为什么我一个人工作的时候精力充沛，而当大家在会议室开会的时候我却很困？

这可能是一个二氧化碳 (CO2) 罐。 大气中氧气和二氧化碳的含量比较稳定，氧气占21%，二氧化碳占0.03%。 虽然二氧化碳本身无毒，但当空气中二氧化碳含量超过正常水平时，就会影响人们的身体感知和行为。

二氧化碳浓度对人体的影响

由于新的能源标准和更好的隔热性能，建筑物变得更加节能，但代价是建筑物内的空气质量加速恶化。 现代人长期在密闭的空调房间里工作，呼吸时吸入氧气，呼出二氧化碳，如果空调系统没有监测二氧化碳浓度，不能及时开启通风功能，那么空气中二氧化碳的浓度增加，氧气的含量也会增加。 相应减少，缺氧就会引起困倦、注意力下降和头痛等问题。

二氧化碳对人类健康和生产力的影响。 根据《纽约时报》的测试，密闭空间内二氧化碳浓度越高，测试人员的表现就越差，在 2,500 ppm 时，他们的得分通常比 1,000 ppm 时低得多。 （来源：）

目前，国内外室内空气质量标准均将二氧化碳列为重点污染物，其浓度已成为评价室内空气质量的关键指标。

因此，实时监测室内二氧化碳浓度非常有必要，尤其是在人员集中的密闭房间内。 将二氧化碳传感器集成在室内空气质量监测仪、空气净化器或智能恒温器中，作为新风机和智能通风系统的触发器，可以在很大程度上保证人们的舒适度、健康和生产力，而不影响建筑物的能源效率。

非色散红外气体检测

传统的二氧化碳传感器一般采用非色散红外技术（Non-NDIR），也称为红外气体测量传感或非色散红外技术。

该技术通常用于检测气体和碳氧化物（例如一氧化碳和二氧化碳），其工作原理是让红外光束穿过采样室，样品中的每种气体成分都会吸收特定频率的红外光。 通过测量相应频率的红外吸收，即可测定气体成分的浓度。 该技术被认为是非色散的，因为穿过样品腔的波长没有被预先过滤。 相反，如果在检测器之前放置滤光片，那么除了被选定气体分子吸收的波长之外的所有光都可以被滤除。 例如，如果使用几种不同的光学滤波器和热电堆，用于二氧化碳检测的传感器可以准确测量各种气体的浓度。 注1

许多气体的正电荷中心和负电荷中心不会瞬时或稳定地重合。 在红外光谱中，气体吸收特定频率，这一特性可用于气体分析。 当红外辐射注入气体中，当分子的自谐振频率与红外波长相匹配时，气体分子根据原子的能级跃迁与入射的红外线发生谐振。

对于大多数红外气体检测应用，目标气体的成分已知，因此不需要 GC 分析。 然而，如果不同气体的吸收线重叠，那么系统必须处理这些气体之间的相互干扰。

二氧化碳的吸收光谱（来源：HITRAN数据库）

例如，当波长在3000nm以下，4500nm到8000nm之间时，水有较强的吸收，二氧化碳在4200nm到4320nm之间也有吸收峰，那么一旦目标中有水分（湿度）气体（gas），如果浓度高，被检测气体的吸收光谱会重叠，产生较强的干扰。

二氧化碳和水的吸收光谱重叠（来源：HITRAN数据库）

这也是NDIR技术用于气体检测的缺点。 有其他技术可以弥补吗？

声光传感器气体检测

日前，瑞士传感器制造商宣布推出基于光声传感（PAS）原理的二氧化碳和温湿度传感器SCD40，希望能够解决这一问题。 气体传感器产品管理团队总监Michel博士在接受《电子工程》采访时表示，NDIR和光声传感的检测原理不同。

光声传感是一项成熟的技术，其原理已为人所知数十年，但迄今为止仅用于昂贵的实验室规模仪器。 近年来，半导体激光技术日趋成熟，基于光声光谱分析技术的气体检测成为研究热点。 具有检测灵敏度高、时间响应快、连续实时监测、体积小、可实现多组分气体等优点。 广泛应用于石油化工分析、空气污染检测、煤矿瓦斯浓度监测、变压器油中溶解气体分析等。 、呼出气体诊断等领域。

