设计室内传感器
室内传感器设计面临的隐性挑战
室内传感器是暖通空调系统不可或缺却又往往被低估的一部分。很少有人知道，要创建一个能在不同的外部条件下测量到正确温度(精确到十分之一度)的设备，需要进行多少的规划和工作。搏力谋环境传感技术开发主管 Sebastian Eberle 博士和搏力谋传感器开发系统工程师 Yoram Mottas
讨论了该应用所面临的挑战，以及公司如何采用创新的解决方案来解决这些问题，以便能交付出测量快速而精确的室内传感器。
苛刻的工作条件
人们在一个狭窄的环境中需要靠近窗口才能获得一些舒适感。环境温度不能过热或过冷--不可思议的是，很多人都能判别出±0.5℃的温度变化--而且相对湿度得恰到好处（图1）。这给暖通空调系统带来了很大压力。由于大多数高性能传感器元件的精度为±0.2 °C，这就为设计一个既能满足舒适度要求又符合行业标准的室内传感器装置留下了仅±0.3°C的误差范围。
图 1
满足人体舒适度的窗口温度和湿度。(插图：由德国锡根大学 自然科学与技术学院流体力学系主任、博士工程师兼名誉教授 Wolfram Frank绘制)
测试和补偿
搞清楚哪一种传热机制(传导、对流或辐射)是造成某一特定现象的原因，有助于为设计工程师指明正确的方向。这种类型的测试需要利用图2所示的装置对环境参数进行精确控制。
图 2
以这样的精度来测量温度本身就很难，再加上可能影响温度读数的外部因素 (如空气流量、湿度、热源及世界各地的电压变化) 使得测量更加复杂化。此外，测量值需代表室内中央的温度，而传感器却安装在墙上。由于传感器制造商对其安装方式几乎无法掌控，以致进一步加剧了事情的复杂性。这就意味着该仪器的设计需要确保这一额外的参数不会影响到读数的精确性。
放置传感器的测试室有一个恒定的层状气流，可精确控制在0.05m/s到0.3m/s范围内，以模拟室内环境。然后，将该装置放置于一个绝缘外壳中，它能以0.1℃的精度调节温度。由于外壳内的气流比试验室内的气流高得多，因而能很快达到（或改变）所需温度。这种设置还能对湿度和电源电压等参数进行控制，为创建详细的校准资料以及为能分别评估每一个热交换机制所做出的贡献提供了有力的工具。
知情的设计
利用测试台收集到的大量数据可以反馈到传感器的设计中，从而最大限度地提高其性能，减少辐射的影响并消除自热现象。例如，测试表明，优化外壳中的通风口设计可以加强传感元件与室内实际温度之间的耦合， 并可通过改变设备内气流通道的形状和位置得到进一步的优化。
在设计室内温度传感器时的另一个重要考量是，测量不应受到设备本身内部电子组件产生的热量的影响。 这就要求在不影响整体设计的外形因素的情况下，采取隔离传感器元件的策略。图3的热力图中显示了实现这一目标的一种方法。
图 3
显示整个传感器PCB温度变化的热力图。
传感器的印刷电路板（PCB）是由两个由薄支撑物连接的、物理上分离的部分组成的。下面部分含有传感器元件，而上面部分则装有在正常运作中产生热量的电子元件--如微控制器和电源等。 看得出来，印刷电路板 PCB 这个区域比收纳传感器元件的部分要温度高得多。 借助物理隔离、小支撑以及不相连的两个电路的铜接地平面，热量不会通过传导影响到传感器元件。由于铜是一种非常有效的热导体，这一细微之处可大大减少自热效应。
尽管很多问题可以在设计阶段得到解决，但仍有一些外部因素超出了制造商的控制范围，如气流、湿度、不同的热源和不同的电源。后者便是通过内部实时测量和补偿算法来解决。但是，过于依赖补偿可能会降低设备的灵敏度，从而导致其反应迟缓。
总结
对于室内传感器有很多的要求；它们需要精确、快速，适合在全球范围内使用并具广泛的用途。这就需要在设计该装置时进行周密的规划，以消除潜在的内部误差源，同时还要对不可避免的外部波动进行补偿。这篇文章只讨论了与温度测量有关的难题，都没有涉及确保室内环境舒适和安全所需的其他参数的监控情况，如湿度、CO2 水平，颗粒物或挥发性有机化合物。希望这有助于突出创建高性能室温传感器的复杂性，并对这类常被忽视的仪器给予应有的肯定。
环境传感技术开发部主管 Sebastian Eberle 博士
传感器开发系统工程师 Yoram Mottas
