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非分散红外 Vs. 光声传感:哪种二氧化碳传感器好?

2019-08-02 刘于苇 阅读:
传统的二氧化碳传感器一般采用非分散红外技术(Non-Dispersive Infrared, NDIR),也称为红外气体测量感应或无弥散红外线技术。其原理是利用样本中的各气体组分吸收特定频率的红外线,通过测量相应频率的红外线吸收量,确定该气体组分的浓度。但这种技术的传感器体积较大,于是又有了以光声传感(Photoacoustic,PAS)原理为基础的气体检测技术,可在不影响检测精度的情况下,将传感器体积缩小5倍……
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为什么我一个人在工作的时候精神抖擞,但是大家一起在会议室开会就困得不行呢?wcGEETC-电子工程专辑

这恐怕是二氧化碳(CO2)的锅。大气中氧气和二氧化碳的含量相对稳定,其中氧气占21%,二氧化碳占0.03%。二氧化碳本身虽没有毒性,但当空气中二氧化碳含量超过正常含量时,便会影响人们的体感和行为。wcGEETC-电子工程专辑

二氧化碳浓度对人的影响

得益于新能源标准和更好的隔热效果,楼宇正变得越来越节能,但代价是其内部的空气质量加速恶化。现代人长期处于密闭的空调房内办公,呼吸时吸入氧气呼出二氧化碳,如果空调系统没有对二氧化碳浓度进行监控,不能及时开启通风换气功能,那么随着空气中二氧化碳浓度的增高,氧气含量也会相应减少,缺氧将引发嗜睡、注意力下降及头疼等问题。wcGEETC-电子工程专辑
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二氧化碳对人类健康水平和生产力的影响。根据纽约时报的测试,在密闭空间内,二氧化碳浓度越高,测试者的表现就越差,在浓度达到2500ppm时,他们的成绩通常比在1000ppm时低得多。(Source:sensirion)wcGEETC-电子工程专辑

目前,国内外的室内空气质量标准都把二氧化碳列入为重点管制的污染物,它的浓度高低已成为评价室内空气质量好坏的关键指标。wcGEETC-电子工程专辑
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因此对室内,特别是人员集中的密闭室内进行二氧化碳浓度的实时监测非常有必要。将二氧化碳传感器集成在室内空气质量监测仪、空气净化器或智能温控器中,作为新风机和智能通风系统的触发器,能在很大程度上确保人们的舒适度健康水平和生产力,且不影响建筑物的能源效率。wcGEETC-电子工程专辑

非分散红外气体检测

传统的二氧化碳传感器一般采用非分散红外技术(Non-Dispersive Infrared, NDIR),也称为红外气体测量感应或无弥散红外线技术。wcGEETC-电子工程专辑

这种技术常用于检测气体和碳氧化物(例如一氧化碳和二氧化碳),其原理是利用一个红外光束穿过采样腔,样本中的各气体组分吸收特定频率的红外线。通过测量相应频率的红外线吸收量,便可确定该气体组分的浓度。之所以说这种技术是非分散的,是因为穿过采样腔的波长未经预先滤波;相反地,如果光滤波器位于检波器之前,那么便可以滤除选定气体分子能够吸收的波长之外的所有光线。比如一款针对二氧化碳检测的传感器,如果采用了几种不同的滤光器和热电堆之后,就可精确测量多种气体的浓度。注1wcGEETC-电子工程专辑

很多气体的正负电荷中心瞬态或稳态不重合。在红外频谱,气体可吸收特定频率,这种特性可以用来进行气体分析。当红外辐射射入气体中,并且当分子的自谐振频率与红外波长相匹配时,气体分子会根据原子的能级跃迁而与入射红外线产生谐振。wcGEETC-电子工程专辑

对于大部分红外气体检测应用而言,目标气体的成分是已知的,因此不需要气相色谱分析。然而,如果不同气体的吸收线重叠,那么系统就必须处理这些气体之间的相互干扰wcGEETC-电子工程专辑
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二氧化碳的吸收频谱(source:HITRAN数据库)wcGEETC-电子工程专辑

比如在波长为3000 nm以下,以及4500 nm和8000 nm之间时,水具有较强的吸收性,而二氧化碳在4200 nm和4320 nm之间也存在吸收峰值,那么一旦目标气体中有水分(湿气),且浓度较高的话,检测气体之间就会出现吸收频谱重叠,结果会受到较强的干扰。wcGEETC-电子工程专辑
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二氧化碳与水的吸收频谱重叠(source:HITRAN数据库)wcGEETC-电子工程专辑

在这也是NDIR技术用于气体检测的一个缺点,有没有其他技术能够弥补?wcGEETC-电子工程专辑

声光传感气体检测

日前,瑞士传感器制造商盛思锐(Sensirion)宣布推出以光声传感(photoacoustic,PAS)原理为基础的二氧化碳和温湿度传感器SCD40, 寄望解决这一问题。盛思锐气体传感器产品管理团队主管Michel Stromereder博士在接受《电子工程是专辑》采访时表示,NDIR和光声传感的检测原理是不一样的。wcGEETC-电子工程专辑

