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為什么我一個(gè)人在工作的時(shí)候精神抖擻，但是大家一起在會(huì)議室開會(huì)就困得不行呢？

這恐怕是二氧化碳（CO2）的鍋。大氣中氧氣和二氧化碳的含量相對(duì)穩(wěn)定天然氣報(bào)警器，其中氧氣占21%，二氧化碳占0.03%。二氧化碳本身雖沒有毒性，但當(dāng)空氣中二氧化碳含量超過(guò)正常含量時(shí)，便會(huì)影響人們的體感和行為。

二氧化碳濃度對(duì)人的影響

得益于新能源標(biāo)準(zhǔn)和更好的隔熱效果，樓宇正變得越來(lái)越節(jié)能，但代價(jià)是其內(nèi)部的空氣質(zhì)量加速惡化?，F(xiàn)代人長(zhǎng)期處于密閉的空調(diào)房?jī)?nèi)辦公，呼吸時(shí)吸入氧氣呼出二氧化碳，如果空調(diào)系統(tǒng)沒有對(duì)二氧化碳濃度進(jìn)行監(jiān)控，不能及時(shí)開啟通風(fēng)換氣功能，那么隨著空氣中二氧化碳濃度的增高，氧氣含量也會(huì)相應(yīng)減少，缺氧將引發(fā)嗜睡、注意力下降及頭疼等問題。

二氧化碳對(duì)人類健康水平和生產(chǎn)力的影響。根據(jù)紐約時(shí)報(bào)的測(cè)試，在密閉空間內(nèi)，二氧化碳濃度越高，測(cè)試者的表現(xiàn)就越差，在濃度達(dá)到2500ppm時(shí)，他們的成績(jī)通常比在1000ppm時(shí)低得多。（Source：sensirion）

目前，國(guó)內(nèi)外的室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)都把二氧化碳列入為重點(diǎn)管制的污染物，它的濃度高低已成為評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣質(zhì)量好壞的關(guān)鍵指標(biāo)。

因此對(duì)室內(nèi)，特別是人員集中的密閉室內(nèi)進(jìn)行二氧化碳濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)非常有必要。將二氧化碳傳感器集成在室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀、空氣凈化器或智能溫控器中，作為新風(fēng)機(jī)和智能通風(fēng)系統(tǒng)的觸發(fā)器，能在很大程度上確保人們的舒適度健康水平和生產(chǎn)力，且不影響建筑物的能源效率。

非分散紅外氣體檢測(cè)

傳統(tǒng)的二氧化碳傳感器一般采用非分散紅外技術(shù)（Non-Dispersive Infrared, NDIR），也稱為紅外氣體測(cè)量感應(yīng)或無(wú)彌散紅外線技術(shù)。

這種技術(shù)常用于檢測(cè)氣體和碳氧化物（例如一氧化碳和二氧化碳），其原理是利用一個(gè)紅外光束穿過(guò)采樣腔，樣本中的各氣體組分吸收特定頻率的紅外線。通過(guò)測(cè)量相應(yīng)頻率的紅外線吸收量，便可確定該氣體組分的濃度。之所以說(shuō)這種技術(shù)是非分散的，是因?yàn)榇┻^(guò)采樣腔的波長(zhǎng)未經(jīng)預(yù)先濾波；相反地，如果光濾波器位于檢波器之前，那么便可以濾除選定氣體分子能夠吸收的波長(zhǎng)之外的所有光線。比如一款針對(duì)二氧化碳檢測(cè)的傳感器，如果采用了幾種不同的濾光器和熱電堆之后，就可精確測(cè)量多種氣體的濃度。注1

很多氣體的正負(fù)電荷中心瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)不重合。在紅外頻譜，氣體可吸收特定頻率，這種特性可以用來(lái)進(jìn)行氣體分析。當(dāng)紅外輻射射入氣體中，并且當(dāng)分子的自諧振頻率與紅外波長(zhǎng)相匹配時(shí)二氧化碳傳感器，氣體分子會(huì)根據(jù)原子的能級(jí)躍遷而與入射紅外線產(chǎn)生諧振。

