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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二氧化碳传感器

　二氧化碳传感器报警值

　　二氧化碳密度较空气大，当二氧化碳少时对zd人体无危害，但其超过一定量时会影响人（其他生物也是）的呼吸，原因是血液中的碳酸浓度增大，酸性增强，并产生酸中毒。

　　二氧化碳浓度含量会影响人类的生活作回息，整理出二氧化碳浓度含量与人体生理反应如下：

　　·350～450ppm：同一般室外环境

　　·350～1000ppm：空气清新，呼吸顺畅。

　　·1000～2000ppm：感觉空气浑浊，并开始觉得昏昏欲睡。

　　·2000～5000ppm：感觉头痛、嗜睡、呆滞、注答意力无法集中、心跳加速、轻度恶心。

　　·大于5000ppm：可能导致严重缺氧，造成永久性脑损伤、昏迷、甚至死亡。

　　所以二氧化碳浓度传感器浓度一般报警值设置1000ppm

　　二氧化碳传感器检测方法

　　大气的严重污染让测量气体浓度的技术和仪器不断出现和发展。其中包括化学传感器、陶瓷传感器及各种类型的电化学传感器，以及测量湿度的温湿度记录仪，二氧化碳变送器等等。每种传感器适用于一定的应用领域，但需要经常校准，并只能在清洁的环境中工作。传统的CO2传感器对于像CO2这样的不可燃气体的测量尤其困难，化学传感器很难胜任这项工作，使用寿命也很短。其他的各种间接测量方法，由于它们通常不仅仅对一种气体组成度敏感。所以其精度很低且漂移量较大。与化学二氧化碳传感器相比，光学测量仪器有许多优点，但其昂贵的价格也确时降低了它的市场竞争力。不过，随着产品集成化程度的提高，其生产成本也正在降低。

　　这种CO2传感器的工作原理是：采用了单束双波长非发散性红外线洲量方法，其独特之处在于它的滤光镜——1种袖珍电子调谐干扰仪。这种滤光铣保证了它所透过的光波波长的精确性和稳定性，避免了由于滤光镜厦探刹器不匹配而发生的问题及传统的旋转式滤光镜所产生的磨损。本文所要讨论的是光学测量方法中的一种即非发散性红外线测量。

　　各种气体都会吸收光。不同的气体吸收不同波长的光，比如CO2就对红外线（波长为4.26m）最敏感。二氧化碳分析仪通常是把被测气体吸入一个测量室，测量室的一端安装有光源而另一端装有滤光镜和探测器。滤光镜的作用是只容许某一特定波长的光线通过。探测器则测量通过测量室的光通量。探测器所接收到的光通量取决于环境中被测气体的浓度。

　　基于非发散性红外线气体检测原理的测量方法主要有3种：单光束单波长测量、双光束双波长测量和单光束双波长测量。

　　单光束单波长测，顾名思义，这种CO2传感器测量仪器只能提供单一波长的光线。在上述3种测量方法中它的性能最差，其稳定性极易受到诸如灯泡老化、灰尘污染及光线发射特性变化等因素的影响。目前在市场上销售的许多种单束单波，长测量仪器的稳定性都不很理想此外，温度的变化也会影响其稳定性。但这种仪器的优点是构造简单机械性能可靠且价格低廉。

　　双光束双波长测，这种可燃气体检测仪器备有2个光渡通道，1个探测器及2个滤光镜，与前一种仪器比较，其精度和稳定性都有所提高，但相应的它的价格也较高。此外为r提高其工作温度范围，2个探测器必须完全匹配。在实际应用中，2个光波通道受到的灰尘污染程度同样也会给这类测量仪器带来因非对称污染而精度失准的问题.

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