活用尘埃传感器，实现无尘室节能
2015-08-20 15:37:17   来源：微迷   评论：0   点击：

为了控制尘埃量要始终开着空调的无尘室有很大的节能空间。下面笔者就介绍一个利用无线传感器网络实现节能的事例。在日本NMEMS技术研究机构与新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的共同研究项目“绿色传感器网络系统技术开发项目”（2011年度～2014年度）的最终成果报告会上，精工电子的海法克享以“事件驱动型尘埃量传感器的开发”为题发表了演讲。

从事精密制造的工厂为了进行品质管理，都会利用空调来控制室内的尘埃量。其中，无尘室的尘埃管理尤其严格。

即使是1万级（在1立方英尺、也就是大约28.8升空气中，0.5μm以上的微粒在1万个以下）和10万级等清洁度要求不太高的无尘室，为了将尘埃量控制在一定量以下，也要让空调以一定的功率不间断工作。

但实际上，这些无尘室的尘埃量比清洁度的标准值少很多。比如，虽是10万级的无尘室，却基本以1万级的清洁度在运行，对无尘室来说，其实是品质过剩。

如果能根据尘埃量优化空调的控制，就能减少空调的浪费。为了实现这一点，精工电子想到的办法是，构建基于尘埃量传感器的无线传感器网络，将尘埃量反馈给空调，从而实现节能。

只在检测到有人活动时才运行

为此，精工电子开发出了配备光伏电池和无线通信功能的全球最小的尘埃量传感器终端（图1），尺寸仅为2cm × 5cm。

 图1 开发出只靠光伏电池驱动的传感器终端，关键是降低传感器元件的耗电量

光伏电池的输出功率为100μW。为了使其作为传感器的只给电源，必须将尘埃量传感器的耗电量降到可通过光伏电池来供电的水平。但是，原来的尘埃量传感器的耗电量为数W。因此需要开发能以有限的电力高效驱动的尘埃量传感器。

为了降低尘埃量传感器的耗电量，精工电子决定采用在出现一定条件时才驱动的“事件驱动（Event-driven）”方法（图2）。只在必要时驱动，这样可以降低传感器终端的耗电量。

图2 只在检测到人的活动时才驱动尘埃量传感器，将压力传感器作为开关使用

具体的工作原理如下：在无尘室内配备很多尘埃量传感器，平时使其处于待机状态。尘埃量是随着人的活动增减的，因此，只在出现与人员增减相关的大门开关等压力变化时，才驱动尘埃量传感器。

尘埃量传感器与作为触发器的压力传感器相结合，在检测到伴随人活动的作用力时，驱动尘埃量传感器。

作为触发器的压力传感器需要具备两大条件（图3）。一是能够检测伴随人的活动变化出现的压力变化。随着人在无尘室内移动等变化而变化的压力为10Pa左右。压力传感器需要具有能检测出10Pa左右压力变化的灵敏度。

图3 始终工作的压力传感器的耗电量为几μW，触发器需要具备的条件

二是要减小触发器的耗电量。触发器必须始终工作。为了能用光伏电池为其供电，其耗电量要降到几μW。

通过调整传感器元件，降低耗电量

作为触发器的压力传感器采用的是使用压电体的薄膜悬臂式压力传感器（图4）。气压变化时悬臂会发生弯曲，随着悬臂弯曲，压电体产生电荷，成为起动尘埃量传感器的触发器。

图4 使用压电体的传感器在驱动时的耗电量为0W，用薄膜悬臂来实现

由于使用压电体，压力传感元件部分不耗电。与原来的压电电阻型压力传感元件相比，可以降低耗电量。为了高效检测压力，增大了压力传感元件的顶端的面积（图5）。

图5 能检测到3Pa的气压变化，通过改善悬臂的形状提高灵敏度

压力传感器与检测电路组合，作为尘埃量传感器的触发开关发挥作用。传感器部分的耗电量为0W，放大器部分为1.4μW，比较器为0.5μW，总体耗电量大约为2μW（图6）。当随着人的活动而产生10Pa左右的压力时，触发器检测到压力变化，然后发出起动尘埃量传感器的信号。

图6 开关的总耗电量降至大约2μW，检测到10Pa的压力变化后，发出尘埃量传感器驱动信号

精工电子还开发了尘埃量传感器的检测部分（图7）。这部分由小型风扇、激光二极管和光电二极管三部分组成。用激光二极管向小型风扇吸入的空气照射激光。光线照到尘埃微粒时会发生散射。通过让光电二极管检测散射光来掌握尘埃量。

 图7 还开发出尘埃量的检测部分，实现了小型化和低功耗化

尘埃量传感器整体的尺寸为2cm × 5cm。具有符合10万级无尘室要求的尘埃检测灵敏度。

将空调使用率设到18%，以实现节能

精工电子在其精密工厂采用了这种尘埃量传感器终端，并进行了工作验证。验证结果表明，当无尘室的门打开时尘埃量传感器的风扇就会转动，以及压力变化可以进行事件驱动。

引进尘埃量传感器终端的无尘室是10万级，24小时不间断运转。白天约有4名工人，夜间有1名，有时白天工人会增加。照明的照度为400lx左右。之所以要考虑照度，是因为传感器终端只用光伏电池驱动。

一天中，夜间尘埃量传感器的驱动次数很少，因为此时无尘室里的工人很少。而在人多的白天，尘埃量传感器的驱动次数增多，证明可以进行事件驱动。

根据大约2个月的数据，可以确认这一系统可以利用光伏电池持续地独立驱动。2014年11月上旬的数据是空白的，因为这段时间因工厂原因，停止了照明。恢复照明后，尘埃量传感器也重新开始工作。

从获得的数据可以看出，精密工厂的空调存在浪费。于是，精工电子通过事件驱动优化控制空调，使其在保证尘埃量不超过标准值的水平下运行。只在尘埃量增加时调大空调，尘埃量降下来以后就调小空调。

精工电子根据工厂内的情况，设定当尘埃量在3万级以下时，空调为18％运转，当尘埃量达到3万级以上时，空调100％运转。而以前空调是始终100％运转的。

按照新的设定运行一段时间后发现，空调100%运转的时间可减少到整体的约30％，由此可大幅削减空调的耗电量。