解析空气净化器粉尘传感器的安全隐患

许来春 杨贤飞 李鹏忠 谢剑飞 黄露超 姚 磊

（威凯检测技术有限公司 广州 510663）

引言

随着科技和生活的发展，人们对空气质量的要求越来越高。工业化的发展，却对大气造成严重污染。党中央和政府已经意识到空气污染的严重性，通过各种手段综合控制大气污染，室外的空气质量恶化的趋势得到了有效的遏制和缓解。此外，室内的空气污染也不容小觑。居民大部分时间都在室内度过，但是室内空间含有多种污染物如装修甲醛、甲苯等，也包括各种粉尘发生源（被褥、窗帘、动物毛发等）。因此空气净化器就成为居民室内空气净化的强需求。

对于空气净化器的使用效果，如果没有数据的直观显示，用户也无法得知净化器的净化性能是否能够达到预期。如图1所示，很多净化器都在机身上内置一个传感器，来实时监测室内空气质量的变化情况。这种设计能够给用户带来一种实时反馈，有助于让用户有一种掌控全局的感觉，无疑是有积极意义的。

据统计数据显示，现阶段市面上流通的所有空气净化器，大多数均具有PM 2.5粉尘浓度显示功能。也就是说，大多数空气净化器是装有内置的PM 2.5粉尘浓度传感器的。笔者从事空气净化器检测工作多年，发现PM 2.5粉尘浓度传感器的安装也极有讲究，安装方式的不合适却会导致样机不符合安全测试的要求。

1 标准要求与案例问题

标准GB 4706.1-2005第8章中对防止意外触及器具带电部件做出了详细要求（详见GB 4706.1-2005第8.1条款），同时第13章对器具的电气强度测试做出了规定（详见GB 4706.1-2005第13.3条款）。

图1 具有污染物浓度显示功能的净化器

笔者在对一款带有PM 2.5传感器的净化器进行电气强度测试时，对带电部件和可触及PM 2.5粉尘传感器的金属部分进行3 000 V测试时，出现击穿（见图2和图3）。

该器具为II类器具，根据标准GB 4706.1-2005第8.2条款要求，用B型试验探棒只允许触及到那些由双重绝缘或加强绝缘与带电部件隔开的部件。该PM 2.5粉尘传感器的金属部件是可用B型试验探棒触及的，那么该粉尘传感器的金属部分必须满足双重或者加强绝缘的要求。另一方面，满足双重或者加强绝缘的部件，按照标准GB 4706.1-2005第13.3条款要求，必须在进行电气强度测试时，不应出现击穿现象。因此，判定为该款空气净化器不合格。

2 案例分析

2.1 PM 2.5粉尘传感器结构分析

PM2.5传感器也叫粉尘传感器、灰尘传感器，可以用来检测我们周围空气中的粉尘浓度，即PM 2.5值大小。空气动力学把直径小于10 μm能进入肺泡区的粉尘通常也称为呼吸性粉尘。直径在10 μm以上的尘粒大部分通过撞击沉积，在人体吸入时大部分沉积在鼻咽部，而10 μm以下的粉尘可进入呼吸道的深部。而在肺泡内沉积的粉尘大部分是2.5 μm以下的粉尘。

目前市面上的PM 2.5粉尘传感器有以下几种原理：

1）光散射法

光散射原理有LED光（普通光学），激光等原理，传感器可以有效的探测出粒径约0.5 μm以上颗粒，光散射法的传感器探头是通过将透过含有粉尘的空气后的光强度转换为电信号强度，经过计算转换后得到空气中含有的粉尘浓度。目前市面上光散射法应用成熟普遍，是PM 2.5监测的较好选择。图4～图5是光散射法的粉尘传感器的原理示意图和原理结构图。

2）重量法

图2 拆下可拆卸挡板后的粉尘传感器

图3 用B型试验探棒可触及金属部分

图4 光散射法粉尘传感器原理示意图

图5 光散射法粉尘传感器原理结构图

我国目前对大气颗粒物的测定主要采用重量法。其原理是采样器，以恒定速度抽取定量的体积空气，让环境空气中的PM 2.5和 PM 10颗粒物过滤在已知质量的滤膜上，根据采样前后的滤膜质量和所采样气体的体积，计算得出PM 2.5和PM 10的浓度。

3）微量振荡天平法

微量振荡天平法是一个质量传感器，该传感器内有一个振荡空心锥形管。该振荡管的振荡频率取决于锥形管特征和质量。当采样气流进入传感器通过该滤膜的时候，颗粒物会沉积在滤膜上面，滤膜的质量变化会导致该滤膜的振荡频率发生变化。我们可以通过振荡频率的变化计算出滤膜上沉积的颗粒物的质量，从而计算得出气体中颗粒物的质量浓度。

