【導(dǎo)讀】高CO2含量會(huì)危害人類(lèi)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(lèi)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(mén)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(lái)調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)。
高CO2含量會(huì)危害人類(lèi)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(guò)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(kāi)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(shuō)：“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(méi)有專(zhuān)門(mén)的傳感器，當(dāng)您在一個(gè)小房間里徘徊長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)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(mén)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(lài)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(shuō)：“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(mén)越來(lái)越多地采取措施來(lái)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(kāi)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(lèi)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(guò)照射穿過(guò)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(méi)有經(jīng)濟(jì)的BOM結(jié)構(gòu)。
Gysel說(shuō)：“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(guò)在不影響性能的前提下使組件更小，更具成本效益來(lái)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(kāi)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(lái)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(guò)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(lái)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(shuō)：“吸收后，光子的能量首先轉(zhuǎn)移到CO2分子，然后轉(zhuǎn)移到周?chē)姆肿印?rdquo;“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(guò)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(guò)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(lái)測(cè)量光聲信號(hào)的幅度，” Gysel說(shuō)。“然后使用內(nèi)置處理器通過(guò)高級(jí)信號(hào)處理算法來(lái)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(lái)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(kāi)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(shuō)：“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(shuō)：“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(hù)能夠設(shè)計(jì)出性能卓越的產(chǎn)品。另一方面，一些客戶(hù)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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