工況條件測試的傳感器數據

根據以上數據的測試結果可以得出，隨著油煙濃度的上升，檢測結果也隨之變大，通過程序判斷傳感器數據與無油煙時初始基準值的差值大小，即可算出當前油煙濃度的大小。根據油煙濃度數值大小設置吸油煙機相對應的風量大小，來實現吸油煙機排煙的精確控制。當傳感器檢測到無油煙產生且累計達到1 min時，控制吸油煙機自動關機并進入待機模式，實現自動停機功能。在使用純油煙模擬測試時，由于純油煙產生的煙霧對紅外光線的吸收效果較強，因此傳感器所接收的數值較低，此時數值變化量較小，程序需進行多次采樣運算，因此反應較慢。在使用純水蒸汽模擬測試時，由于水蒸汽屬于透明氣體，其對紅外光線存在較強的反射，使得傳感器檢測的結果較純油煙模擬的數值大，通過程序運算，可以判斷出此時產生的是水蒸汽，應保持當前檔位，而不需要將吸油煙機的風量調節過大，以更好的適應真實的場景。當模擬傳感器表面異常被油煙完全遮擋時，傳感器檢測數值達到極限，此時輸出故障代碼，吸油煙機提示傳感器異常，需及時進行維修處理。

3.2 模擬炒菜測試

安裝了新型廚房油煙濃度傳感器的吸油煙機可根據油煙的有無來啟停吸油煙機，通過油煙的濃度大小來調節吸油煙機風量，使得吸油煙效果達到更理想狀態。當灶臺上的炒菜鍋被加熱產生油煙時，吸油煙機自動啟動抽油煙低速檔；當炒菜鍋繼續加熱產生更多油煙時，吸油煙機自動調節小、中、大三檔風量；當炒菜鍋停止加熱并不再產生油煙時，吸油煙機自動停止工作。本新型廚房油煙濃度傳感器減少了用戶在烹飪過程中操作吸油煙機的次數，同時使廚房油煙凈化達到最佳效果。如圖8所示。

圖8 新型廚房油煙濃度傳感器測試系統圖

3.3 壽命及可靠性測試

正常測試結束后，我們對樣機進行了長期壽命及可靠性測試（圖9）。測試步驟為：①在鍋內倒入食用油，啟動灶具加熱待油溫上升至180 ℃后，在鍋內倒入少量水，使鍋內產生大量油煙，同時觀察煙感模塊是否正常工作并啟動吸油煙機調節風量大小；②關閉灶具使油煙消失并等待吸油煙機停止進入待機模式，使吸油煙機如此反復工作1個小時；③待工作結束后，等待油煙凝結形成油膜，等待周期為1天；④連續工作21天后測試吸油煙機油煙濃度檢測功能是否正常，并拆機檢查傳感器表面臟污程度。

圖9 長期壽命測試圖

4 結論

本文通過對吸油煙機油煙濃度傳感器方案進行分析和研究，并對現有紅外反射式油煙濃度傳感器進行改進設計，通過原理分析和實驗驗證可得出以下結論：

1）通過紅外反射原理可以精確測量油煙濃度的變化。

2）通過模擬炒菜實驗結果表明，該技術方案可靠且使用壽命長。