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基于光聲測量技術(shu)的二氧化碳傳感器，清潔空氣的好時(shi)機

二氧化碳(CO 2)是(shi)(shi)由碳(tan)和氧組成的(de)無(wu)色無(wu)味氣(qi)體(ti)，是(shi)(shi)所有有機(ji)化合物(wu)(wu)的(de)基礎物(wu)(wu)質(zhi)。植(zhi)物(wu)(wu)利用(yong)光合作用(yong)將(jiang)其與水(shui)一起轉化為有機(ji)物(wu)(wu)并釋放氧氣(qi)。

二(er)(er)氧化(hua)碳由細胞呼吸以及動物和植物有機體的(de)腐爛產生(sheng)。在人類(lei)文明發展中，工業方面(mian)的(de)化(hua)石(shi)物品燃(ran)燒也會產生(sheng)二(er)(er)氧化(hua)碳，如建筑供(gong)暖(nuan)或汽車內燃(ran)機油(you)料燃(ran)燒。這導致地球大氣層中的(de)二(er)(er)氧化(hua)碳濃度(du)上升，從而(er)加劇了(le)溫室效應，導致地球氣候(hou)變化(hua)。

對人類(lei)的影響

少(shao)量(liang)二氧化碳對人(ren)類是(shi)完全安全的(de)；然而，在(zai)較高的(de)濃度下，它可以(yi)阻止肺部(bu)吸收氧氣(qi)，并(bing)可能(neng)導致各種癥狀，這取(qu)決于空氣(qi)中的(de)二氧化碳含量(liang)。空氣(qi)中二氧化碳體積含量(liang)在(zai)1%到3%之間時，人(ren)的(de)專(zhuan)注力可能(neng)會受到影(ying)響，或(huo)出現疲勞(lao)現象，而且可能(neng)會出現心(xin)率或(huo)血(xue)壓上升。二氧化碳體積含量(liang)達到5%以(yi)上時，可能(neng)會引(yin)起(qi)頭暈、頭痛、呼吸急促，并(bing)最終失(shi)去知覺(jue)。

因此DIN EN 13779標準根據二(er)(er)氧(yang)(yang)化碳濃(nong)度(du)定(ding)義了室(shi)內空(kong)氣質量的四個類(lei)別。它將低(di)于800ppm的二(er)(er)氧(yang)(yang)化碳水平歸為優良(liang)，不(bu)(bu)超過(guo)1000ppm水平為中等良(liang)好，1000ppm以上水平則為中等質量。當二(er)(er)氧(yang)(yang)化碳濃(nong)度(du)超過(guo)1400ppm時，空(kong)氣質量認定(ding)為差。在(zai)工(gong)作場所，員(yuan)工(gong)在(zai)8小時內接觸的二(er)(er)氧(yang)(yang)化碳濃(nong)度(du)不(bu)(bu)得超過(guo)5000ppm。

二(er)氧(yang)化碳和冠狀病毒

在(zai)冠狀(zhuang)病毒大流行的(de)(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，研究人員考察了二(er)(er)氧(yang)(yang)化碳(tan)濃度和(he)氣溶膠(jiao)之間(jian)(jian)是(shi)否有直接(jie)關聯，因(yin)(yin)為含(han)有新冠病毒的(de)(de)氣溶膠(jiao)會(hui)成(cheng)為傳(chuan)播途徑。根據(ju)目前的(de)(de)了解，二(er)(er)氧(yang)(yang)化碳(tan)濃度和(he)氣溶膠(jiao)之間(jian)(jian)不存(cun)在(zai)直接(jie)關聯。即便如此，較(jiao)高(gao)的(de)(de)二(er)(er)氧(yang)(yang)化碳(tan)含(han)量表明(ming)室內空氣不佳，這通常也(ye)會(hui)導致氣溶膠(jiao)濃度升高(gao)，因(yin)(yin)此二(er)(er)氧(yang)(yang)化碳(tan)和(he)氣溶膠(jiao)之間(jian)(jian)存(cun)在(zai)著間(jian)(jian)接(jie)的(de)(de)關系。因(yin)(yin)此，有兩個很好(hao)的(de)(de)理由堅持采取(qu)通風(feng)措施：改善人體健康和(he)提高(gao)工作績效，以及減少感染冠狀(zhuang)病毒的(de)(de)風(feng)險。

