红外二氧化碳气体传感器的原理与应用

红外二氧化碳传感器是一种利用非色散红外NDIR原理制成的传感器，也是二氧化碳监测中被市场普遍认可的一类传感器。

工作原理

由于各种物质分子内部结构不同，他们对不同波长光线的选择吸收也各不相同，也就是说：物质只能吸收特定波长的光，并且物质对一定波长光的吸收关系服从朗伯—比尔（ Lambert-Beer）吸收定律。

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对于红外二氧化碳传感器来说，传感器内部配备了一个红外光源，通常是一个红外发光二极管（LED）或者更专业的红外光源，它会发射出特定波长的红外光。当这束红外光穿过含有二氧化碳的气体样本时，二氧化碳分子会吸收特定波长的红外光，吸收的程度与气体中二氧化碳的浓度成正比。

为了精确测量特定于二氧化碳吸收的光强度，光路中会设置一个窄带滤波片，这个滤波片只允许透过4.26μm附近波长的光，从而排除其他未被吸收光线的干扰。透过滤波片的光线随后到达红外探测器，探测器测量剩余光的强度，这个强度的降低量直接反映了被二氧化碳吸收的光量。

探测器产生的信号会被送入传感器模块的微控制器单元（MCU），通过电路和软件算法进行线性化处理，将接收到的光强信号转换成与二氧化碳浓度成比例的电信号，转化成数字或模拟输出，方便用户读取。

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为了提高测量的准确性和稳定性，许多红外二氧化碳传感器会采用双通道设计，即一个测量通道和一个参比通道，参比通道不同过被测气体，只提供一个基准，用来补偿环境如温度、湿度等变化对光强度的影响。

双通道红外二氧化碳传感器原理图

（图源网络）

这种基于红外吸收的测量方式因其具有选择性好、寿命长、不依赖氧气、受环境干扰小、不易中毒、精度高等各种优点，被广泛应用于各种环境监测、工业控制、农业温室管理、室内空气质量监控等领域。

应用场景

二氧化碳传感器能够集成到新风空调、新风系统、空气盒子等智能家居设备中，为我们改善室内空气质量，营造良好的居住环境。

现代农业种植中，二氧化碳浓度的实时监控和自动调节已成为智慧化种植、养殖的必备技术。应用于农业大棚这样高温高湿环境中的二氧化碳传感器，需要具备抗高湿干扰的能力，一般选择双通道的传感器产品。

工业化水平的提高，温室气体的排放也随之增多。碳中和大背景下，全球更加关注二氧化碳等温室气体的排放。对工业领域的二氧化碳气体进行检测，同样需要红外二氧化碳传感器的助力。

随着汽车逐渐成为生活中的“第三空间”，人们对车内二氧化碳浓度、有机气体浓度等的关注度日益提高。二氧化碳不仅成为衡量车内空气质量的重要指标，也是预防疲劳驾驶的重要手段，二氧化碳传感器在汽车空调系统中的应用也越来越普遍。

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气体传感器之：CO2二氧化碳传感器

根据原理的不同，二氧化碳传感器主要可以分为固态电解质式、电容式、光纤、红外吸收等。而目前市场上较主流的为固态电解质传感器和红外吸收传感器。

固态电解质传感器是根据气敏材料通过气体时产生离子，从而产生电动势。经过对电动势的测量而得出二氧化的浓度。

而红外二氧化碳传感器则是通过二氧化碳对于特定波段红外辐射的吸收作用，测得的辐射能量强弱来获得被测气体中二氧化碳的含量。

应用场景

近几年来，二氧化碳传感器已经具有了广泛的应用场景，这些应用包含但不限于以下领域：

1）农业相关：温室大棚、粮库、花卉养殖

2）文物、档案保护：博物馆、文物库、档案库

3）医疗：呼末二氧化碳监测

4）室外大气监测：小型气象站、微型空气质量监测站

5）室内空气监测：办公楼、中小学校舍

6）公共场所：停车场、电影院、车站

7）制造商：新风机、空调、汽车等

存在危害

每个人每小时就要呼出20-30L的二氧化碳，所以当处于人数较多、时间过长、相对面积较小的室内就容易引起犯困、嗜睡等症状。而这仅仅是浓度较清时的反应，浓度过高或将引起昏迷、甚至死亡。

当室内二氧化碳浓度在350～450ppm时，与空气清新时的户外环境相仿。

当室内二氧化碳浓度在450～1000ppm时，呼吸顺畅、没有不良反应。

当室内二氧化碳浓度在1000～2000ppm时，会出现精神不集中、犯困等症状。

当室内二氧化碳浓度在2000～5000ppm时，会出现嗜睡、头痛、头晕、恶心、心跳加速等症状。

当室内二氧化碳浓度在5000ppm以上时，会出现缺氧、永久性脑部损伤、昏迷、甚至死亡。

趋势分析

由于高浓度二氧化可能造成的危害和人们健康呼吸的意识越来越加强，二氧化碳传感器在环境及健康等领域的需求量将大幅上涨。这些二氧化碳传感器会更多的被安装于空气检测仪、新风机、空调、甚至新款汽车中，用于监测封闭小环境内的二氧化碳含量。而随着该些领域巨大的潜在需求，或将成为二氧化碳传感器市场迅速激增的助力之一。

CO2二氧化碳传感器

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