對(duì)于大部分紅外氣體檢測(cè)應(yīng)用而言，目標(biāo)氣體的成分是已知的，因此不需要?dú)庀嗌V分析。然而，如果不同氣體的吸收線重疊，那么系統(tǒng)就必須處理這些氣體之間的相互干擾。

二氧化碳的吸收頻譜（source：HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)）

比如在波長(zhǎng)為3000 nm以下乙炔報(bào)警器，以及4500 nm和8000 nm之間時(shí)，水具有較強(qiáng)的吸收性，而二氧化碳在4200 nm和4320 nm之間也存在吸收峰值，那么一旦目標(biāo)氣體中有水分（濕氣），且濃度較高的話，檢測(cè)氣體之間就會(huì)出現(xiàn)吸收頻譜重疊，結(jié)果會(huì)受到較強(qiáng)的干擾。

二氧化碳與水的吸收頻譜重疊（source：HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)）

在這也是NDIR技術(shù)用于氣體檢測(cè)的一個(gè)缺點(diǎn)，有沒有其他技術(shù)能夠彌補(bǔ)？

聲光傳感氣體檢測(cè)

日前，瑞士傳感器制造商盛思銳（Sensirion）宣布推出以光聲傳感（photoacoustic，PAS）原理為基礎(chǔ)的二氧化碳和溫濕度傳感器SCD40，寄望解決這一問題。盛思銳氣體傳感器產(chǎn)品管理團(tuán)隊(duì)主管EThel Stromereder博士在接受《電子工程是專輯》采訪時(shí)表示，NDIR和光聲傳感的檢測(cè)原理是不一樣的。

光聲傳感其實(shí)也是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，其原理已經(jīng)推出幾十年，但到目前為止都只在昂貴的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模儀器中使用。近年來(lái)，半導(dǎo)體激光器工藝發(fā)展成熟，基于光聲光譜分析技術(shù)檢測(cè)氣體成為研究熱門。它具有高檢測(cè)靈敏度，快時(shí)間響應(yīng)，可連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，小體積，可實(shí)現(xiàn)多組分氣體等優(yōu)業(yè)，被廣泛應(yīng)用于石化分析、空氣污染檢測(cè)、煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)、變壓器油中溶解氣體分析、醫(yī)學(xué)呼出氣體診斷等領(lǐng)域。

光聲傳感的原理是基于氣體的光聲效應(yīng)，通過(guò)選擇特定光源以及聲波探測(cè)設(shè)備（如麥克風(fēng)）實(shí)現(xiàn)對(duì)某種或多種氣體的高靈敏度傳感。一般由幾部分組成：光源、濾光器、光聲池、傳聲器、探測(cè)器以及外圍電路。在光學(xué)方面與NDIR類似，都是根據(jù)不同氣體對(duì)光有不同的吸收光譜特性，再通過(guò)控制濾波器的波長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)高選擇性，以及多組分探測(cè)。

常見的光聲傳感氣體檢測(cè)傳感器系統(tǒng)功能圖（source：semanticscholar）注2

一般光聲腔分兩類：非諧振式光聲腔和諧振式光聲腔。非諧振式光聲腔是將其體密封在腔室內(nèi)，氣體受熱膨脹，從而檢測(cè)到光聲信號(hào)，此類光聲腔需要密封且靈敏度低。諧振式光聲腔的原理是聲波在腔體中傳輸，若聲波能在腔室中諧振形成駐波，則無(wú)需密封腔室，且起到共振放大的作用。通過(guò)調(diào)制光源照射頻率使其與聲波在腔室中傳輸?shù)谋菊黝l率重合形成共振，這樣可以將光聲信號(hào)進(jìn)行共振放大。由于諧振式光聲腔的實(shí)用性、易操作、靈敏度高等特點(diǎn)，一般采用共振式光聲腔。注3

