CO2 感测中所面临的挑战

新鲜空气对健康的好处是勿庸置疑的。缺乏新鲜空气会影响我们的健康和注意力。遗憾的是，在今天这个繁忙的世界里，我们很少有人能随心所愿地在户外享受更多的时光。平均而言，我们日常生活90%的时间都是在室内度过的，而其中大部分时间都是宅在家里。虽然我们经常会出门，但很大一部分时间都是在家以外的另一个室内场所中度过，如办公室、餐厅或商店。这清楚地表明了优质的室内空气和适当监测 CO₂ 水平的重要性，特别是在拥挤的场所。

虽然高含量的 CO2 和糟糕的空气质量不能划等号，但 CO2 的浓度升高却恰好说明了室内需要进行额外通风。此外，CO₂ 的增加往往与挥发性有机化合物（VOC）浓度的上升相伴而生，因为两者都是由人排放出来的。众所周知，不良空气——尤其是高挥发性有机化合物——会损害健康，并会增加空气传播病毒的风险，如SARS-CoV-2。还有，缺乏新鲜空气也会对生产效率和专注力产生重大影响——这一说法得到了大量研究结果的支持。

极端做法一向都是不可取的，对通风也是一样。暖通空调系统若持续以最大容量运作将会造成高能耗，从而导致高昂的电费，尤其是在极度炎热或极度寒冷的时期。因此，当下"按需控制通风"被视为暖通空调系统的黄金标准并不令人感到意外，CO₂ 浓度经常被用作控制参数，因其与空气质量密切相关。该应用程序有赖于传感器提供有关 CO₂ 含量的准确信息，当其达到一个指定限值时便可启动系统。尽管世界各地的舒适标准各不相同，但都有一个共识，即 CO₂ 水平应始终保持在1000ppm以下，而且不能长时间超过1500ppm。当然一个不错的折衷方案就是每30秒测量和调整一次 CO₂ 水平，这样可以保持空气新鲜也能降低能耗费用。

常见的 CO₂ 传感器设计包括一个光源和两个探测器(图1)。当光线通过充满了室内环境气息的测量室时，便被在场的分子所吸收。探测器有个窗口约为4.3µm的滤光器——相当于 CO₂ 吸收光谱的一个峰值——这意味着它只记录由于 CO₂ 分子的存在而导致光熄灭的情况。相比之下，参考的探测器测量的是未经过滤的光强度，因而可通过比较两个测量值来确定 CO₂ 水平。双传感器的设计还有助于抵消因光源退化或小灰尘颗粒引起的光强下降。为了进一步提高传感器的鲁棒性，应为其配备防尘罩，以阻止颗粒物干扰探测器。

尽管双通道方法被视为相当的准确，但其本身不能保证长期稳定地测量。因为随着时间的推移, 基线可能会由于传感器组件的老化而开始偏移。这可以通过自动基线校正（ABC）来解决，因其能不断跟踪传感器的最低读数，并对检测到的任何偏移进行校正。这种方法适用于长时间无人占用的建筑物，如周末关闭的办公室。然而，在24小时都有人员占用的场所，如医院急诊室、物流中心或工厂，这种偏移就不那么容易识别和解决了。因此，使用坚固可靠的传感器至关重要，它能长期准确地测量，而无需经常校准，从而能用于广泛的用途，且不需要考虑建筑物的占用模式。

室内传感器需要能在任何条件下准确地测量 CO₂ 水平，也就是说它需要对压力、温度和湿度的逐渐和急剧变化具有良好的耐受力。还需要考虑不同海拔高度的压力差，因为即便是海拔400米，也会导致测得的 CO₂ 浓度有70ppm的偏差。考虑到一些监管机构——例如美国的几个州政府——只允许±75 ppm的偏差，这几乎是不留任何误差的余地。因此，任何高性能的 CO₂ 传感器都应含有绝对压力补偿功能(图2)。

为确保传感器能在各种条件下运作，应该进行扩展测试，从而保证其长期的稳定性及功能。因此, 传感器应经受长时间的跨越数周的测试——涵盖所有可能的天气条件，并重点关注那些众所周知的对设备带来很大压力的环境因素。譬如，可在95％的相对湿度和35℃的条件下测试非冷凝湿热性能，以确保传感器具有耐腐蚀性并能同时保持其性能。另一方面，干热测量应在较高的温度下进行——60-70℃——以确认不会因材料膨胀系数的差异而发生偏移。由于内部温度梯度也可以在整个设备性能中发挥作用，因而必须在最大限度减少自热的基础上来构建传感器原件。