基於雙光源發明專利技術的二氧化碳傳感器

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基於雙光源發明專利技術的二氧化碳傳感器

火花 發表於 2020-11-26 12:37:40

作為大氣中的重要組成部分之一，CO2與人類的生產生活密不可分。由於人類活動的影響，CO2在空氣中的含量已從三十年前的280ppm左右上升至約410ppm。一方面，過高的CO2濃度引起溫室效應，造成全球氣溫逐年升高，而且室內CO2濃度過高會影響人們呼吸的舒適性甚至身體健康；另一方面，CO2在智慧農業、化工等行業中有著重要的地位，成為農業和工業生產活動中必不可少的組成部分。因此，隨著社會經濟的發展，對CO2濃度的監測和控制已經成為日益增長的需求，二氧化碳傳感器在新風、農業、化工等行業中得到廣泛的應用，對測量精度、使用壽命等指標的要求也不斷提升。

檢測CO2濃度的方法有很多：

1．傳統的化學滴定法速度慢，精度低，已基本不再被使用；

2．半導體、電化學、電容法等均是根據CO2與化學物質產生反應後，通過電信號的變化來測量。此類方法反應快，靈敏度高，但產品壽命短，穩定性和抗幹擾性差，不能滿足對檢測精度要求高的應用需求。

3．紅外光吸收技術是基於比爾－朗伯定律，利用不同氣體對紅外輻射有著不同的吸收光譜，吸收強度與氣體濃度有關的原理來檢測CO2濃度，此方法精度高，測量範圍寬，選擇性和穩定性好，可實現長時間連續測量，批量生產造價低廉。

4．在紅外光吸收技術的基礎上發展而來的可調製雷射二極體吸收光譜技術，以及氣相色譜法，均能實現超高精度和超高解析度的檢測，但此類技術設備昂貴，操作複雜，基本只用於科學研究和實驗中。

綜上來看，二氧化碳傳感器採用光學法更加適合絕大部分民用及工業安全領域的CO2測定。

基於紅外光吸收技術的CO2傳感器一般由紅外輻射源（白熾燈或者紅外LED），測量氣樣室，波長選擇裝置（濾光片），紅外探測裝置（如熱電探測器，熱電池）組成。如果氣體吸收譜線在入射光譜範圍內，那麼紅外輻射透過被測氣體後，在相應譜線處就會發生能量的衰減，未被吸收的輻射被探頭測出，通過測量該譜線處能量的衰減量來得知被測氣體濃度。由於紅外光源不是來自複合光的分離，因此該技術也稱為非分光紅外技術（NDIR）。CO2的吸收光譜中，在4．26μm的波長處吸收率最高，而且空氣中其他氣體如水蒸氣，NOx，SO2等成分的吸收光譜中，在此波長處幾乎不吸收，因此以4．26μm作為檢測波長，檢測更容易實現。

NDIR技術可分為直接檢測法（單通道）和差分法（雙通道）兩大類，直接檢測法的基本組成如下：

基於該系統的單通道二氧化碳傳感器，由一個紅外光源，一個檢測氣室，一個濾波片，一個紅外探測器以及其他相應的光路和電路系統組成。這種單通道結構的二氧化碳傳感器，結構簡單，成本低廉，但容易受其他因素的幹擾，特別是光源老化或者工作環境變化造成發出的紅外光原始信號變化，造成基線漂移，因此需要在使用過程中尋找合適的環境定期校準。

差分檢測法實現的方式有很多種，當前使用較多的是單光源雙光路法，其基本組成如下：

四方光電的雙通道二氧化碳傳感器，由一個紅外光源，一個檢測氣室，兩個濾波片，兩個紅外探測器以及其他相應的光路和電路系統組成。這種雙通道結構的二氧化碳傳感器，除了有一個檢測通道波長，另外還有一個參照通道波長（不被CO2吸收）的紅外光通過濾光片。參照通道到達探測器的紅外光強度不隨CO2濃度而變化，通過對比兩通道的信號強度來折算CO2濃度。該方法中避免了原始光信號變化的幹擾，基線漂移極少，精度高，但相比直接檢測法的單通道二氧化碳傳感器，多了一個成本較高的紅外探測器和濾光片，因此用戶需要支付的成本更高，一般推薦給沒有新鮮空氣進行自校準的使用場景，比如細胞培養箱，蘑菇房，管道測量等，而一般的家用住宅，商用樓宇，由於一段時間內房間內的空氣會進行置換，二氧化碳傳感器具有自校準的條件，所以沒必要給客戶推薦更昂貴的雙通道二氧化碳傳感器。這裡往往很多二氧化碳傳感器的商家喜歡用精度更高來誤導用戶，選擇了錯誤的產品。

四方光電基於多年NDIR技術的積累，創新性的開發出一款既具備雙通道二氧化碳傳感器的精度性能表現，又對標單通道二氧化碳傳感器價格的雙光源二氧化碳傳感器－CM1109．，其開創性主要為基於雙光源的光路設計，差分補償技術，以及與已掌握的溫溼度修正算法的有效結合。

四方光電的雙光源二氧化碳傳感器，由兩個光源，一個檢測氣室，一個濾光片，一個紅外探測器以及其他相應的光路和電路系統組成，兩個光源交替工作，紅外探測器交替接收來自兩光源的信號。其中工作通道光源發出的紅外光在氣室中被CO2吸收後，經濾光片到達紅外探測器；參照通道的光源離濾波片很近，其發出的紅外光基本不被吸收而衰減，通過兩通道的信號強度折算CO2濃度。

雙光源NDIR技術相比直接檢測法，因為有參照通道，因此基線漂移極小，精度高；相比常規的雙波長差分法，減少了一個濾波片和一個紅外探測器，實現了產品性能和成本的高度融合。基於雙光源發明專利技術的二氧化碳傳感器－CM1109的成功量產，是四方光電多年堅持不斷創新研發的努力結果。

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