NDIR技術(shù)與PAS技術(shù)的對(duì)比（Source：Sensirion）

“NDIR的原理是靠一個(gè)脈沖光源和一個(gè)探測(cè)器，光源和探測(cè)器之間如果發(fā)生任何偏移的話，這個(gè)信號(hào)就沒有辦法擊中探測(cè)器，可能就會(huì)出現(xiàn)一些偏差。但是光聲原理就很簡(jiǎn)單，有一個(gè)調(diào)制光源，氣體分子在吸收特定波長(zhǎng)光時(shí)產(chǎn)生周期性熱膨脹，從而引起微弱的聲壓波，采用麥克風(fēng)來(lái)探測(cè)聲壓波的漲落來(lái)判斷氣體濃度?！?EThel說(shuō)到，“在我們的實(shí)驗(yàn)中沒有發(fā)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程會(huì)受到其它外在氣體或者噪聲的影響，所以目前來(lái)看它的效果比NDIR更好。但是未來(lái)我們還會(huì)去做更多的實(shí)際檢測(cè)，收集更多的數(shù)據(jù)?！?/p>

盛思銳大中華區(qū)總經(jīng)理李錦華補(bǔ)充道：”NDIR并不是不好，只是我們精通NDIR，所以知道它的缺點(diǎn)，也知道要怎樣去修正這個(gè)缺點(diǎn)，然后給客戶更好的產(chǎn)品。NDIR是很成熟的技術(shù)，但它有一些缺點(diǎn)沒辦法滿足客戶的要求，需要用光聲技術(shù)去實(shí)現(xiàn)?！?/p>

最小的二氧化碳傳感器

SCD40體積僅約為1立方厘米（10mm x 10mm x 7 mm），與前一代的SCD30相比，其尺寸縮小了5倍。由于利用光聲學(xué)傳感原理，在不影響傳感器性能的前提下，SCD40光學(xué)共振腔的尺寸得以大幅度減小。此外據(jù)李錦華介紹二氧化碳傳感器，SCD40除了能檢測(cè)二氧化碳，還集成了濕度和溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)額外的傳感器輸出。

前代產(chǎn)品SCD30（左，35*23mm，元件數(shù)量約35）與SCD40 樣品（10*10mm，元件數(shù)量小于15）實(shí)物對(duì)比圖（Source：EETimes China攝）

兩代產(chǎn)品的體積、價(jià)格上的差距，會(huì)不會(huì)帶來(lái)市場(chǎng)定位上的不同？對(duì)此EThel表示，“SCD30推出已有1年多，在市場(chǎng)上有著很高贊譽(yù)度和接受度，所以盛思銳目前還會(huì)繼續(xù)在市場(chǎng)中推廣它。而SCD40是一款新產(chǎn)品，目標(biāo)是在降低價(jià)格和縮小尺寸的基礎(chǔ)上，維持同樣的性能，延續(xù)我們既有的市場(chǎng)策略。這兩款產(chǎn)品都面向所有既有市場(chǎng)，沒有具體差異化的細(xì)分?！?/p>

其實(shí)從其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品演化史來(lái)看，二氧化碳傳感器的演變一直圍繞著“打破尺寸壁壘”這個(gè)目標(biāo)前進(jìn)。采用NDIR技術(shù)的傳感器又分為雙通道和單通道測(cè)量方案，雙通道的其中一條專門做參考用，在校準(zhǔn)上有優(yōu)勢(shì)，但體積較大，上面的對(duì)比圖中就可以很明顯的看到SCD30的2條通道。一些系統(tǒng)廠商在體積的考量下不得不犧牲準(zhǔn)確性，采用單通道方案，而SCD40滿足了這部分對(duì)體積要求較高的應(yīng)用。

據(jù)悉，SCD40二氧化碳和溫濕度傳感器將于2020年上半年投入市場(chǎng)。由于目前二氧化碳傳感器的價(jià)格受材料清單（BoM）成本影響較大，而光聲傳感器得BoM成本比傳統(tǒng)紅外氣體檢測(cè)傳感器小很多，所以在不就的將來(lái)，光聲傳感器或成為二氧化碳傳感器的價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

1、完整的采用非分散紅外(NDIR)技術(shù)的氣體傳感器電路，By Robert Lee二氧化碳傳感器，Walt Kester

2、High Voltage Power Transformer Dissolved Gas Analysis, Measurement and Interpretation Techniques，By ? Norazhar Abu Bakar, Ahmed Abu Siada

3、光聲光譜法探測(cè)微量氣體，作者：王建業(yè)，紀(jì)新明，吳飛蝶，周嘉，黃宜平

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