张思辉
（广东万和热能科技有限公司 佛山 528305）
随着社会的发展进步，半导体技术的发展以及各类声、光、电、化学等类型传感器的研发及应用，在很大程度上提高了吸油烟机智能化水平，使用户的使用体验感更佳。根据团体标准T/CAS 376-2019《家用吸油烟机智能水平评价技术规范》要求，按照用户需求为中心的原则，从“安全、可靠、健康、易用、节能”五个方面选取了对增强产品功能、提升产品性能、改善用户体验具有一定价值的智能功能[1]，吸油烟机智能化已形成行业共识并付诸实践。通过传感器检测技术来启动吸油烟机及调节风量大小诞生了很多方案，目前的方案虽说可以在一定程度的实现吸油烟机的自动调节风量，但仍然不尽如人意，主要有以下几点原因：①吸油烟机的风量大小仍然无法与油烟实际产生的大小进行匹配；
②传感器检测部易受油污污染影响检测精度甚至使传感器损坏。为了实现精准且长期的检测油烟的浓度，本文根据吸油烟机的使用环境，对现有吸油烟机油烟浓度传感器检测原理进行了介绍，并提出了一种新型油烟浓度传感器的技术方案，从而使吸油烟机能根据油烟浓度自动调节风量的大小，并且使得传感器使用寿命更长久。
现有的吸油烟机传感器技术应用已经非常多，为了实现烹饪时吸油烟机可以根据所产生的油烟大小来自动调节风量，诞生了如下技术方案。
第一代烟灶联动式：吸油烟机与燃气灶联动控制的方案。
通过检测燃气灶火力大小来控制吸油烟机风量的大小，该方案是通过在燃气灶上增加一个用于检测火力大小的传感器，并将燃气灶火力大小数据发送至吸油烟机。该方案吸油烟机的风量与燃气灶的火力是成正比例的，该方案缺陷在于燃气灶火力的大小与吸油烟机风量的大小是固定匹配的，而火力大小并不能等同于实际烹饪时油烟产生的大小。
第二代传感器检测式：主要有直接检测式、间接检测试以及混合检测式。
1）使用粉尘传感器的直接测量方式，粉尘传感器是通过检测流经粉尘传感器的油烟的浓度并输出测量结果。粉尘传感器是使用定制设计的椭圆镜和一个双元件光电检测器的组合，在一个开放的散射腔室的中心自由空间创建一个“虚拟感应区”，然后感应区及其周边空间会被一个薄的带状激光束照亮，含颗粒的空气不受约束地通过散射室且可以穿过激光束感应区内外，但只有那些穿过感应区域内的颗粒可被双元件检测器确认并由OPC电子计数/测量大小[2]，如图1所示。该方案缺陷在于粉尘传感器的探头光学组件只能检测干粉尘，应用在油烟环境中传感器检测部件很容易被油烟所覆盖，影响测试结果的准确性，存在一定的使用寿命。
图1 粉尘传感器示意图
2）使用VOC气体传感器的间接检测方式，VOC气体传感器是采用旁热式结构广谱型半导体气敏元件，该传感器由陶瓷加热器上涂覆纳米级半导体材料SnO2并掺杂适当微量元素构成[3]。主要用来检测燃气灶燃烧中所产生的一氧化碳等有机气体，其利用半导体气敏元件的电导率特性，其导电率随被测气体浓度的增加而迅速升高，用于可燃性气体的检测，灵敏度高，响应速度快[4]，如图2所示。通过检测烹饪过程中燃气灶燃烧的过程中所产生的废气浓度来控制吸油烟机的风量，该方案缺陷在于燃气灶燃烧所产生的废气浓度与烹饪所产生的油烟浓度是没有直接性关系的。
图2 VOC传感器示意图
3）使用红外测温或检测音频的间接检测方式或由几种方案相结合的混合检测方式，例如使用红外温度传感器是通过检测燃气灶上锅具内的温度，通过判断锅具的温度大小来控制吸油烟机的风量大小；
使用音频检测模块检测烹饪过程中所产生的声音大小或频率特征来控制吸油烟机的风量大小。以上方案缺陷均在于不能准确控制风量大小，因为随着烹饪的食材和烹饪方式不同，所产生的被测物理量也不同，均不能满足实际应用需求。