此外，由于冠狀病毒的(de)管控措(cuo)施，例(li)如(ru)居家辦公和居家教(jiao)學(xue)以(yi)及商業和餐館(guan)關閉，使(shi)得大多數(shu)人呆在家里(li)的(de)時(shi)間增多。現代(dai)建筑(zhu)物的(de)隔熱性能越來(lai)越好，以(yi)滿(man)足如(ru)今的(de)能源效率標準，所以(yi)室內通風的(de)情(qing)況很少。因(yin)此，監測室內空氣的(de)二氧化碳含量相比以(yi)往任何時(shi)候都(dou)更加重(zhong)要。

避免空氣悶焗

人(ren)(ren)們(men)使(shi)用合適(shi)的(de)傳感器來監測二(er)(er)(er)氧化碳(tan)(tan)的(de)濃(nong)度，例如用于二(er)(er)(er)氧化碳(tan)(tan)警告燈。在(zai)教(jiao)室(shi)里，當二(er)(er)(er)氧化碳(tan)(tan)濃(nong)度過高時，二(er)(er)(er)氧化碳(tan)(tan)警告燈可以用來提(ti)供簡明的(de)視覺指示，讓教(jiao)室(shi)里的(de)人(ren)(ren)員(yuan)打開窗戶。在(zai)智能家(jia)居系統中，它們(men)提(ti)供的(de)數(shu)值(zhi)用于自動觸發通風(feng)措施或警告信號(hao)。

這(zhe)種傳感器數據也可(ke)用(yong)于其他信息，例如，確定一個房間(jian)里目前有多(duo)少人。這(zhe)里使用(yong)了一種算法，對人們呼吸產生的二氧化碳水平(ping)的平(ping)均(jun)增(zeng)長和所測(ce)量的二氧化碳濃度的增(zeng)長進行比較。

在食品工業和(he)食品物(wu)(wu)(wu)流中(zhong)，可以(yi)通(tong)過控制(zhi)調節二(er)氧(yang)化(hua)碳濃度(du)來積(ji)極影響(xiang)產(chan)品的(de)質量，因為(wei)二(er)氧(yang)化(hua)碳可以(yi)加速(su)或減(jian)慢(man)水(shui)果和(he)蔬菜的(de)自然老化(hua)過程。二(er)氧(yang)化(hua)碳含量對(dui)于(yu)植物(wu)(wu)(wu)和(he)動物(wu)(wu)(wu)也有影響(xiang)。生產(chan)者可以(yi)通(tong)過檢測和(he)調整這一數值以(yi)帶來益(yi)處。

NDIR測量技術

來自盛思銳(rui)的SCD30傳感(gan)器是測(ce)量二(er)氧(yang)化碳濃度的成熟解(jie)決方案(an)。它(ta)使用(yong)了(le)非色散(san)紅(hong)外光譜（NDIR）測(ce)量技術，其測(ce)量范(fan)圍(wei)高達40,000ppm, 在0-10,000ppm范(fan)圍(wei)內，其精度高達測(ce)量值的±30ppm +3%。

NDIR測(ce)量是基于一個(ge)(ge)紅(hong)外輻射源和(he)兩個(ge)(ge)相對放置(zhi)的光學濾光片，測(ce)試管內有兩個(ge)(ge)分(fen)別(bie)放置(zhi)在兩端的檢(jian)測(ce)器(qi)，輻射源發出(chu)的波長只(zhi)被二氧化碳(tan)分(fen)子(zi)吸收。空氣(qi)通過一個(ge)(ge)開口流入管內，其(qi)中的二氧化碳(tan)分(fen)子(zi)吸收了部分(fen)輻射。另一端的檢(jian)測(ce)器(qi)則測(ce)量由此(ci)產生的輻射強度的變(bian)化。第二個(ge)(ge)檢(jian)測(ce)器(qi)提(ti)供參考測(ce)量數值，以盡(jin)量減少污垢或灰(hui)塵等污染物的影響。

這項原理(li)使(shi)得傳(chuan)感(gan)器的體積相對較(jiao)大，盛思(si)銳的SCD30傳(chuan)感(gan)器尺寸為(wei)35 mm × 23 mm × 7 mm，但(dan)由于具有高測(ce)量(liang)精度，多年(nian)來仍然(ran)是二氧化碳檢測(ce)領域的主要(yao)產品。