光声传感其实也是一项成熟的技术,其原理已经推出几十年,但到目前为止都只在昂贵的实验室规模仪器中使用。近年来,半导体激光器工艺发展成熟,基于光声光谱分析技术检测气体成为研究热门。它具有高检测灵敏度,快时间响应,可连续实时监测,小体积,可实现多组分气体等优业,被广泛应用于石化分析、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、医学呼出气体诊断等领域。wcGEETC-电子工程专辑

光声传感的原理是基于气体的光声效应,通过选择特定光源以及声波探测设备(如麦克风)实现对某种或多种气体的高灵敏度传感。一般由几部分组成:光源、滤光器、光声池、传声器、探测器以及外围电路。在光学方面与NDIR类似,都是根据不同气体对光有不同的吸收光谱特性,再通过控制滤波器的波长来实现高选择性,以及多组分探测。wcGEETC-电子工程专辑

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常见的光声传感气体检测传感器系统功能图(source:semanticscholar)注2wcGEETC-电子工程专辑

一般光声腔分两类:非谐振式光声腔和谐振式光声腔。非谐振式光声腔是将其体密封在腔室内,气体受热膨胀,从而检测到光声信号,此类光声腔需要密封且灵敏度低。谐振式光声腔的原理是声波在腔体中传输,若声波能在腔室中谐振形成驻波,则无需密封腔室,且起到共振放大的作用。通过调制光源照射频率使其与声波在腔室中传输的本征频率重合形成共振,这样可以将光声信号进行共振放大。由于谐振式光声腔的实用性、易操作、灵敏度高等特点,一般采用共振式光声腔。注3wcGEETC-电子工程专辑

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NDIR技术与PAS技术的对比(Source:Sensirion)wcGEETC-电子工程专辑

“NDIR的原理是靠一个脉冲光源和一个探测器,光源和探测器之间如果发生任何偏移的话,这个信号就没有办法击中探测器,可能就会出现一些偏差。但是光声原理就很简单,有一个调制光源,气体分子在吸收特定波长光时产生周期性热膨胀,从而引起微弱的声压波,采用麦克风来探测声压波的涨落来判断气体浓度。” Michel说到,“在我们的实验中没有发现这个过程会受到其它外在气体或者噪声的影响,所以目前来看它的效果比NDIR更好。但是未来我们还会去做更多的实际检测,收集更多的数据。”wcGEETC-电子工程专辑

盛思锐大中华区总经理李锦华补充道:”NDIR并不是不好,只是我们精通NDIR,所以知道它的缺点,也知道要怎样去修正这个缺点,然后给客户更好的产品。NDIR是很成熟的技术,但它有一些缺点没办法满足客户的要求,需要用光声技术去实现。”wcGEETC-电子工程专辑

最小的二氧化碳传感器

SCD40体积仅约为1立方厘米(10mm x 10mm x 7 mm),与前一代的SCD30相比,其尺寸缩小了5倍。由于利用光声学传感原理,在不影响传感器性能的前提下,SCD40光学共振腔的尺寸得以大幅度减小。此外据李锦华介绍,SCD40除了能检测二氧化碳,还集成了湿度和温度传感器,实现两个额外的传感器输出。wcGEETC-电子工程专辑
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前代产品SCD30(左,35*23mm,元件数量约35)与SCD40 样品(10*10mm,元件数量小于15)实物对比图(Source:EETimes China摄)wcGEETC-电子工程专辑

两代产品的体积、价格上的差距,会不会带来市场定位上的不同?对此Michel表示,“SCD30推出已有1年多,在市场上有着很高赞誉度和接受度,所以盛思锐目前还会继续在市场中推广它。而SCD40是一款新产品,目标是在降低价格和缩小尺寸的基础上,维持同样的性能,延续我们既有的市场策略。这两款产品都面向所有既有市场,没有具体差异化的细分。”wcGEETC-电子工程专辑
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其实从其他竞争对手的产品演化史来看,二氧化碳传感器的演变一直围绕着“打破尺寸壁垒”这个目标前进。采用NDIR技术的传感器又分为双通道和单通道测量方案,双通道的其中一条专门做参考用,在校准上有优势,但体积较大,上面的对比图中就可以很明显的看到SCD30的2条通道。一些系统厂商在体积的考量下不得不牺牲准确性,采用单通道方案,而SCD40满足了这部分对体积要求较高的应用。wcGEETC-电子工程专辑
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据悉,SCD40二氧化碳和温湿度传感器将于2020年上半年投入市场。由于目前二氧化碳传感器的价格受材料清单(BoM)成本影响较大,而光声传感器得BoM成本比传统红外气体检测传感器小很多,所以在不就的将来,光声传感器或成为二氧化碳传感器的价格标准。wcGEETC-电子工程专辑

参考文献:wcGEETC-电子工程专辑

1、 完整的采用非分散红外(NDIR)技术的气体传感器电路,By Robert Lee,Walt Kester wcGEETC-电子工程专辑
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2、
High Voltage Power Transformer Dissolved Gas Analysis, Measurement and Interpretation Techniques,By • Norazhar Abu Bakar, Ahmed Abu SiadawcGEETC-电子工程专辑
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3、光声光谱法探测微量气体,作者:王建业,纪新明,吴飞蝶,周嘉,黄宜平wcGEETC-电子工程专辑
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刘于苇
电子工程专辑(EETimes China)副主分析师。
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