1  引言

    隨著(zhù)人民生活水平的提高和對環(huán)境問(wèn)題及健康問(wèn)題的日益重視，室內空氣品質(zhì)狀況受到越來(lái)越多的關(guān)注。室內空氣品質(zhì)的測量與評估，傳統上采用分析化學(xué)方法和光譜分析方法。分析化學(xué)的方法一般需要在測量現場(chǎng)采集樣氣，帶回實(shí)驗室進(jìn)行化學(xué)分析得到結果，而光譜分析需要專(zhuān)門(mén)的光譜儀，設備昂貴、操作復雜、不便攜帶，而且采樣分析速度慢，無(wú)法實(shí)現實(shí)時(shí)的空氣品質(zhì)測量。為了克服以上缺點(diǎn)，本文提出了基于金屬氧化物氣體傳感器陣列的室內空氣品質(zhì)綜合指數算法，并設計了室內空氣品質(zhì)監控演示系統。

2  金屬半導體氣體傳感器陣列數學(xué)建模

表1  GGS*000系列產(chǎn)品功能表

    由于室內氣體污染物的多樣化和復雜性，決定了不可能使用單一氣體傳感器實(shí)現全面的空氣品質(zhì)監測。本研究采用的氣體傳感器陣列是由德國耶那環(huán)境傳感器技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的GGS*000系列氣體傳感器，這些傳感器均屬于金屬氧化物半導體氣體傳感器，采用SnO₂薄膜作為敏感材料，敏感材料的電阻在一定的工作溫度下隨被測環(huán)境中吸收氣體分子的變化而變化，通常還原性氣體使電阻減小，而氧化性氣體使電阻增大，測量電阻變化的輸出信號，可得到與氣體特性對應的關(guān)系。

    研究實(shí)驗中采用了GGS1000/2000/3000，其功能如表1所示。它是集成了三種GGS*000系列傳感器和兩個(gè)加熱器的氣體傳感器陣列，圖1(a)和圖1(b)為該傳感器陣列結構圖。每一個(gè)傳感器陣列的輸出信號是一個(gè)三維向量。該結構用于氣體測量分析，不但節約了用于測量的傳感器個(gè)數，降低了測量成本，而且多維向量輸出便于后面的數據處理。

圖1  傳感器陣列結構圖

    假設傳感器陣列由n（n≥3）個(gè)氣體傳感器組成，被測氣體有j種，濃度分別為x₁、x₂、…x_j，傳感器工作溫度為C_x，被測環(huán)境濕度為h，則該氣體傳感器陣列的輸出模型如式(1)所示。

                         (1)

    式(1)中，R_i為陣列中第i個(gè)傳感器的輸出電阻，R_0i為偏移量，即傳感器在溫度趨近于零時(shí)的純凈空氣中的輸出電阻，kci是溫度補償系數，C₀為傳感器標準工作溫度，k_im是第i個(gè)傳感器對第m種污染物的敏感系數，k_hi是濕度補償系數。

3  基于氣體傳感器陣列的室內空氣品質(zhì)綜合指數

    已知的室內空氣污染物多達三百余種，如果采用量化的方法處理，則需要一一辨別污染物的種類(lèi)，其工作量無(wú)疑是巨大的，在技術(shù)上也是不可行的。實(shí)際上，人們關(guān)心的并不是室內某些污染物的濃度如何，而是室內的空氣情況是好是壞，是否適合居住，是否會(huì )影響居住者的健康。由于室內空氣品質(zhì)的評價(jià)是一個(gè)主觀(guān)性很強的參數，因此量化的指標很難描述這一參數。本研究提出了基于本傳感器陣列的室內空氣品質(zhì)綜合指數。其基本原理在于，將傳感器陣列中的每一個(gè)傳感器的輸出根據其敏感性最強的污染物的重要性進(jìn)行加權，得到一個(gè)具有縱向可比性，即與同樣的傳感器在不同的時(shí)間和不同的場(chǎng)合得到的指數的可比性。同時(shí)，這一指數可以通過(guò)標定得到其成分與含量的物理濃度意義。其算法如式(2)所示。

                               (2)

    式(2)中，R_n和R_0n與式(1)中的R_i和R_0i意義相同，W_n為傳感器陣列中每個(gè)傳感器的權重。R_an為所有敏感污染物濃度達到有害濃度閾值時(shí)每個(gè)傳感器的阻值，其中，污染物的有害濃度閾值由室內空氣品質(zhì)標準決定。

    室內空氣品質(zhì)綜合指數對室內空氣品質(zhì)的描述精度取決于傳感器陣列的維數、傳感器陣列所敏感的污染物種類(lèi)、傳感器的輸出線(xiàn)性度及陣列中傳感器的交叉敏感性。

4  應用

    在室內氣體實(shí)驗以及數據分析、室內空氣綜合品質(zhì)指數算法確定的基礎上，本研究設計了室內空氣品質(zhì)監測與控制系統，用來(lái)監測室內空氣品質(zhì)綜合指數、溫度和濕度。系統原理圖如圖2所示，該系統由氣體傳感器陣列、溫濕度傳感器、信號調理電路、A/D轉換器、微控制器MCU、LED數碼顯示器、RS-232接口、聲光報警與控制接口、執行器（如換氣扇）等構成。

