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(huì)的發(fā)展進(jìn)步，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展以及各類聲、光、電、化學(xué)等類型傳感器的研發(fā)及應(yīng)用，在很大程度上提高了吸油煙機(jī)智能化水平，使用戶的使用體驗(yàn)感更佳。根據(jù)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CAS 376-2019《家用吸油煙機(jī)智能水平評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)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(jié)能”五個(gè)方面選取了對(duì)增強(qiáng)產(chǎn)品功能、提升產(chǎn)品性能、改善用戶體驗(yàn)具有一定價(jià)值的智能功能[1]，吸油煙機(jī)智能化已形成行業(yè)共識(shí)并付諸實(shí)踐。通過傳感器檢測技術(shù)來啟動(dòng)吸油煙機(jī)及調(diào)節(jié)風(fēng)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(shí)現(xiàn)吸油煙機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量，但仍然不盡如人意，主要有以下幾點(diǎn)原因：①吸油煙機(jī)的風(fēng)量大小仍然無法與油煙實(shí)際產(chǎn)生的大小進(jìn)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)且長期的檢測油煙的濃度，本文根據(jù)吸油煙機(jī)的使用環(huán)境，對(duì)現(xiàn)有吸油煙機(jī)油煙濃度傳感器檢測原理進(jìn)行了介紹，并提出了一種新型油煙濃度傳感器的技術(shù)方案，從而使吸油煙機(jī)能根據(jù)油煙濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，并且使得傳感器使用壽命更長久。

1 吸油煙機(jī)傳感器技術(shù)發(fā)展介紹

現(xiàn)有的吸油煙機(jī)傳感器技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)非常多，為了實(shí)現(xiàn)烹飪時(shí)吸油煙機(jī)可以根據(jù)所產(chǎn)生的油煙大小來自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量，誕生了如下技術(shù)方案。

第一代煙灶聯(lián)動(dòng)式：吸油煙機(jī)與燃?xì)庠盥?lián)動(dòng)控制的方案。

通過檢測燃?xì)庠罨鹆Υ笮砜刂莆蜔煓C(jī)風(fēng)量的大小，該方案是通過在燃?xì)庠钌显黾右粋€(gè)用于檢測火力大小的傳感器，并將燃?xì)庠罨鹆Υ笮?shù)據(jù)發(fā)送至吸油煙機(jī)。該方案吸油煙機(jī)的風(fēng)量與燃?xì)庠畹幕鹆κ浅烧壤?，該方案缺陷在于燃?xì)庠罨鹆Φ拇笮∨c吸油煙機(jī)風(fēng)量的大小是固定匹配的，而火力大小并不能等同于實(shí)際烹飪時(shí)油煙產(chǎn)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(jīng)粉塵傳感器的油煙的濃度并輸出測量結(jié)果。粉塵傳感器是使用定制設(shè)計(jì)的橢圓鏡和一個(gè)雙元件光電檢測器的組合，在一個(gè)開放的散射腔室的中心自由空間創(chuàng)建一個(gè)“虛擬感應(yīng)區(qū)”，然后感應(yīng)區(qū)及其周邊空間會(huì)被一個(gè)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(yīng)區(qū)內(nèi)外，但只有那些穿過感應(yīng)區(qū)域內(nèi)的顆粒可被雙元件檢測器確認(rèn)并由OPC電子計(jì)數(shù)/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(xué)組件只能檢測干粉塵，應(yīng)用在油煙環(huán)境中傳感器檢測部件很容易被油煙所覆蓋，影響測試結(jié)果的準(zhǔn)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(jié)構(gòu)廣譜型半導(dǎo)體氣敏元件，該傳感器由陶瓷加熱器上涂覆納米級(jí)半導(dǎo)體材料SnO2并摻雜適當(dāng)微量元素構(gòu)成[3]。主要用來檢測燃?xì)庠钊紵兴a(chǎn)生的一氧化碳等有機(jī)氣體，其利用半導(dǎo)體氣敏元件的電導(dǎo)率特性，其導(dǎo)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(yīng)速度快[4]，如圖2所示。通過檢測烹飪過程中燃?xì)庠钊紵倪^程中所產(chǎn)生的廢氣濃度來控制吸油煙機(jī)的風(fēng)量，該方案缺陷在于燃?xì)庠钊紵a(chǎn)生的廢氣濃度與烹飪所產(chǎn)生的油煙濃度是沒有直接性關(guān)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(jié)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?xì)庠钌襄伨邇?nèi)的溫度，通過判斷鍋具的溫度大小來控制吸油煙機(jī)的風(fēng)量大??；使用音頻檢測模塊檢測烹飪過程中所產(chǎn)生的聲音大小或頻率特征來控制吸油煙機(jī)的風(fēng)量大小。以上方案缺陷均在于不能準(zhǔn)確控制風(fēng)量大小，因?yàn)殡S著烹飪的食材和烹飪方式不同，所產(chǎn)生的被測物理量也不同，均不能滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