4）Beta射线法/β射线法

Beta射线仪是利用Beta射线衰减的原理，由采样泵吸入将环境空气吸入采样管中，气体经过滤膜后，颗粒物会沉积在滤膜上。此时用Beta射线照射沉积的颗粒物，Beta射线的能量会衰减。我们可以通过Beta射线的衰减量计算得出颗粒物的浓度。

由于2、3、4等原理应用比较困难并且价格较高，现阶段使用在空气净化器上面的粉尘传感器基本上都是采用的光散射法型传感器。

如图6～图9所示，大多的粉尘传感器都含有一个金属外壳。这个金属外壳是用于接地的，而接地的目的则是用于屏蔽外界的干扰，如果没有这个接地金属进行屏蔽，那么外界干扰会影响到传感器生成的电流信号，从而影响到显示的数据的准确性。

而对于那些外表面没有金属外壳的传感器，实则在其中也同样具有接地的粉状金属颗粒组成的屏蔽罩，这种结构同样也能够起到屏蔽外界干扰的作用。

因此，我们可以看到，采用激光散射法的粉尘传感器，均含有类似的带有接地的金属屏蔽外壳。而此次被测样机的粉尘传感器（见图10～图11）同样具有类似结构。

通过万用表测量得知，图11中箭头所指引脚与该金属外壳是连通的，也就是该引脚即为接地引脚输入端。再考核该接地引脚与其他带电部件之间的爬电距离和电气间隙，见图12。

图6 alphasense PM2.5传感器/粉尘传感器

图7 日本夏普灰尘传感器

图8 日本神荣灰尘传感器

图9 韩国syhitech 灰尘传感器

图10 被测样机粉尘传感器正面

图11 被测样机粉尘传感器正面

由图12可见，该接地引脚与其他带电部件之间的电气间隙不足1 mm，基本没有隔离。而该粉尘传感器的工作电压不到24 V，属于安全特低电压(SELV)。因此，仅考核粉尘传感器上的电气间隙是不存在问题的。

2.2 净化器内部电路结构分析

图13～14是该净化器电路布置图。

通过对该电路布置图的分析，可以看到，空气净化器从市电供电后，通过整流电路后再通过变压器将220 V的市电转变为符合粉尘传感器工作要求的安全特低电压（SELV）。但是，考虑整块电路板的强弱电之间的爬电距离和电气间隙却没能符合标准中关于加强绝缘的要求，见图15。

图12 传感器接地引脚与其他引脚距离测量

图13 电路布置图正面

图14 电路布置图背面

图15 粉尘传感器爬电距离和电气间隙走线图

表1 粉尘传感器爬电距离和电气间隙分析

通过上面的分析，可以找出本次检测不合格的原因。一方面空气净化器的电路布置图强电和弱电之间的爬电距离和电气间隙几乎为0，无法满足标准关于加强绝缘的要求；另一方面，粉尘传感器上，可触及金属外壳与带电体之间的电气间隙和爬电距离不足1 mm。因此在电气强度测试过程中，3 000 V的高压电很容易就通过击穿空气达到该粉尘传感器的金属外壳，造成测试不合格。

3 合格电路设计分析

图16～图17是另外一个在电路隔离布局方面设计的较好的电路布置图。

分析图16～图17所示电路板，可以发现，该电路板有如下特点：

1）电路板的强电部分与弱电部分的爬电距离和电气间隙，是满足加强绝缘要求的。如图17中的④可以看出，强电部分和弱电部分之间是有足够的爬电距离和电气间隙。

图16 电路板正面

图17 电路板背面

2）跨接在强电部分和弱电部分之间的零部件，均能满足加强或者双重绝缘的要求。如图15中，①是满足加强绝缘要求的光耦，②是安全隔离变压器，而③则是由两个单独元件构成的保护阻抗。

4 结语

通过此次空气净化器粉尘传感器部位的耐压测试不合格分析，笔者详细的分析了导致此次不合格的原因：一是电路设计不合理，电路的强电部分和弱电部分未能很好进行隔离；二是未考虑粉尘传感器金属部分的可触及情况下的触电风险。因此，笔者对此类净化器在设计时给出建议：

1）设计电路的时候，做到电路的强电和弱电隔离，满足加强或者双重绝缘要求；

2）使用粉尘传感器时，用不可拆卸的罩盖将粉尘传感器围护起来，使其无法用试验探棒触及。