二氧化碳传感器的种类、机制、原理、评估和用途

　　CO2(二氧化碳、Carbon dioxide)在室温下是无色无味的气体，通过人类和动物的呼吸作用以及有机物的燃烧释放到空气中，并通过植物的光合作用被消耗。在不知不觉中，CO2对人的生活、生产、以及生存环境产生着很大的影响，我们该怎样利用和管理CO2呢?

　　CO2的影响

　　更确切地来说，是CO2的浓度对人体和环境会产生影响。

　　CO2浓度及其对人体的影响

　　大气或者人们生存空间中的二氧化碳浓度通常不会对人体产生明显的影响，但是，干冰和灭火器中使用了CO2，但如果使用不当，导致空气中的CO2(二氧化碳)浓度过高，就会产生二氧化碳中毒的危险。

　　下表显示室外空气中二氧化碳的平均浓度约为400ppm，通风良好居住环境CO2浓度在400-1000ppm，超过1000ppm环境中人类即会开始感受不适。根据美国劳工部职业安全与健康管理局的指导方针，5000ppm是工作场所日常接触的允许限值浓度，此时空气中可能存在除CO2以外的其他高浓度气体的异常空气状态，可能导致中毒或缺氧。

　　CO2 对全球变暖的影响

　　人们认为全球变暖是CO2、甲烷、一氧化二氮和氟利昂气体等温室气体增加造成的，其中CO2的影响超大。为了遏制全球变暖、维护人类社会和自然环境，减少CO2排放量已成为亟待解决的重大课题。

　　CO2利用和管理：浓度测量是关键

　　日本厚生劳动省提醒人们注意，良好的通风标准是将室内CO2浓度(二氧化碳浓度)保持在1000ppm以下，在住宅和办公室等人员密集的室内空间需要经常通风。

　　为了控制CO2浓度(二氧化碳浓度)，适当的通风和使用CO2传感器进行管理非常有效，从测量精度的角度来看，建议使用NDIR方式的CO2传感器。

　　另一方面，植物通过光合作用消耗CO2，封闭的农业温室内容易变为CO2不足的环境。通过使用CO2气体发生装置和CO2传感器来控制温室内的CO2浓度(二氧化碳浓度)并推进作物生长，有望提高产量并改进质量。

　　什么是CO2传感器?

　　CO2 传感器是一种检测和测量大气中 CO2浓度(二氧化碳浓度)并将测量结果数值化的设备。由于各国出台了减少温室气体排放量的法规并努力实施，CO2传感器已被引入到多个行业。本文对一些CO2传感器的机制和原理进行相关介绍。

　　目前常用的CO2检测方法有以下三种。其中非分散红外吸收法(NDIR)传感器配置有几种典型的形式。

　　NDIR(非分散红外吸收法)

　　放射的红外线引起对象气体分子振动时，特定波长的红外线会被吸收。NDIR(Non-Dispersive InfraRed)非分散红外吸收法，即是利用这种现象来检测气体的方法。红外线的透射率(透射光强度与来自放射源的放射光强度之比)由对象气体的浓度决定。

　　1个光源、1条光路、1个滤波器、1个元件的方式的NDIR传感器(上图)：

　　该方式的特点是构成简单、尺寸超小且具有成本优势。需要吸入已知浓度的混合气体或空气并将其作为传感器的参照物进行参照，传感器和参照物之间的漂移可能会成为问题。因此需要定期进行校正。

　　1个光源、2条光路、2个滤波器、2个元件的方式的NDIR传感器(上图)：

　　该方式配备了两种光学滤波器，通过测量穿过每个滤波器的红外线量，可以准确测量CO2浓度。其中一个传感滤波器具有特别能吸收CO2的波长，另一个传感滤波器(即参照物滤波器)具有不吸收CO2的波长。为这两个滤波器分别设置一个传感器元件，根据CO2吸收波长和不吸收波长之间的透射量差异来计算浓度。

　　其优点是内置参照物，不需要进行大气校正，缺点是有两个光路和两个传感器元件，它们的劣化程度不同会产生差异(漂移)。

　　1个光源、1条光路、2个滤波器、1个元件的方式的NDIR传感器(上图)：

　　该方式的检测原理与前述的1个光源、2条光路、2个滤波器、2个元件的方式类似，将光源、光路、传感元件合而为一，通过移动两个滤波器进行切换。通过该方法消除由于光路和2个传感器元件的劣化程度不同而引起的漂移(即1个光源、2条光路、2个滤波器、2个元件的方式的缺点)来提高精度。

　　PAS光声光谱法

　　PAS(PhotoAcoustic Spectroscop)光声光谱法的工作原理是让红外光源发出的光脉冲通过波长已被调整为与CO2的吸收波长一致的光学滤波器，测量室中的CO2分子吸收通过滤波器后的光，导致分子随着每个脉冲振动并产生压力波，这些压力波由高灵敏度麦克风检测以获得光谱。光声光谱法的特点是可以实现小型化。

　　TCD热导检测器

　　TCD(Thermal Conductivity Detector)热导检测器利用气体固有的热导率差异对气体浓度进行测量的方法。通过使用了铂金加热丝等的热丝式传感器，将样品气体热导率变化所引起的温度变化作为电阻的变化进行检测，并测量样品气体中的测量成分气体的浓度。为了提高传感精度，通常使用将4个热传感器组合后的桥式电路(下图)。

　　CO2传感器评估

　　评估CO2传感器包括确认二氧化碳传感器的准确性和可靠性，并对传感器进行校准。

　　确认二氧化碳传感器的准确性

　　确认CO2传感器准确性的超简单方法是确认在室外测量CO2浓度时的测量值是否接近415ppm至450ppm。更为准确的确认方法是将CO2传感器放入充满CO2浓度已知的气体的室内，确认是否能测出已知的数值。在这种情况下，将比正在评估的CO2传感器的精度更高的CO2传感器作为参照物一起进行测量并将二者的测量结果进行比较非常有效。

　　关于CO2传感器的可靠性

　　所需的可靠性因应用而异。

　　在被认为特别严格的农业用途中，会在高温高湿的环境中长时间使用，有时还会在出现结露的环境中使用。

　　此外，为了预防作物病害和提高质量，有时还会用于硫磺熏蒸环境中，这对电子设备来说是比较恶劣的环境。

　　CO2传感器校正

　　1个光源、1条光路、1个滤波器、1个元件的NDIR方式需要大气校正，这需要将实际的CO2传感器带到大气中或使用管子将空气输送到传感器附近。

　　刚校正完毕时数值正确，但可能会逐渐出现偏差。内置参照物的方式不需要校正，因此减少了校正所花费的维护时间和费用。比如村田的NDIR方式CO2传感器采用了利用参考光的自动校正方式，为校正实现了免维护(已获专利)。即使在校正困难的地方也非常适合用于长期、连续测量CO2浓度。

　　有关村田CO2传感器的特点和优势，以及村田专有的双波长校正方法如何解决校正难题，我们将以后为读者做详细介绍。

　　CO2传感器的用途

　　CO2传感器用途丰富，包括推进农业上的光合作用、控制居住空间和建筑物的空调、管理车内空气质量以及检测冰箱的制冷剂泄漏等(下图)。传感器方式根据精度、可靠性、耐环境性、免校正、尺寸、价格和输出接口等每种应用的要求事项进行选择。

　　传感器方式根据精度、可靠性、耐环境性、免校正、尺寸、价格和输出接口等每种应用的要求事项进行选择。

　　有些应用需要小型和较低的价格，而其他应用则需要传感器免校正、长期保持准确且不容易发生故障。