以上這些方案雖說可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)吸油煙機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量，但在用戶實(shí)際使用過程中，仍然無法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)風(fēng)量大小與油煙實(shí)際濃度大小進(jìn)行準(zhǔn)確匹配，用戶體驗(yàn)感較差。

2 新型廚房油煙濃度傳感器技術(shù)方案

2.1 現(xiàn)有技術(shù)方案介紹

現(xiàn)在應(yīng)用較成熟的廚房油煙濃度傳感器技術(shù)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(fā)射管和紅外線接收管對(duì)置布置的結(jié)構(gòu)，發(fā)射管與接收管安裝在塑料密封結(jié)構(gòu)中，設(shè)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(duì)上述方案的光學(xué)部分進(jìn)行改進(jìn)，發(fā)射管與接收管安裝在同一側(cè)，紅外發(fā)射管發(fā)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(shù)方案檢測原理為，控制紅外發(fā)射管的發(fā)射固定功率強(qiáng)度Q1的紅外光，當(dāng)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(qiáng)度Q2，控制程序?qū)⒔邮盏降募t外光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為數(shù)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(jié)構(gòu)的原因，傳感器總成結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)果的準(zhǔn)確性，長期使用時(shí)壽命較短。同時(shí)該檢測方案僅由紅外發(fā)射管與紅外接收管組成，無法對(duì)外部環(huán)境光線干擾進(jìn)行濾除，因此只能檢測非常明顯的油煙濃度變化，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)檢測。

2.2 本技術(shù)方案介紹

為了使得油煙濃度檢測更加準(zhǔn)確，同時(shí)使傳感器的使用壽命更長，本文對(duì)目前所使用的油煙濃度傳感器的檢測方法和檢測結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，提出了一種新型廚房油煙濃度傳感器技術(shù)方案。本技術(shù)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(fā)射控制電路，③紅外PD接收電路，④紅外補(bǔ)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(xué)傳感器系統(tǒng)以MCU控制單元為核心，由多組紅外發(fā)射管分時(shí)發(fā)射固定功率強(qiáng)度的紅外光，紅外光線經(jīng)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(shí)時(shí)的紅外光線強(qiáng)度，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換即可得出油煙濃度大小的數(shù)值。如圖6所示。

圖6 新型油煙濃度傳感器結(jié)構(gòu)圖

本文所述的技術(shù)方案具有紅外光線強(qiáng)度補(bǔ)償電路，用于檢測環(huán)境光線強(qiáng)度的數(shù)值并對(duì)檢測值進(jìn)行補(bǔ)償。環(huán)境光補(bǔ)償?shù)牟襟E為：①紅外發(fā)射管發(fā)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(qiáng)度為P1，此時(shí)P1=S1+E1，其中E1為環(huán)境光本底值；②紅外補(bǔ)償管發(fā)射與紅外發(fā)射管相同頻率的紅外光S2，其發(fā)射的周期與紅外發(fā)射管波形相反，以節(jié)省檢測時(shí)間，通過調(diào)整S2的發(fā)射功率，使得紅外接收管接收到的紅外光強(qiáng)度為P1，③由于S2=P1,因此計(jì)算S2-S1的差值即為E1環(huán)境光本底值。紅外補(bǔ)償管直接通向紅外接收管發(fā)射，且外部通過光罩隔絕環(huán)境光，能更準(zhǔn)確的檢測環(huán)境光本底強(qiáng)度，對(duì)最終數(shù)值結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。

控制模塊軟件還具有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)值自校準(zhǔn)功能，在傳感器上電時(shí)以及正常工作時(shí)，能根據(jù)傳感器表面的臟污程度對(duì)基準(zhǔn)值更新，并可以通過絕對(duì)值和差值兩種方法進(jìn)行油煙濃度大小的判斷。

與此同時(shí)我們對(duì)油煙濃度傳感器的安裝位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)兩款不同形態(tài)的側(cè)吸式吸油煙機(jī)建立模型,應(yīng)用流體力學(xué)方法對(duì)其風(fēng)道進(jìn)行了模擬仿真,主要針對(duì)風(fēng)量、油煙流場、速度流場及負(fù)壓區(qū)進(jìn)行分析,選擇最優(yōu)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(gè)垂直豎放位置，當(dāng)油煙在傳感器表面上聚集成油滴的時(shí)候，油滴會(huì)因?yàn)橹亓υ蛳侣洌行Ы档土擞蜔熅奂絺鞲衅鞅砻娴某潭?。并且本文所述傳感器表面設(shè)計(jì)成光滑平面結(jié)構(gòu)，使傳感器檢測部表面盡量少的暴露在油煙環(huán)境中，通過流體仿真計(jì)算將傳感器設(shè)置于吸油煙機(jī)腔體內(nèi)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(yàn)證

