【導(dǎo)讀】高CO2含量會(huì)危害人類健康和生產(chǎn)力。將CO2傳感器與空氣交換器和智能通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合使用，可以以最節(jié)能和人性化的方式調(diào)節(jié)通風(fēng)。此外，CO2傳感器在監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量中起著至關(guān)重要的作用，因此可以集成到空氣凈化器，智能恒溫器和其他智能家居產(chǎn)品中。
室內(nèi)高CO2濃度通常是人類存在的結(jié)果。如果環(huán)境通風(fēng)不良，我們的身體會(huì)吸入氧氣并釋放出CO2，該CO2會(huì)積聚在室內(nèi)。
而且，現(xiàn)代建筑的致密絕熱間接地導(dǎo)致二氧化碳的增加。例如，減少能耗和供暖或制冷成本的致密門窗以減少與外界的空氣交換為代價(jià)。因此，結(jié)果是CO2濃度增加，導(dǎo)致持續(xù)需要通風(fēng)。在這些情況下，通常使用CO2傳感器來調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)。
高CO2含量會(huì)危害人類健康和生產(chǎn)力。將CO2傳感器與空氣交換器和智能通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合使用，可以以最節(jié)能和人性化的方式調(diào)節(jié)通風(fēng)。此外，CO2傳感器在監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量中起著至關(guān)重要的作用，因此可以集成到空氣凈化器，智能恒溫器和其他智能家居產(chǎn)品中。
二氧化碳濃度超過百萬(wàn)分之一（ppm）1,000時(shí)，會(huì)降低生產(chǎn)率，并可能使人昏昏欲睡。當(dāng)CO2濃度高于2,000 ppm時(shí)，一些人開始頭痛。讓我們考慮一下，在一個(gè)密閉的房間（例如教室擁擠）中，許多人的存在和通風(fēng)不良會(huì)產(chǎn)生高達(dá)5,000 ppm的二氧化碳。
《紐約時(shí)報(bào)》說：“二氧化碳含量越高，應(yīng)試者的表現(xiàn)就越差；在2,500 ppm時(shí)，他們的分?jǐn)?shù)通常比在1,000 ppm時(shí)差很多。”此外，“如果沒有專門的傳感器，當(dāng)您在一個(gè)小房間里徘徊長(zhǎng)時(shí)間開會(huì)時(shí)，您實(shí)際上無(wú)法知道正在積聚多少二氧化碳。”
商業(yè)和住宅部門中的空氣交換器和智能通風(fēng)系統(tǒng)使用CO2傳感器以最節(jié)能和人性化的方式調(diào)節(jié)通風(fēng)。集成的CO2傳感器為空氣質(zhì)量和節(jié)能做出了巨大貢獻(xiàn)。用于CO2傳感器的空調(diào)電子設(shè)備還可以監(jiān)視空氣質(zhì)量趨勢(shì)，以及在不依賴于我們的感知的情況下做出決策（圖1）。
SensirionCO2傳感器產(chǎn)品經(jīng)理Marco Gysel說：“公眾對(duì)室內(nèi)CO2含量的意識(shí)正在提高：公共和私營(yíng)部門越來越多地采取措施來監(jiān)測(cè)和抵消高CO2濃度。”“大多數(shù)舉措都集中在教室，大學(xué)和商業(yè)辦公樓上，但住宅公寓對(duì)CO2傳感的需求也在增長(zhǎng)。當(dāng)局和公司開始意識(shí)到，學(xué)生和工人認(rèn)知能力下降的代價(jià)是很高的。”
圖1：CO2對(duì)人類決策績(jī)效的影響（圖片：Environmental Health Perspectives。120（12）。doi：10.1289 / ehp.1104789）
新型SCD40傳感器和光聲技術(shù)
SCD40小型化的CO2傳感器為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了新方法，并將為各種新型傳感應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。Sensirion的經(jīng)驗(yàn)使它能夠改進(jìn)其CO2傳感器技術(shù)的最新創(chuàng)新，提供了一種新設(shè)備，該設(shè)備比其前身SCD30的體積小七分之一。光聲檢測(cè)原理可在不影響性能的情況下減小SCD30中使用的光學(xué)腔的尺寸。
最先進(jìn)的CO2傳感器（例如Sensirion的SCD30）基于非分散紅外（NDIR）光學(xué)檢測(cè)原理。由于其尺寸和成本，這些NDIR傳感器的使用僅限于少數(shù)應(yīng)用。
NDIR型傳感器是光學(xué)傳感器，經(jīng)常用于氣體分析。主要組件是帶有波長(zhǎng)濾光片的紅外光源，樣氣室和紅外檢測(cè)器（圖2和3）。通過照射穿過樣品池（包含CO2）的紅外光束并測(cè)量所需波長(zhǎng)處的樣品吸收的紅外光量，NDIR檢測(cè)器可以測(cè)量樣品中CO2的體積濃度。
基于NDIR原理的傳感器的靈敏度與光束路徑成正比。路徑的大量減少會(huì)導(dǎo)致其性能受損，從而限制了該技術(shù)的小型化潛力。此外，基于NDIR原理的傳感器由于其尺寸，結(jié)構(gòu)和大量分立組件而沒有經(jīng)濟(jì)的BOM結(jié)構(gòu)。
