基于全新测量原理的二氧化碳传感器 清洁空气的好时机

二氧化碳(CO2)是由碳和氧组成的无色无味气体，是所有有机化合物的基础物质。植物利用光合作用将其与水一起转化为有机物并释放氧气。

二氧化碳由细胞呼吸以及动物和植物有机体的腐烂产生。在人类文明发展中，工业方面的化石物品燃烧也会产生二氧化碳，如建筑供暖或汽车内燃机油料燃烧。这导致地球大气层中的二氧化碳浓度上升，从而加剧了温室效应，导致地球气候变化。

对人类的影响

少量二氧化碳对人类是完全安全的；然而，在较高的浓度下，它可以阻止肺部吸收氧气，并可能导致各种症状，这取决于空气中的二氧化碳含量。空气中二氧化碳体积含量在1%到3%之间时，人的专注力可能会受到影响，或出现疲劳现象，而且可能会出现心率或血压上升。二氧化碳体积含量达到5%以上时，可能会引起头晕、头痛、呼吸急促，并最终失去知觉。

因此DIN EN 13779标准根据二氧化碳浓度定义了室内空气质量的四个类别。它将低于800ppm（百万分之一）的二氧化碳水平归为优良，不超过1000ppm水平为中等良好，1000ppm以上水平则为中等质量。当二氧化碳浓度超过1400ppm时，空气质量认定为差。在工作场所，员工在8小时内接触的二氧化碳浓度不得超过5000ppm。

二氧化碳和冠状病毒

在冠状病毒大流行的情况下，研究人员考察了二氧化碳浓度和气溶胶之间是否有直接关联，因为含有新冠病毒的气溶胶会成为传播途径。根据目前的了解，二氧化碳浓度和气溶胶之间不存在直接关联。即便如此，较高的二氧化碳含量表明室内空气不佳，这通常也会导致气溶胶浓度升高，因此二氧化碳和气溶胶之间存在着间接的关系。因此，有两个很好的理由坚持采取通风措施：改善人体健康和提高工作绩效，以及减少感染冠状病毒的风险。

此外，由于冠状病毒的管控措施，例如居家办公和居家教学以及商业和餐馆关闭，使得大多数人呆在家里的时间增多。现代建筑物的隔热性能越来越好，以满足如今的能源效率标准，所以室内通风的情况很少。因此，监测室内空气的二氧化碳含量相比以往任何时候都更加重要。

避免空气闷焗

人们使用合适的传感器来监测二氧化碳的浓度，例如用于二氧化碳警告灯。在教室里，当二氧化碳浓度过高时，二氧化碳警告灯可以用来提供简明的视觉指示，让教室里的人员打开窗户。在智能家居系统中，它们提供的数值用于自动触发通风措施或警告信号。

这种传感器数据也可用于其他信息，例如，确定一个房间里目前有多少人。这里使用了一种算法，对人们呼吸产生的二氧化碳水平的平均增长和所测量的二氧化碳浓度的增长进行比较。

在食品工业和食品物流中，可以通过控制调节二氧化碳浓度来积极影响产品的质量，因为二氧化碳可以加速或减慢水果和蔬菜的自然老化过程。二氧化碳含量对于植物和动物也有影响。生产者可以通过检测和调整这一数值以带来益处。

NDIR测量技术

来自盛思锐的SCD30传感器是测量二氧化碳浓度的成熟解决方案。它使用了非分散红外光谱（NDIR）测量技术，其测量范围高达40,000ppm, 在0-10,000ppm范围内，其精度高达测量值的±30ppm +3%。

NDIR测量是基于一个红外辐射源和两个相对放置的光学滤光片，测试管内有两个分别放置在两端的检测器，辐射源发出的波长只被二氧化碳分子吸收。空气通过一个开口流入管内，其中的二氧化碳分子吸收了部分辐射。另一端的检测器则测量由此产生的辐射强度的变化。第二个检测器提供参考测量数值，以尽量减少污垢或灰尘等污染物的影响。

这项原理使得传感器的体积相对较大，盛思锐的SCD30传感器尺寸为35 mm × 23 mm × 7 mm，但由于具有高测量精度，多年来仍然是二氧化碳检测领域的主要产品。

光声测量系统

盛思锐现在推出一款后续产品SCD4x，它满足了所有与小型化和降低功耗有关的要求。该传感器基于全新的光声传感器技术，不要求辐射源和传感器之间保持一定距离，使得SCD4x尺寸仅为10 mm × 10 mm × 6.5 mm，而且仍然比先前型款便宜。然而，这项测量技术将精度降低到400和2,000ppm之间的±50 ppm +5%（SCD40）或400和5,000ppm之间的±40 ppm +5%（SCD41）。与前一代SCD30传感器一样，测量范围为0至40,000 ppm。

图1：由于采用全新测量技术，盛思锐公司的SCD4x二氧化碳传感器相比先前型款体积大幅减小 (图片来源：盛思锐)

这些新型传感器具有小巧的尺寸和卓越的性价比，特别适合智能家居、物联网、汽车、暖通空调、食品和消费品领域的应用。

光声测量技术是基于与二氧化碳分子的吸收带相匹配的窄带光。这意味着它具有精确的波长范围，其电磁辐射能量被二氧化碳分子吸收。将光发射到传感器的测量单元中，而二氧化碳分子吸收了部分光。这导致二氧化碳分子发生振荡，从而增加了测量单元的压力。使用麦克风测量这个压力差，可以得出测量单元中存在的二氧化碳分子含量的结论，从而推算出空气中二氧化碳的浓度。

图2：光声测量技术如何工作。该技术用作盛思锐公司新型SCD4x二氧化碳传感器中的PASens技术 (图片来源：盛思锐)

通过这种测量技术，检测器信号在普通测量范围内的低漂移抵消了测量精度的降低。随着二氧化碳浓度的上升，漂移也会增加。而NDIR技术，情况则正好相反，特别是在二氧化碳浓度低的地方，检测器信号的漂移更加明显（图3）。

图3：使用NDIR和光声（PA）测量技术，检测器信号和二氧化碳浓度之间形成理想化关系 (图片来源：儒卓力)

结论

人们要了解空气中的二氧化碳浓度，从未像现在这样重要，因为它不仅影响到人们的福祉和健康，而且还能帮助遏制冠状病毒的传播。食品生产和物流行业，以及动植物养殖行业可以利用二氧化碳含量水平，积极提高产品质量。经过验证的成熟二氧化碳传感器得益于高测量精度，新型款则满足了对更小型传感器和更低成本的需求，尽管测量精度因此而受到轻微影响。