基于全新測量原理的二氧化碳傳感器 清潔空氣的好時機

二氧化碳(CO2)是由碳和氧組成的無色無味氣體，是所有有機化合物的基礎物質。植物利用光合作用將其與水一起轉化為有機物并釋放氧氣。

二氧化碳由細胞呼吸以及動物和植物有機體的腐爛產生。在人類文明發(fā)展中，工業(yè)方面的化石物品燃燒也會產生二氧化碳，如建筑供暖或汽車內燃機油料燃燒。這導致地球大氣層中的二氧化碳濃度上升，從而加劇了溫室效應，導致地球氣候變化。

對人類的影響

少量二氧化碳對人類是完全安全的；然而，在較高的濃度下，它可以阻止肺部吸收氧氣，并可能導致各種癥狀，這取決于空氣中的二氧化碳含量。空氣中二氧化碳體積含量在1%到3%之間時，人的專注力可能會受到影響，或出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，而且可能會出現(xiàn)心率或血壓上升。二氧化碳體積含量達到5%以上時，可能會引起頭暈、頭痛、呼吸急促，并最終失去知覺。

因此DIN EN 13779標準根據二氧化碳濃度定義了室內空氣質量的四個類別。它將低于800ppm（百萬分之一）的二氧化碳水平歸為優(yōu)良，不超過1000ppm水平為中等良好，1000ppm以上水平則為中等質量。當二氧化碳濃度超過1400ppm時，空氣質量認定為差。在工作場所，員工在8小時內接觸的二氧化碳濃度不得超過5000ppm。

二氧化碳和冠狀病毒

在冠狀病毒大流行的情況下，研究人員考察了二氧化碳濃度和氣溶膠之間是否有直接關聯(lián)，因為含有新冠病毒的氣溶膠會成為傳播途徑。根據目前的了解，二氧化碳濃度和氣溶膠之間不存在直接關聯(lián)。即便如此，較高的二氧化碳含量表明室內空氣不佳，這通常也會導致氣溶膠濃度升高，因此二氧化碳和氣溶膠之間存在著間接的關系。因此，有兩個很好的理由堅持采取通風措施：改善人體健康和提高工作績效，以及減少感染冠狀病毒的風險。

此外，由于冠狀病毒的管控措施，例如居家辦公和居家教學以及商業(yè)和餐館關閉，使得大多數人呆在家里的時間增多?，F(xiàn)代建筑物的隔熱性能越來越好，以滿足如今的能源效率標準，所以室內通風的情況很少。因此，監(jiān)測室內空氣的二氧化碳含量相比以往任何時候都更加重要。

避免空氣悶焗

人們使用合適的傳感器來監(jiān)測二氧化碳的濃度，例如用于二氧化碳警告燈。在教室里，當二氧化碳濃度過高時，二氧化碳警告燈可以用來提供簡明的視覺指示，讓教室里的人員打開窗戶。在智能家居系統(tǒng)中，它們提供的數值用于自動觸發(fā)通風措施或警告信號。

這種傳感器數據也可用于其他信息，例如，確定一個房間里目前有多少人。這里使用了一種算法，對人們呼吸產生的二氧化碳水平的平均增長和所測量的二氧化碳濃度的增長進行比較。

在食品工業(yè)和食品物流中，可以通過控制調節(jié)二氧化碳濃度來積極影響產品的質量，因為二氧化碳可以加速或減慢水果和蔬菜的自然老化過程。二氧化碳含量對于植物和動物也有影響。生產者可以通過檢測和調整這一數值以帶來益處。

NDIR測量技術

來自盛思銳的SCD30傳感器是測量二氧化碳濃度的成熟解決方案。它使用了非分散紅外光譜（NDIR）測量技術，其測量范圍高達40,000ppm, 在0-10,000ppm范圍內，其精度高達測量值的±30ppm +3%。

NDIR測量是基于一個紅外輻射源和兩個相對放置的光學濾光片，測試管內有兩個分別放置在兩端的檢測器，輻射源發(fā)出的波長只被二氧化碳分子吸收?？諝馔ㄟ^一個開口流入管內，其中的二氧化碳分子吸收了部分輻射。另一端的檢測器則測量由此產生的輻射強度的變化。第二個檢測器提供參考測量數值，以盡量減少污垢或灰塵等污染物的影響。

這項原理使得傳感器的體積相對較大，盛思銳的SCD30傳感器尺寸為35 mm × 23 mm × 7 mm，但由于具有高測量精度，多年來仍然是二氧化碳檢測領域的主要產品。

光聲測量系統(tǒng)

盛思銳現(xiàn)在推出一款后續(xù)產品SCD4x，它滿足了所有與小型化和降低功耗有關的要求。該傳感器基于全新的光聲傳感器技術，不要求輻射源和傳感器之間保持一定距離，使得SCD4x尺寸僅為10 mm × 10 mm × 6.5 mm，而且仍然比先前型款便宜。然而，這項測量技術將精度降低到400和2,000ppm之間的±50 ppm +5%（SCD40）或400和5,000ppm之間的±40 ppm +5%（SCD41）。與前一代SCD30傳感器一樣，測量范圍為0至40,000 ppm。

圖1：由于采用全新測量技術，盛思銳公司的SCD4x二氧化碳傳感器相比先前型款體積大幅減小(圖片來源：盛思銳)

這些新型傳感器具有小巧的尺寸和卓越的性價比，特別適合智能家居、物聯(lián)網、汽車、暖通空調、食品和消費品領域的應用。

光聲測量技術是基于與二氧化碳分子的吸收帶相匹配的窄帶光。這意味著它具有精確的波長范圍，其電磁輻射能量被二氧化碳分子吸收。將光發(fā)射到傳感器的測量單元中，而二氧化碳分子吸收了部分光。這導致二氧化碳分子發(fā)生振蕩，從而增加了測量單元的壓力。使用麥克風測量這個壓力差，可以得出測量單元中存在的二氧化碳分子含量的結論，從而推算出空氣中二氧化碳的濃度。

圖2：光聲測量技術如何工作。該技術用作盛思銳公司新型SCD4x二氧化碳傳感器中的PASens技術(圖片來源：盛思銳)

通過這種測量技術，檢測器信號在普通測量范圍內的低漂移抵消了測量精度的降低。隨著二氧化碳濃度的上升，漂移也會增加。而NDIR技術，情況則正好相反，特別是在二氧化碳濃度低的地方，檢測器信號的漂移更加明顯（圖3）。

圖3：使用NDIR和光聲（PA）測量技術，檢測器信號和二氧化碳濃度之間形成理想化關系 (圖片來源：儒卓力)

結論

人們要了解空氣中的二氧化碳濃度，從未像現(xiàn)在這樣重要，因為它不僅影響到人們的福祉和健康，而且還能幫助遏制冠狀病毒的傳播。食品生產和物流行業(yè)，以及動植物養(yǎng)殖行業(yè)可以利用二氧化碳含量水平，積極提高產品質量。經過驗證的成熟二氧化碳傳感器得益于高測量精度，新型款則滿足了對更小型傳感器和更低成本的需求，盡管測量精度因此而受到輕微影響。

審核編輯 ：李倩