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為什么我一個人在工作的時候精神抖擻，但是大家一起在會議室開會就困得不行呢？

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穩定天然氣報警器，其中氧氣占21%，二氧化碳占0.03%。二氧化碳本身雖沒有毒性，但當空氣中二氧化碳含量超過正常含量時，便會影響人們的體感和行為。

二氧化碳濃度對人的影響

得益于新能源標準和更好的隔熱效果，樓宇正變得越來越節能，但代價是其內部的空氣質量加速惡化。現代人長期處于密閉的空調房內辦公，呼吸時吸入氧氣呼出二氧化碳，如果空調系統沒有對二氧化碳濃度進行監控，不能及時開啟通風換氣功能，那么隨著空氣中二氧化碳濃度的增高，氧氣含量也會相應減少，缺氧將引發嗜睡、注意力下降及頭疼等問題。

二氧化碳對人類健康水平和生產力的影響。根據紐約時報的測試，在密閉空間內，二氧化碳濃度越高，測試者的表現就越差，在濃度達到2500ppm時，他們的成績通常比在1000ppm時低得多。（Source：sensirion）

目前，國內外的室內空氣質量標準都把二氧化碳列入為重點管制的污染物，它的濃度高低已成為評價室內空氣質量好壞的關鍵指標。

因此對室內，特別是人員集中的密閉室內進行二氧化碳濃度的實時監測非常有必要。將二氧化碳傳感器集成在室內空氣質量監測儀、空氣凈化器或智能溫控器中，作為新風機和智能通風系統的觸發器，能在很大程度上確保人們的舒適度健康水平和生產力，且不影響建筑物的能源效率。

非分散紅外氣體檢測

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

這種技術常用于檢測氣體和碳氧化物（例如一氧化碳和二氧化碳），其原理是利用一個紅外光束穿過采樣腔，樣本中的各氣體組分吸收特定頻率的紅外線。通過測量相應頻率的紅外線吸收量，便可確定該氣體組分的濃度。之所以說這種技術是非分散的，是因為穿過采樣腔的波長未經預先濾波；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之外的所有光線。比如一款針對二氧化碳檢測的傳感器，如果采用了幾種不同的濾光器和熱電堆之后，就可精確測量多種氣體的濃度。注1

很多氣體的正負電荷中心瞬態或穩態不重合。在紅外頻譜，氣體可吸收特定頻率，這種特性可以用來進行氣體分析。當紅外輻射射入氣體中，并且當分子的自諧振頻率與紅外波長相匹配時二氧化碳傳感器，氣體分子會根據原子的能級躍遷而與入射紅外線產生諧振。

對于大部分紅外氣體檢測應用而言，目標氣體的成分是已知的，因此不需要氣相色譜分析。然而，如果不同氣體的吸收線重疊，那么系統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數據庫）

比如在波長為3000 nm以下乙炔報警器，以及4500 nm和8000 nm之間時，水具有較強的吸收性，而二氧化碳在4200 nm和4320 nm之間也存在吸收峰值，那么一旦目標氣體中有水分（濕氣），且濃度較高的話，檢測氣體之間就會出現吸收頻譜重疊，結果會受到較強的干擾。

二氧化碳與水的吸收頻譜重疊（source：HITRAN數據庫）

在這也是NDIR技術用于氣體檢測的一個缺點，有沒有其他技術能夠彌補？

聲光傳感氣體檢測

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品管理團隊主管EThel Stromereder博士在接受《電子工程是專輯》采訪時表示，NDIR和光聲傳感的檢測原理是不一樣的。

光聲傳感其實也是一項成熟的技術，其原理已經推出幾十年，但到目前為止都只在昂貴的實驗室規模儀器中使用。近年來，半導體激光器工藝發展成熟，基于光聲光譜分析技術檢測氣體成為研究熱門。它具有高檢測靈敏度，快時間響應，可連續實時監測，小體積，可實現多組分氣體等優業，被廣泛應用于石化分析、空氣污染檢測、煤礦瓦斯濃度監測、變壓器油中溶解氣體分析、醫學呼出氣體診斷等領域。

光聲傳感的原理是基于氣體的光聲效應，通過選擇特定光源以及聲波探測設備（如麥克風）實現對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、探測器以及外圍電路。在光學方面與NDIR類似，都是根據不同氣體對光有不同的吸收光譜特性，再通過控制濾波器的波長來實現高選擇性，以及多組分探測。

常見的光聲傳感氣體檢測傳感器系統功能圖（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，氣體受熱膨脹，從而檢測到光聲信號，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，則無需密封腔室，且起到共振放大的作用。通過調制光源照射頻率使其與聲波在腔室中傳輸的本征頻率重合形成共振，這樣可以將光聲信號進行共振放大。由于諧振式光聲腔的實用性、易操作、靈敏度高等特點，一般采用共振式光聲腔。注3

NDIR技術與PAS技術的對比（Source：Sensirion）

“NDIR的原理是靠一個脈沖光源和一個探測器，光源和探測器之間如果發生任何偏移的話，這個信號就沒有辦法擊中探測器，可能就會出現一些偏差。但是光聲原理就很簡單，有一個調制光源，氣體分子在吸收特定波長光時產生周期性熱膨脹，從而引起微弱的聲壓波，采用麥克風來探測聲壓波的漲落來判斷氣體濃度。” EThel說到，“在我們的實驗中沒有發現這個過程會受到其它外在氣體或者噪聲的影響，所以目前來看它的效果比NDIR更好。但是未來我們還會去做更多的實際檢測，收集更多的數據。”

盛思銳大中華區總經理李錦華補充道：”NDIR并不是不好，只是我們精通NDIR，所以知道它的缺點，也知道要怎樣去修正這個缺點，然后給客戶更好的產品。NDIR是很成熟的技術，但它有一些缺點沒辦法滿足客戶的要求，需要用光聲技術去實現。”

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。由于利用光聲學傳感原理，在不影響傳感器性能的前提下，SCD40光學共振腔的尺寸得以大幅度減小。此外據李錦華介紹二氧化碳傳感器，SCD40除了能檢測二氧化碳，還集成了濕度和溫度傳感器，實現兩個額外的傳感器輸出。

前代產品SCD30（左，35*23mm，元件數量約35）與SCD40 樣品（10*10mm，元件數量小于15）實物對比圖（Source：EETimes China攝）

兩代產品的體積、價格上的差距，會不會帶來市場定位上的不同？對此EThel表示，“SCD30推出已有1年多，在市場上有著很高贊譽度和接受度，所以盛思銳目前還會繼續在市場中推廣它。而SCD40是一款新產品，目標是在降低價格和縮小尺寸的基礎上，維持同樣的性能，延續我們既有的市場策略。這兩款產品都面向所有既有市場，沒有具體差異化的細分。”

其實從其他競爭對手的產品演化史來看，二氧化碳傳感器的演變一直圍繞著“打破尺寸壁壘”這個目標前進。采用NDIR技術的傳感器又分為雙通道和單通道測量方案，雙通道的其中一條專門做參考用，在校準上有優勢，但體積較大，上面的對比圖中就可以很明顯的看到SCD30的2條通道。一些系統廠商在體積的考量下不得不犧牲準確性，采用單通道方案，而SCD40滿足了這部分對體積要求較高的應用。

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

參考文獻：

1、完整的采用非分散紅外(NDIR)技術的氣體傳感器電路，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、光聲光譜法探測微量氣體，作者：王建業，紀新明，吳飛蝶，周嘉，黃宜平

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