3.1 傳感器數(shù)據(jù)測試

通過搭建測試系統(tǒng)模擬烹飪過程中產(chǎn)生的油煙大小，分別測試開機(jī)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(shí)時(shí)讀取油煙濃度傳感器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)值轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制值。待油煙煙霧穩(wěn)定10 s后記錄此時(shí)傳感器的數(shù)據(jù)，吸油煙機(jī)停機(jī)10 min后復(fù)測，每種工況條件分別復(fù)測10次，油煙濃度數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

表1 不同工況條件測試的傳感器數(shù)據(jù)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)的測試結(jié)果可以得出，隨著油煙濃度的上升，檢測結(jié)果也隨之變大，通過程序判斷傳感器數(shù)據(jù)與無油煙時(shí)初始基準(zhǔn)值的差值大小，即可算出當(dāng)前油煙濃度的大小。根據(jù)油煙濃度數(shù)值大小設(shè)置吸油煙機(jī)相對(duì)應(yīng)的風(fēng)量大小，來實(shí)現(xiàn)吸油煙機(jī)排煙的精確控制。當(dāng)傳感器檢測到無油煙產(chǎn)生且累計(jì)達(dá)到1 min時(shí)，控制吸油煙機(jī)自動(dòng)關(guān)機(jī)并進(jìn)入待機(jī)模式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停機(jī)功能。在使用純油煙模擬測試時(shí)，由于純油煙產(chǎn)生的煙霧對(duì)紅外光線的吸收效果較強(qiáng)，因此傳感器所接收的數(shù)值較低，此時(shí)數(shù)值變化量較小，程序需進(jìn)行多次采樣運(yùn)算，因此反應(yīng)較慢。在使用純水蒸汽模擬測試時(shí)，由于水蒸汽屬于透明氣體，其對(duì)紅外光線存在較強(qiáng)的反射，使得傳感器檢測的結(jié)果較純油煙模擬的數(shù)值大，通過程序運(yùn)算，可以判斷出此時(shí)產(chǎn)生的是水蒸汽，應(yīng)保持當(dāng)前檔位，而不需要將吸油煙機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)過大，以更好的適應(yīng)真實(shí)的場景。當(dāng)模擬傳感器表面異常被油煙完全遮擋時(shí)，傳感器檢測數(shù)值達(dá)到極限，此時(shí)輸出故障代碼，吸油煙機(jī)提示傳感器異常，需及時(shí)進(jìn)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(jī)可根據(jù)油煙的有無來啟停吸油煙機(jī)，通過油煙的濃度大小來調(diào)節(jié)吸油煙機(jī)風(fēng)量，使得吸油煙效果達(dá)到更理想狀態(tài)。當(dāng)灶臺(tái)上的炒菜鍋被加熱產(chǎn)生油煙時(shí)，吸油煙機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)抽油煙低速檔；當(dāng)炒菜鍋繼續(xù)加熱產(chǎn)生更多油煙時(shí)，吸油煙機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)小、中、大三檔風(fēng)量；當(dāng)炒菜鍋停止加熱并不再產(chǎn)生油煙時(shí)，吸油煙機(jī)自動(dòng)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(jī)的次數(shù)，同時(shí)使廚房油煙凈化達(dá)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(tǒng)圖

3.3 壽命及可靠性測試

正常測試結(jié)束后，我們對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了長期壽命及可靠性測試（圖9）。測試步驟為：①在鍋內(nèi)倒入食用油，啟動(dòng)灶具加熱待油溫上升至180 ℃后，在鍋內(nèi)倒入少量水，使鍋內(nèi)產(chǎn)生大量油煙，同時(shí)觀察煙感模塊是否正常工作并啟動(dòng)吸油煙機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)量大?。虎陉P(guān)閉灶具使油煙消失并等待吸油煙機(jī)停止進(jìn)入待機(jī)模式，使吸油煙機(jī)如此反復(fù)工作1個(gè)小時(shí)；③待工作結(jié)束后，等待油煙凝結(jié)形成油膜，等待周期為1天；④連續(xù)工作21天后測試吸油煙機(jī)油煙濃度檢測功能是否正常，并拆機(jī)檢查傳感器表面臟污程度。

圖9 長期壽命測試圖

4 結(jié)論

本文通過對(duì)吸油煙機(jī)油煙濃度傳感器方案進(jìn)行分析和研究，并對(duì)現(xiàn)有紅外反射式油煙濃度傳感器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過原理分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可得出以下結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)方案可靠且使用壽命長。