红外传感器技术及其对暖通空调CO2测量精度的影响

　　为了尽量减少处理外部新鲜空气所产生的能耗，现代通风系统会对室内空气进行循环使用。利用二氧化碳(CO2)传感器作为室内空气质量指示器有助于向建筑内部人员输送新鲜的外部空气，同时实现能耗优化。

　　红外CO2传感器的工作原理:

　　单波束单波长传感器：

　　单波束单波长传感器结构简单（见图2），由红外源、测量腔室和探测器组成。

　　此类传感器的问题在于其长期漂移比较严重。微型白炽灯泡的强度（二氧化碳传感器常见的红外光源）会随时间发生变化。此外传感器表面可能会沉积灰尘和污垢。当二氧化碳浓度发生变化时，传感器会对这些改变做出错误响应，导致长期测量的不可靠性。

　　为了对这一固有不稳定性进行补偿，一些制造商采用了自动背景校准方法。传感器在规定时间段内（通常为数天）记录最小的二氧化碳读数，然后假定最小记录读数对应于外部新鲜空气（二氧化碳浓度40ppm），对读数重新进行调整。遗憾的是由于建筑内的人员活动模式会影响室内二氧化碳水平，这种假设并非始终成立。诸如医院、养老院、住宅楼以及办公室等设施可能全天二十四小时都有人员活动，低二氧化碳水平约为600-800ppm。反复的错误调整会产生不正确的二氧化碳读数，最终导致通风不足，室内空气质量低劣。另外新建筑的混凝土碳化作用可能会将二氧化碳浓度降低到400ppm以下，因而自动背景修正在这种情况下也没有效果。

　　双波束单波长传感器:

　　双波束单波长传感器（图3）采用第二个红外源为红外源漂移提供补偿。让人费解的是制造商声称由于第二个光源很少使用，因此不会发生老化。传感器结构增加了不必要的复杂性，而第二个红外源添加了额外的潜在故障点。另外灰尘和污垢很少会在传感器周围均匀地沉积。因此，这种传感器结构相对而言并不可靠。

　　单波束双波长传感器：

　　单波束双波长传感器不存在影响单波束单波长和双波束单波长传感器性能的漂移问题。这项通常在昂贵的滤光片轮式分析仪中使用的技术不但能够测量吸收波长，还能够测量没有发生吸收的参比波长。

　　维萨拉将单波束双波长传感器整合到可用于工业变送器的紧凑型结构中。参比波长通过位于探测器前端的电子可调式法布里-珀洛干涉仪(FPI)滤波器进行测量。

　　微电子机械加工的FPI过滤器以电子调节方式在二氧化碳测量波长和参比波长之间切换。参比测量可为红外源强度及光程上的污垢沉积变化提供补偿，从而无需采用复杂的补偿算法。

　　单波束双波长传感器结构简单，成本效益好，长期工作具有高度稳定性，所需的维护工作少。

　　图5展示了采用参比测量的传感器（单波束双波长传感器）与未采用参比测量的传感器（单波束单波长传感器）的长期稳定性差别。单波束单波长传感器都存在的漂移问题原因在于红外源强度有所减弱，最终导致二氧化碳水平的显示值过高。然而，传感器漂移也会导致读数过低。