基于双光源发明专利技术的二氧化碳传感器

作为大气中的重要组成部分之一，CO2与人类的生产生活密不可分。由于人类活动的影响，CO2在空气中的含量已从三十年前的280ppm左右上升至约410ppm。一方面，过高的CO2浓度引起温室效应，造成全球气温逐年升高，而且室内CO2浓度过高会影响人们呼吸的舒适性甚至身体健康；另一方面，CO2在智慧农业、化工等行业中有着重要的地位，成为农业和工业生产活动中必不可少的组成部分。因此，随着社会经济的发展，对CO2浓度的监测和控制已经成为日益增长的需求，二氧化碳传感器在新风、农业、化工等行业中得到广泛的应用，对测量精度、使用寿命等指标的要求也不断提升。

检测CO2浓度的方法有很多：

1．传统的化学滴定法速度慢，精度低，已基本不再被使用；

2．半导体、电化学、电容法等均是根据CO2与化学物质产生反应后，通过电信号的变化来测量。此类方法反应快，灵敏度高，但产品寿命短，稳定性和抗干扰性差，不能满足对检测精度要求高的应用需求。

3．红外光吸收技术是基于比尔－朗伯定律，利用不同气体对红外辐射有着不同的吸收光谱，吸收强度与气体浓度有关的原理来检测CO2浓度，此方法精度高，测量范围宽，选择性和稳定性好，可实现长时间连续测量，批量生产造价低廉。

4．在红外光吸收技术的基础上发展而来的可调制激光二极管吸收光谱技术，以及气相色谱法，均能实现超高精度和超高分辨率的检测，但此类技术设备昂贵，操作复杂，基本只用于科学研究和实验中。

综上来看，二氧化碳传感器采用光学法更加适合绝大部分民用及工业安全领域的CO2测定。

基于红外光吸收技术的CO2传感器一般由红外辐射源（白炽灯或者红外LED），测量气样室，波长选择装置（滤光片），红外探测装置（如热电探测器，热电池）组成。如果气体吸收谱线在入射光谱范围内，那么红外辐射透过被测气体后，在相应谱线处就会发生能量的衰减，未被吸收的辐射被探头测出，通过测量该谱线处能量的衰减量来得知被测气体浓度。由于红外光源不是来自复合光的分离，因此该技术也称为非分光红外技术（NDIR）。CO2的吸收光谱中，在4．26μm的波长处吸收率最高，而且空气中其他气体如水蒸气，NOx，SO2等成分的吸收光谱中，在此波长处几乎不吸收，因此以4．26μm作为检测波长，检测更容易实现。

NDIR技术可分为直接检测法（单通道）和差分法（双通道）两大类，直接检测法的基本组成如下：

基于该系统的单通道二氧化碳传感器，由一个红外光源，一个检测气室，一个滤波片，一个红外探测器以及其他相应的光路和电路系统组成。这种单通道结构的二氧化碳传感器，结构简单，成本低廉，但容易受其他因素的干扰，特别是光源老化或者工作环境变化造成发出的红外光原始信号变化，造成基线漂移，因此需要在使用过程中寻找合适的环境定期校准。

差分检测法实现的方式有很多种，当前使用较多的是单光源双光路法，其基本组成如下：

四方光电的双通道二氧化碳传感器，由一个红外光源，一个检测气室，两个滤波片，两个红外探测器以及其他相应的光路和电路系统组成。这种双通道结构的二氧化碳传感器，除了有一个检测通道波长，另外还有一个参照通道波长（不被CO2吸收）的红外光通过滤光片。参照通道到达探测器的红外光强度不随CO2浓度而变化，通过对比两通道的信号强度来折算CO2浓度。该方法中避免了原始光信号变化的干扰，基线漂移极少，精度高，但相比直接检测法的单通道二氧化碳传感器，多了一个成本较高的红外探测器和滤光片，因此用户需要支付的成本更高，一般推荐给没有新鲜空气进行自校准的使用场景，比如细胞培养箱，蘑菇房，管道测量等，而一般的家用住宅，商用楼宇，由于一段时间内房间内的空气会进行置换，二氧化碳传感器具有自校准的条件，所以没必要给客户推荐更昂贵的双通道二氧化碳传感器。这里往往很多二氧化碳传感器的商家喜欢用精度更高来误导用户，选择了错误的产品。

四方光电基于多年NDIR技术的积累，创新性的开发出一款既具备双通道二氧化碳传感器的精度性能表现，又对标单通道二氧化碳传感器价格的双光源二氧化碳传感器－CM1109．，其开创性主要为基于双光源的光路设计，差分补偿技术，以及与已掌握的温湿度修正算法的有效结合。

四方光电的双光源二氧化碳传感器，由两个光源，一个检测气室，一个滤光片，一个红外探测器以及其他相应的光路和电路系统组成，两个光源交替工作，红外探测器交替接收来自两光源的信号。其中工作通道光源发出的红外光在气室中被CO2吸收后，经滤光片到达红外探测器；参照通道的光源离滤波片很近，其发出的红外光基本不被吸收而衰减，通过两通道的信号强度折算CO2浓度。

双光源NDIR技术相比直接检测法，因为有参照通道，因此基线漂移极小，精度高；相比常规的双波长差分法，减少了一个滤波片和一个红外探测器，实现了产品性能和成本的高度融合。基于双光源发明专利技术的二氧化碳传感器－CM1109的成功量产，是四方光电多年坚持不断创新研发的努力结果。

fqj