以上这些方案虽说可以在一定程度上实现吸油烟机的自动调节风量，但在用户实际使用过程中，仍然无法准确实现风量大小与油烟实际浓度大小进行准确匹配，用户体验感较差。
2.1 现有技术方案介绍
现在应用较成熟的厨房油烟浓度传感器技术方案中比较典型的有红外传感检测方案，该方案为直接检测方式。其采用的是红外线发射管和红外线接收管对置布置的结构，发射管与接收管安装在塑料密封结构中，设置的检测通道可以让油烟通过，如图3所示；
还有另外一种方案是对上述方案的光学部分进行改进，发射管与接收管安装在同一侧，红外发射管发射的红外线通过反射镜来反射并通过红外检测管检测，如图4所示。
图3 红外传感检测方案示意图一
图4 红外传感检测方案示意图二
该技术方案检测原理为，控制红外发射管的发射固定功率强度Q1的红外光，当红外光被油烟阻挡反射、折射或吸收后，红外接收管检测反射回的红外光线强度Q2，控制程序将接收到的红外光强度转换为数字量，通过判断Q1-Q2的差值从而定量判断油烟的浓度大小。由于该方案受制于检测结构的原因，传感器总成结构复杂外形面暴露较多，使得油烟污渍易吸附在传感器表面，影响检测结果的准确性，长期使用时寿命较短。同时该检测方案仅由红外发射管与红外接收管组成，无法对外部环境光线干扰进行滤除，因此只能检测非常明显的油烟浓度变化，无法实现精准检测。
2.2 本技术方案介绍
为了使得油烟浓度检测更加准确，同时使传感器的使用寿命更长，本文对目前所使用的油烟浓度传感器的检测方法和检测结构进行改进设计，提出了一种新型厨房油烟浓度传感器技术方案。本技术方案属于直接检测型，该传感器硬件电路由以下模块组成：①供电模块，②红外发射控制电路，③红外PD接收电路，④红外补偿控制电路，⑤MCU控制单元，⑥UART输出等部分组成。如图5所示。
图5 新型油烟浓度传感器原理图
该光学传感器系统以MCU控制单元为核心，由多组红外发射管分时发射固定功率强度的红外光，红外光线经过油烟烟雾的反射、折射或吸收后，通过红外接收PD管检测实时的红外光线强度，通过模数转换即可得出油烟浓度大小的数值。如图6所示。
图6 新型油烟浓度传感器结构图
本文所述的技术方案具有红外光线强度补偿电路，用于检测环境光线强度的数值并对检测值进行补偿。环境光补偿的步骤为：①红外发射管发送固定功率和频率的红外光S1，红外接收管接收到的红外光强度为P1，此时P1=S1+E1，其中E1为环境光本底值；
②红外补偿管发射与红外发射管相同频率的红外光S2，其发射的周期与红外发射管波形相反，以节省检测时间，通过调整S2的发射功率，使得红外接收管接收到的红外光强度为P1，③由于S2=P1,因此计算S2-S1的差值即为E1环境光本底值。红外补偿管直接通向红外接收管发射，且外部通过光罩隔绝环境光，能更准确的检测环境光本底强度，对最终数值结果进行补偿。
控制模块软件还具有静态和动态基准值自校准功能，在传感器上电时以及正常工作时，能根据传感器表面的脏污程度对基准值更新，并可以通过绝对值和差值两种方法进行油烟浓度大小的判断。
与此同时我们对油烟浓度传感器的安装位置进行优化设计，根据两款不同形态的侧吸式吸油烟机建立模型,应用流体力学方法对其风道进行了模拟仿真,主要针对风量、油烟流场、速度流场及负压区进行分析,选择最优安装位置[5]。通过使本文所描述的新型厨房油烟浓度传感器处于一个垂直竖放位置，当油烟在传感器表面上聚集成油滴的时候，油滴会因为重力原因下落，有效降低了油烟聚集到传感器表面的程度。并且本文所述传感器表面设计成光滑平面结构，使传感器检测部表面尽量少的暴露在油烟环境中，通过流体仿真计算将传感器设置于吸油烟机腔体内高压高速气流中，使气流可以冲刷传感器表面，这样就起到了传感器表面自清洁的作用，如图7所示。