Gysel說：“就小型化而言，NDIR技術(shù)似乎已達(dá)到CO2傳感器的極限，因?yàn)閭鞲衅鞯撵`敏度與光束路徑長(zhǎng)度成正比，因此與傳感器的尺寸成正比。”“ Sensirion始終旨在通過在不影響性能的前提下使組件更小，更具成本效益來破壞傳感器市場(chǎng)。對(duì)于CO2感測(cè)，我們認(rèn)為光聲技術(shù)是最有前途的方法：除了減小CO2傳感器的尺寸和成本之外，該技術(shù)還允許SMT組裝代替費(fèi)力的通孔焊接。這三個(gè)因素相結(jié)合，有可能開拓新的CO2感應(yīng)市場(chǎng)。我個(gè)人認(rèn)為，光聲技術(shù)有潛力在未來五到十年內(nèi)取代NDIR，成為標(biāo)準(zhǔn)的CO2傳感技術(shù)。”
圖2：SCD30技術(shù)（圖片：Sensirion）
圖3：NDIR原理（圖片：Sensirion）
新型SCD40基于Sensirion的光聲PASens技術(shù)。光聲檢測(cè)原理可在不影響性能的情況下使傳感器小型化。這是因?yàn)閭鞲衅鞯撵`敏度與光學(xué)腔的大小無(wú)關(guān)。通過同時(shí)使用Sensirion的CMOSens技術(shù)進(jìn)行小型化，可以將這兩種技術(shù)結(jié)合起來并創(chuàng)建一種新型的傳感器（圖4）。
圖4：NDIR（SCD30）和PASens Technology（SCD40）的尺寸比較（圖片：Sensirion）
光聲原理相對(duì)簡(jiǎn)單：對(duì)應(yīng)于CO2分子吸收帶的4.26 µm調(diào)制窄帶光信號(hào)在一個(gè)狹小的封閉空間內(nèi)發(fā)射。測(cè)量池中的CO2分子吸收部分照射的光。CO2分子的吸收能量主要激發(fā)分子振動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致平移能量的增加，從而導(dǎo)致測(cè)量單元中壓力的周期性變化，可以使用MEMS麥克風(fēng)進(jìn)行測(cè)量。
吉塞爾說：“吸收后，光子的能量首先轉(zhuǎn)移到CO2分子，然后轉(zhuǎn)移到周圍的分子。”“吸收的能量導(dǎo)致微觀壓力增加。由于光學(xué)腔內(nèi)部發(fā)生數(shù)百萬(wàn)個(gè)吸收事件，因此壓力增加成為宏觀現(xiàn)象。通過調(diào)制IR發(fā)射器，我們以明確定義的頻率感應(yīng)出壓力的增加和減少-僅僅是聲波。聲音的頻率由紅外發(fā)射器調(diào)制頻率決定，但聲音的幅度與CO2濃度成正比。”
傳聲器信號(hào)然后用于測(cè)量測(cè)量單元中的CO2分子數(shù)量，并可用于計(jì)算CO2濃度。
圖5：PASens技術(shù)的功能。在傳感器的頂部，有灰塵過濾器。圖片：Sensirion）
圖6：SCD40傳感器（圖片：Sensirion）
圖7：SCD40傳感器及其功能（圖片：Sensirion）
“可以使用MEMS麥克風(fēng)來測(cè)量光聲信號(hào)的幅度，” Gysel說。“然后使用內(nèi)置處理器通過高級(jí)信號(hào)處理算法來計(jì)算CO2濃度。光聲測(cè)量原理的優(yōu)點(diǎn)在于，傳感器的靈敏度主要與光腔尺寸無(wú)關(guān)。因此，我們可以使用這項(xiàng)技術(shù)來縮小傳感器的尺寸，而不會(huì)影響傳感器的性能。”
SCD40結(jié)合了最小尺寸和最高性能，代表了傳感技術(shù)和MEMS技術(shù)的結(jié)合。SCD40為集成和應(yīng)用打開了許多新的可能性。它提供0 ppm至40,000 ppm的測(cè)量范圍，完全校準(zhǔn)和線性化的輸出以及數(shù)字I2C接口。
Gysel說：“也許SCD40的最大資產(chǎn)就是我們?cè)趦?nèi)部設(shè)計(jì)和生產(chǎn)所有關(guān)鍵組件。”“這使我們能夠在保持成本效益的BOM結(jié)構(gòu)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最高的性能。例如，基于我們CMOSens技術(shù)的主動(dòng)調(diào)節(jié)型IR發(fā)射器可確保最高的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，并且比現(xiàn)有的現(xiàn)成產(chǎn)品具有更高的成本效益。
他補(bǔ)充說：“傳感器的準(zhǔn)確性非常重要，原因有兩個(gè)。”“一方面，它使我們的客戶能夠設(shè)計(jì)出性能卓越的產(chǎn)品。另一方面，一些客戶需要高精度才能符合規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)-例??如，這在HVAC市場(chǎng)中非常關(guān)鍵。我們的SCD40的精度規(guī)定為±30 ppm加上讀數(shù)的3％，這是市場(chǎng)上可以找到的最佳精度之一。另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是傳感器的使用壽命為10年，這證明了我們?cè)趥鞲衅骺煽啃苑矫娴母邩?biāo)準(zhǔn)。”
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