盛思銳的SCD30傳感器

光(guang)聲測(ce)量技(ji)術

盛思銳現在推出一(yi)(yi)(yi)款(kuan)后續產品SCD4x，它滿足了所有與小(xiao)型(xing)化和(he)降(jiang)低(di)功耗(hao)有關的要(yao)求(qiu)(qiu)。該(gai)傳感器(qi)(qi)基于全新的光聲測(ce)量技術，不要(yao)求(qiu)(qiu)輻射(she)源和(he)傳感器(qi)(qi)之間保持一(yi)(yi)(yi)定距離，使(shi)得SCD4x尺(chi)寸(cun)僅為10 mm × 10 mm × 6.5 mm，而(er)且仍然(ran)比(bi)先前型(xing)款(kuan)便宜(yi)。然(ran)而(er)，這項測(ce)量技術將(jiang)精度降(jiang)低(di)到400和(he)2,000ppm之間的±50 ppm +5%（SCD40）或400和(he)5,000ppm之間的±40 ppm +5%（SCD41）。與前一(yi)(yi)(yi)代SCD30傳感器(qi)(qi)一(yi)(yi)(yi)樣，測(ce)量范圍為0至40,000 ppm。

由(you)于采用光聲(sheng)測量(liang)技術，盛思銳的SCD4x二氧化(hua)碳傳感器相比先前型款(kuan)體積大幅減小

英飛凌也宣布提供(gong)一(yi)款基于光(guang)聲(sheng)測量技(ji)術的二氧化碳傳感器，尺寸(cun)為14 mm × 14 mm × 7.5 mm，測量精度為±30 ppm +3%，這款產品(pin)已在2021年向(xiang)市(shi)場供(gong)貨。

這些(xie)新型傳感器具有小巧的(de)尺(chi)寸和卓越的(de)性價比，特別適合智能(neng)家居、物聯網(wang)、汽車、暖通空調(diao)、食品(pin)和消(xiao)費(fei)品(pin)領域的(de)應用。

光聲測(ce)(ce)量(liang)技(ji)術是基(ji)于與二氧(yang)(yang)化(hua)碳(tan)分子(zi)的(de)(de)(de)吸(xi)收(shou)帶相匹配的(de)(de)(de)窄帶光。這意味著(zhu)它具有精確的(de)(de)(de)波長范圍，其電磁(ci)輻射能量(liang)被二氧(yang)(yang)化(hua)碳(tan)分子(zi)吸(xi)收(shou)。將光發射到傳感器的(de)(de)(de)測(ce)(ce)量(liang)單(dan)元中(zhong)，而二氧(yang)(yang)化(hua)碳(tan)分子(zi)吸(xi)收(shou)了(le)部(bu)分光。這導致二氧(yang)(yang)化(hua)碳(tan)分子(zi)發生(sheng)振蕩，從而增加了(le)測(ce)(ce)量(liang)單(dan)元的(de)(de)(de)壓力(li)。使用(yong)麥克風測(ce)(ce)量(liang)這個(ge)壓力(li)差，可以得出測(ce)(ce)量(liang)單(dan)元中(zhong)存在的(de)(de)(de)二氧(yang)(yang)化(hua)碳(tan)分子(zi)含量(liang)的(de)(de)(de)結(jie)論(lun)，從而推算(suan)出空氣中(zhong)二氧(yang)(yang)化(hua)碳(tan)的(de)(de)(de)濃度。

光聲測量技術原理

通過這種測量(liang)技術，檢測器(qi)信(xin)號在(zai)普通測量(liang)范圍(wei)內的低(di)漂(piao)移抵消了(le)測量(liang)精度(du)的降低(di)。隨著二氧化碳(tan)濃度(du)的上升(sheng)，漂(piao)移也會增加(jia)。而NDIR技術，情況(kuang)則正好相(xiang)反，特別是(shi)在(zai)二氧化碳(tan)濃度(du)低(di)的地方(fang)，檢測器(qi)信(xin)號的漂(piao)移更加(jia)明(ming)顯。

使(shi)用NDIR和光(guang)聲(sheng)測(ce)量技(ji)術，檢測(ce)器信號和二(er)氧化碳濃度之間形(xing)成(cheng)理想化關系

結論

人們要了解空氣中的二氧化碳濃度，從未像現在這樣重要，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，以及動植物養殖行業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 光聲(sheng)測量技(ji)術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(du)因此(ci)而受到輕微影(ying)響。