圖2  室內空氣品質(zhì)監控系統原理示意圖

    如圖2，系統應用半導體氣體傳感器陣列與溫濕度傳感器采集室內空氣信息，對室內主要的有害氣體得到連續的響應輸出，輸出信號由信號調理電路處理后經(jīng)A/D轉換送入微控制器，由微控制器根據一定算法處理后，得到一個(gè)連續、可比較、可標定的室內空氣品質(zhì)綜合指數，并可以對綜合指數或某一有害氣體的超標做出反應，控制換氣扇等外部設備改善室內空氣狀況，聲光報警提醒室內人員注意采取相應改善措施。

    圖3為運用該室內空氣品質(zhì)監控系統測得的實(shí)驗室內空氣品質(zhì)在一天內的變化情況。該圖測于2001年12月17日，同濟大學(xué)中德學(xué)院西門(mén)子自動(dòng)化技術(shù)基金教研室307室，起始時(shí)間為上午8時(shí)，結束時(shí)間為次日上午8時(shí)。被測房間為實(shí)驗室，有工作人員在上午8時(shí)到晚上22時(shí)進(jìn)行正常的工作。圖3中，時(shí)間坐標的零點(diǎn)為上午8時(shí)，之后時(shí)間將坐標值加8即得。從圖中可以看出，曲線(xiàn)的前半段，即從8時(shí)到約22時(shí)左右的時(shí)間段內，室內污染物濃度較高，且波動(dòng)較大，而曲線(xiàn)的后半段，既22時(shí)到次日8時(shí)，室內污染物濃度降低，且曲線(xiàn)平坦，波動(dòng)很小。圖4（引自Noel de Nevers，Air Pollution Control Engineering，2000）為1965年7月19日在美國洛杉磯測得的一天之內室外空氣中NO、NO₂、O₃和CO的濃度變化情況。圖中曲線(xiàn)經(jīng)過(guò)了平滑的處理。從圖中可以看出，空氣中污染物的第一個(gè)高峰的成分是CO和NO，發(fā)生在早晨的交通高峰期，因為CO和NO直接來(lái)自汽車(chē)尾氣的排放。隨后到來(lái)的NO₂和O₃的高峰來(lái)自日出后的光化學(xué)反應。NO₂峰值的到來(lái)主要是因為NO₂相對O₃的反應更易進(jìn)行，發(fā)生頻率更高。下午的交通高峰期污染物濃度的增加相對于早晨而言不明顯，這是因為下午的風(fēng)速及空氣對流要遠遠大于早晨，使污染物不易集聚，直接造成了污染物濃度的下降。

圖3  實(shí)驗室內空氣品質(zhì)在一天內的變化情況

圖4  室外空氣中NO、NO2、O3和CO的濃度變化情況

    圖3測的是甲醛(HCHO)、苯（C₆H₆）、氨氣（NH₃）和一氧化碳（CO）等室內空氣污染物的濃度，不同于圖4測的NO、NO₂、O₃和CO等室外空氣污染物，但是在門(mén)和窗戶(hù)都打開(kāi)的情況下，室外空氣品質(zhì)極大的影響室內空氣品質(zhì)。結合圖4分析圖3知，早晨的室外污染物濃度最高，打開(kāi)門(mén)窗后，由于受到室外空氣污染物（主要是CO）的影響，室內空氣品質(zhì)綜合指數迅速升高。因為工作人員在室內的活動(dòng)以及開(kāi)窗造成的氣流對室內污染物擴散的影響，在8時(shí)到22時(shí)這一時(shí)段有人活動(dòng)的室內空氣較不穩定，波動(dòng)較大。隨著(zhù)工作人員的離開(kāi)和窗子的關(guān)閉，室內空氣進(jìn)入一個(gè)相對平穩的過(guò)程，并且由于室外空氣情況的改善而呈緩慢的改善趨勢。但由于未開(kāi)門(mén)窗，室內外的空氣流動(dòng)不佳，這一過(guò)程進(jìn)行的較為緩慢，而且相對室外空氣的變化要滯后一段時(shí)間。這種狀況直到有人為的開(kāi)窗等干預才出現變化。一般人習慣早上開(kāi)窗，可以在很短的時(shí)間內使室內外空氣品質(zhì)相對平衡。圖3中的結束點(diǎn)空氣品質(zhì)綜合指數高于開(kāi)始點(diǎn)，是因為結束時(shí)尚未開(kāi)窗使室內外空氣達到平衡，開(kāi)窗后，曲線(xiàn)會(huì )出現一個(gè)很陡的下降過(guò)程，然后達到平衡。由此可以看出，室內空氣品質(zhì)綜合指數法可以實(shí)時(shí)高效的監控室內空氣品質(zhì)。

5  結語(yǔ)

    本文通過(guò)室內空氣實(shí)驗數據及國外的室外空氣品質(zhì)資料，分析了室內外空氣品質(zhì)的變化規律，提出了基于金屬氧化物氣體傳感器陣列的室內空氣品質(zhì)綜合指數算法，并設計了室內空氣品質(zhì)監控演示系統。實(shí)驗結果證明，室內空氣品質(zhì)綜合指數法簡(jiǎn)單、高效、成本低，能實(shí)時(shí)有效的檢測評估室內空氣品質(zhì)，有利于提高室內空氣質(zhì)量，減少一氧化碳中毒、煤氣泄漏等意外事故造成的人身傷害和由于室內空氣污染造成的對人體健康的潛在威脅，提高了生活質(zhì)量，改善了健康狀況。