打破CO₂传感器尺寸限制

作者:Marco Gysel,CO2传感器产品经理

Sensirion再次成为环境传感器解决方案创新先锋,推出占地仅需1平方厘米的SCD4x创新微型CO₂传感器。此次颠覆性创新以光声传感器技术为原理,尺寸降至最小的同时保证性能最优化,为更多集成和应用开辟新的空间。SCD4x具有无与伦比的高性价比,尤其适合批量生产和成本敏感应用。

随着人们的环境意识增强,不仅衣食住行方式发生变化,建筑设计也受到影响。为节约自然资源(主要用于取暖),现代房屋设计往往力求高能效。这会导致建筑越来越密闭,隔热性也比传统建筑更好。气密性高的建筑更不容易透过墙体、屋顶、窗户、裂缝等实现气流交换,从而降低室内空气质量。而室内空气质量降低又会影响人们的工作效率和健康福祉。因此,室内必须配备有效通风系统,才能保证足够的新鲜空气,从而创造健康高效的环境。由于通风系统调节和引入新风时需要大量能源,所以必须确保系统具有高能效。按需控制气流交换的通风策略能够实现这一点。

人类是室内CO₂浓度增加以及其他污染产生的主要原因。室内人数以及人类活动(如做饭、运动、娱乐)不同,对新鲜空气的要求也会随之变化。人所在的密闭建筑,CO₂浓度越高,空气质量越低。因此CO₂浓度被视为空气质量指数之一,也可作为通风系统控制参数使用——基于室内空气质量测量结果按需通风,既能保证环境健康舒适,又能实现高能效。

基于独特PASens®技术的Sensirion新款SCD4x传感器正在革新CO₂传感器市场。PASens®技术采用光声测量原理。它不同于目前常见的非分散红外技术(NDIR),传感器灵敏度与光学腔大小无关,因此可在保证传感器性能的同时将CO₂传感器尺寸减至最小。顾客得以实现灵活紧凑且性价比高的集成方式,也不会再因安装空间受限无法使用CO₂传感器。另外,由于集成电子元件数量大幅减少,传感器成本结构优化,售价也大大降低。得益于其微型尺寸和优化的成本结构,SCD4x可集成至更多新产品和大批量应用,比如紧凑型通风系统、空气交换器、风管探头,空气净化器,恒温器,空调机组和空气质量监测仪。

室内空气CO₂浓度增加影响

二氧化碳是人体代谢的主要产物之一。食物摄入后,碳水化合物、脂肪和蛋白质在氧气的作用下转化为二氧化碳,随后通过呼吸再次传递。尽管CO₂呼出后会很快稀释,但密闭空间内的CO₂浓度仍会迅速上升。尤其是研讨会区域、教室等人流量大的地方,以及汽车驾驶室等小空间,CO₂浓度可能在短短几分钟内迅速增加十倍。相对来说,大气中的CO₂浓度与位置无关,一般在400ppm左右,但在通风不足的室内也可能达到5000ppm。CO₂累积会使人体代谢更加复杂,CO2浓度达1000ppm时则可能出现困倦和注意力难以集中。

考虑到CO₂对人体代谢的特殊影响,有必要对CO₂分子进行选择性测量。针对室内 CO₂,通过红外光吸收对单个原子的相对振荡进行选择性激发较为合适。图1为大气中典型气体的不同吸收带。

图中显示,波长为4,26μm的 CO₂有一条非常明显的吸收线,且与其它气体基本不重合,因此非常适合选择性测量。与NDIR气体传感器(如Sensirion SCD30)不同,光声传感器无需检测透射光亮,而是通过光声效应间接检测气体吸收光量。光声效应一般指气体吸收光后压力增加。

被红外辐射激发的分子将振动激发转移至其它分子,从而导致平动能增加,即局部温度升高。封闭体积内,平动能增加会导致压力增加,从而被压力传感器捕捉。图2为非谐振式光声气体传感器的一般设计。

PASens®技术

光声传感器关键元件包括:由窄带红外光照射的封闭光声腔、检测光声腔压力变化的麦克风、以及与外部进行气体交换的光声池开口。宽带红外发射器发出光源,经带通滤光片后形成窄带红外光。

通过光声传感器(如SCD4x)形成信号确定CO₂浓度的原理如下:

  • 打开红外光源,释放窄带红外光照射光声腔,激发待测气体分子(本文为CO₂)振荡。
  • 一段时间后(通常为几毫秒),振荡消退,气体温度升高,压力随之上升。
  • 与气体分子振荡激发和消退的时间相比,光声腔内的压力平衡时间更短,因此可利用与光声腔相连的麦克风记录压力上升情况。
  • 10ms后,光源关闭,光声池与环境达到热平衡,温度和压力随之下降,系统回到初始状态。

为提高生成信号信噪比,以上测量操作需重复多次。因此,测试采用调制光源,产生的周期性压力变化可视为声波。与首选灯泡作为光源的SCD30不同,SCD4x选用Sensirion基于MEMS技术的光源发射器。它可以迅速调制光源,而且由于主动控制光源所以更具长期稳定性。为实现传感器微型化和避免受环境影响,所有SCD4x零部件均安装在光声池内(见图3)。

总结

Sensirion再次走在环境传感技术创新前沿,打造更健康高效的环境。SCD40打破CO₂传感器尺寸限制,继续书写SCD30的成功故事。SCD4x创新微型CO₂传感器兼具尺寸和价格优势,可集成至各种家用设备,且性能比传统NDIR传感器更优。图为可配置Sensirion创新CO₂传感器解决方案的示范应用/设备。

这项环境测量新技术突显出Sensirion在环境传感器技术领域的专业地位。SCD4x CO2传感器(即将上市)所体现出的创新水平也得到各大奖项认可,包括SensorsExpo 2019“最佳传感器”,以及入围AHR 2020贸易展“最具创新产品”和2020 AMA创新奖。

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