光声传感的原理是基于气体的光声效应，通过选择特定的光源和声波检测设备（如麦克风）可以实现对一种或多种气体的高灵敏度传感。 一般由光源、滤光片、光声池、麦克风、探测器及外围电路几部分组成。 在光学方面与NDIR类似，它是根据不同气体对光的不同吸收光谱特性，然后通过控制滤光片的波长来实现高选择性和多组分检测。

常见光声传感气体检测传感器系统功能图（来源：）注2

通常，光声腔分为两类：非共振光声腔和共振光声腔。 非谐振光声腔体密封在腔体内，气体受热膨胀，从而检测光声信号。 此类光声腔需要密封，灵敏度较低。 谐振光声腔的原理是声波在腔内传播。 如果声波能在腔体内共振形成驻波，则不需要密封腔体，起到共振放大的作用。 通过调制光源的照射频率，使其与腔室内传播的声波的本征频率一致，形成共振，可以共振放大光声信号。 由于谐振光声腔实用、操作方便、灵敏度高，所以一般采用谐振光声腔。 注3

NDIR技术与PAS技术对比（来源：）

“NDIR的原理依赖于脉冲光源和探测器。如果光源和探测器之间有任何偏差，信号将无法击中探测器，可能会出现一些偏差。但光声原理是很简单，简单，有一个调制光源，气体分子在吸收特定波长的光时产生周期性热膨胀，从而产生微弱的声压波，用麦克风检测声压波的波动来确定气体浓度。” 说，“在我们的实验中，我们没有发现这个过程会受到其他外部气体或噪音的影响，所以目前它比NDIR要好。但未来，我们会做更多的实际检测，收集更多的数据。” ”

盛思锐大中华区总经理李金华补充道：“NDIR还不错，但是我们精通NDIR，所以我们知道它的缺点以及如何纠正它们，然后为客户提供更好的产品。NDIR技术非常成熟。”但它有一些缺点，不能满足客户的要求，所以需要用光声技术来实现。”

最小的二氧化碳传感器

SCD40仅约1立方厘米（10mm x 10mm x 7 mm），比上一代SCD30小五倍。 由于采用光声传感原理，SCD40光学谐振腔的尺寸可以大大减小，而不影响传感器的性能。 此外，据李金华介绍，SCD40除了检测二氧化碳外，还集成了湿度和温度传感器，实现了额外的两路传感器输出。

上一代产品SCD30（左，35*23mm，元件数量约35个）与SCD40样品（10*10mm，元件数量少于15个）实物对比图（来源：EETimes China 摄）

两代产品尺寸和价格的差异是否会带来市场定位的差异？ 对此，Michel表示，“SCD30已经推出一年多了，在市场上有很高的好评度和接受度，因此将继续在市场上推广它。SCD40是一款新产品，目标是在降低价格和缩小尺寸的基础上，我们保持相同的性能并继续我们现有的市场策略。这两款产品都针对所有现有市场，没有特定的差异化细分市场。”

事实上，从其他竞争对手的产品演进历史来看，二氧化碳传感器的演进一直围绕着“打破尺寸壁垒”的目标推进。 采用NDIR技术的传感器分为双通道和单通道测量解决方案。 其中双通道之一专门用于参考，在校准方面具有优势，但尺寸较大。 您可以在上面的对比图中清楚地看到SCD30。 2 个频道。 一些系统制造商出于体积考虑不得不牺牲精度而采用单通道解决方案，而SCD40满足了这些对体积要求较高的应用。

据悉，SCD40二氧化碳和温湿度传感器将于2020年上半年投放市场。由于目前二氧化碳传感器的价格受物料清单（BoM）成本影响较大，且光声传感器的BoM成本远小于传统红外气体检测传感器，光声传感器可能在不久的将来成为二氧化碳传感器的价格标准。 。

参考：

1. 采用非色散红外 (NDIR) 技术的完整气体传感器电路，作者：Robert Lee、Walt Kester

2. 高压电力燃气 ，作者：Abu Bakar, Ahmed Abu Siada

3. 光声光谱检测痕量气体，作者：王建业、季新明、吴飞蝶、周佳、黄一平