图7 新型厨房油烟浓度传感器安装示意图
3.1 传感器数据测试
通过搭建测试系统模拟烹饪过程中产生的油烟大小，分别测试开机无油烟、纯水蒸汽、纯油烟、少量油烟（含水）、中等量油烟（含水）、大量油烟（含水）、传感器全遮挡等情况下实时读取油烟浓度传感器的数据，并将数值转换为16进制值。待油烟烟雾稳定10 s后记录此时传感器的数据，吸油烟机停机10 min后复测，每种工况条件分别复测10次，油烟浓度数据结果如表1所示。
表1 不同工况条件测试的传感器数据
根据以上数据的测试结果可以得出，随着油烟浓度的上升，检测结果也随之变大，通过程序判断传感器数据与无油烟时初始基准值的差值大小，即可算出当前油烟浓度的大小。根据油烟浓度数值大小设置吸油烟机相对应的风量大小，来实现吸油烟机排烟的精确控制。当传感器检测到无油烟产生且累计达到1 min时，控制吸油烟机自动关机并进入待机模式，实现自动停机功能。在使用纯油烟模拟测试时，由于纯油烟产生的烟雾对红外光线的吸收效果较强，因此传感器所接收的数值较低，此时数值变化量较小，程序需进行多次采样运算，因此反应较慢。在使用纯水蒸汽模拟测试时，由于水蒸汽属于透明气体，其对红外光线存在较强的反射，使得传感器检测的结果较纯油烟模拟的数值大，通过程序运算，可以判断出此时产生的是水蒸汽，应保持当前档位，而不需要将吸油烟机的风量调节过大，以更好的适应真实的场景。当模拟传感器表面异常被油烟完全遮挡时，传感器检测数值达到极限，此时输出故障代码，吸油烟机提示传感器异常，需及时进行维修处理。
3.2 模拟炒菜测试
安装了新型厨房油烟浓度传感器的吸油烟机可根据油烟的有无来启停吸油烟机，通过油烟的浓度大小来调节吸油烟机风量，使得吸油烟效果达到更理想状态。当灶台上的炒菜锅被加热产生油烟时，吸油烟机自动启动抽油烟低速档；
当炒菜锅继续加热产生更多油烟时，吸油烟机自动调节小、中、大三档风量；
当炒菜锅停止加热并不再产生油烟时，吸油烟机自动停止工作。本新型厨房油烟浓度传感器减少了用户在烹饪过程中操作吸油烟机的次数，同时使厨房油烟净化达到最佳效果。如图8所示。
图8 新型厨房油烟浓度传感器测试系统图
3.3 寿命及可靠性测试
正常测试结束后，我们对样机进行了长期寿命及可靠性测试（图9）。测试步骤为：①在锅内倒入食用油，启动灶具加热待油温上升至180 ℃后，在锅内倒入少量水，使锅内产生大量油烟，同时观察烟感模块是否正常工作并启动吸油烟机调节风量大小；
②关闭灶具使油烟消失并等待吸油烟机停止进入待机模式，使吸油烟机如此反复工作1个小时；
③待工作结束后，等待油烟凝结形成油膜，等待周期为1天；
④连续工作21天后测试吸油烟机油烟浓度检测功能是否正常，并拆机检查传感器表面脏污程度。
图9 长期寿命测试图
本文通过对吸油烟机油烟浓度传感器方案进行分析和研究，并对现有红外反射式油烟浓度传感器进行改进设计，通过原理分析和实验验证可得出以下结论：
1）通过红外反射原理可以精确测量油烟浓度的变化。
2）通过模拟炒菜实验结果表明，该技术方案可靠且使用寿命长。
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