紅外傳感器技術及其對暖通空調CO2測量精度的影響

　　為了盡量減少處理外部新鮮空氣所產生的能耗，現代通風系統會對室內空氣進行循環使用。利用二氧化碳(CO2)傳感器作為室內空氣質量指示器有助于向建筑內部人員輸送新鮮的外部空氣，同時實現能耗優化。

　　紅外CO2傳感器的工作原理:

　　單波束單波長傳感器：

　　單波束單波長傳感器結構簡單（見圖2），由紅外源、測量腔室和探測器組成。

　　此類傳感器的問題在于其長期漂移比較嚴重。微型白熾燈泡的強度（二氧化碳傳感器常見的紅外光源）會隨時間發生變化。此外傳感器表面可能會沉積灰塵和污垢。當二氧化碳濃度發生變化時，傳感器會對這些改變做出錯誤響應，導致長期測量的不可靠性。

　　為了對這一固有不穩定性進行補償，一些制造商采用了自動背景校準方法。傳感器在規定時間段內（通常為數天）記錄最小的二氧化碳讀數，然后假定最小記錄讀數對應于外部新鮮空氣（二氧化碳濃度40ppm），對讀數重新進行調整。遺憾的是由于建筑內的人員活動模式會影響室內二氧化碳水平，這種假設并非始終成立。諸如醫院、養老院、住宅樓以及辦公室等設施可能全天二十四小時都有人員活動，低二氧化碳水平約為600-800ppm。反復的錯誤調整會產生不正確的二氧化碳讀數，最終導致通風不足，室內空氣質量低劣。另外新建筑的混凝土碳化作用可能會將二氧化碳濃度降低到400ppm以下，因而自動背景修正在這種情況下也沒有效果。

　　雙波束單波長傳感器:

　　雙波束單波長傳感器（圖3）采用第二個紅外源為紅外源漂移提供補償。讓人費解的是制造商聲稱由于第二個光源很少使用，因此不會發生老化。傳感器結構增加了不必要的復雜性，而第二個紅外源添加了額外的潛在故障點。另外灰塵和污垢很少會在傳感器周圍均勻地沉積。因此，這種傳感器結構相對而言并不可靠。

　　單波束雙波長傳感器：

　　單波束雙波長傳感器不存在影響單波束單波長和雙波束單波長傳感器性能的漂移問題。這項通常在昂貴的濾光片輪式分析儀中使用的技術不但能夠測量吸收波長，還能夠測量沒有發生吸收的參比波長。

　　維薩拉將單波束雙波長傳感器整合到可用于工業變送器的緊湊型結構中。參比波長通過位于探測器前端的電子可調式法布里-珀洛干涉儀(FPI)濾波器進行測量。

　　微電子機械加工的FPI過濾器以電子調節方式在二氧化碳測量波長和參比波長之間切換。參比測量可為紅外源強度及光程上的污垢沉積變化提供補償，從而無需采用復雜的補償算法。

　　單波束雙波長傳感器結構簡單，成本效益好，長期工作具有高度穩定性，所需的維護工作少。

　　圖5展示了采用參比測量的傳感器（單波束雙波長傳感器）與未采用參比測量的傳感器（單波束單波長傳感器）的長期穩定性差別。單波束單波長傳感器都存在的漂移問題原因在于紅外源強度有所減弱，最終導致二氧化碳水平的顯示值過高。然而，傳感器漂移也會導致讀數過低。