紅外氣體傳感器：淺談紅外氣體傳感器

1.非色散紅外氣體傳感器

定義：

非色散紅外Non-Dispersive InfraRed (NDIR)傳感器是一種由紅外光源(IR source)、光路(Optics Cell)、紅外探測器(IR Detector)、電路(Electronics)和軟件算法(Algorithm)組成的光學氣體傳感器。它主要用于測化合物，例如: CH4、CO2、N2O、CO、CO2、SO2、NH3、乙醇、苯等，并包含絕大多數有機物(HC)，包括有機揮發性混合物(VOC)。

NDIR傳感器用一個廣譜的光源作為紅外傳感器的光源，因為并沒有一個分光的光柵或棱鏡將光進行分光，所以叫非色散紅外。光線穿過光路中的被測氣體，透過窄帶濾波片，到達紅外探測器。通過測量進入紅外傳感器的紅外光的強度，來判斷被測氣體的濃度。當環境中沒有被測氣體時，其強度是最強的，當有被測氣體進入到氣室之中，被測氣體吸收掉一部分紅外光，這樣，到達探測器的光強就減弱了。通過標定零點和測量點紅外光吸收的程度和刻度化，儀器儀表就能夠算出被測氣體的濃度了。

NDIR傳感器是如何區分不同種類的氣體的呢?

這要從化合物的紅外吸收光譜說起。化合物是由不同種類的原子構成，下圖就是一個甲烷分子，由1個碳原子和4個氫原子構成的空間結構。當紅外光照射到這個分子的時候，C和H之間就發生了少量的往返位移，簡稱化學鍵振動。我們可以假想為1根彈簧，兩頭各栓這1個小球。

因為原子非常小，也很輕，所以化學鍵振動的頻率是很高的，例如甲烷中C-H鍵振動的頻率就是333KHz，中心波長是3.3um。不同分子的分子量不同，因此紅外吸收的波長也就不一樣，如下圖：

為什么要用NDIR傳感器?

第一方面，市場上常見的傳感器，例如催化燃燒(CAT)、電化學(EC)、紫外光離子化(PID)傳感器并不是什么氣體都能測，例如，CO2就無法測，但是NDIR傳感器能測CO2。NDIR最常見的被測氣體是CH4和CO2。

第二方面，這和NDIR傳感器的諸多優點是分不開的。NDIR的優點包括：

1. 抗中毒。CAT傳感器測甲烷最大的敵人是鹵化物(含氟、氯、溴、碘的物質)、有機硅化合物、硫化物。當這些物質在催化珠上燃燒之后，催化劑的活性就打折扣了，反映在測量數據上，就是靈敏度下降。

2. 不會積碳。CAT傳感器測長碳鏈的烴類時，因為燃燒不夠充分，很容易積碳，導致催化珠表面形成一層薄薄的碳粉，反映在測量數據上，就是零點抬高、靈敏度下降。NDIR傳感器的光源和探測器都被玻璃或濾波片保護了起來，和氣體并不接觸，所以不會有燃燒的現象發生。

3. 不需要氧氣參與。CAT傳感器是需要氧氣參與氧化反應的。但NDIR是光學傳感器，不需要氧氣參與。

4. 測量濃度可以到100%v/v。因為NDIR傳感器的信號特點是：無被測氣體時，信號強度最大，濃度越高，信號越小。所以測量高濃度比測量低濃度要輕松。

5. 長期穩定性優異。NDIR傳感器的穩定性基本取決于光源。只要選擇好光源，長期穩定性將是極好的，2年不用標定也是能做到的。

6. 溫度范圍寬。NDIR可以用到-40℃到85℃的范圍，毫無壓力。

7. 維護成本低。這是和它長期穩定性好密切相關的。極有可能是儀器壞了，傳感器都還是好的。

NDIR傳感器的增長如何？

當今中國，大約有150萬只CAT傳感器測量CH4，隨著NDIR傳感器價格的下降，越來越多的工業可燃氣儀表會用到NDIR傳感器。如果估計一下現存量的話，大約在30萬臺，年增長率約20%。

NDIR有什么缺點?

缺點包括：

1. NDIR傳感器功耗和催化燃燒傳感器相當；

2. 最低檢測限較高，測量PPM級別的氣體濃度成本較高；

3. 結構、軟件、硬件比較復雜，價格也就相對較貴。同級別NDIR CH4傳感器價格是催化燃燒傳感器的5-10倍。但是和激光紅外傳感器相比，又要便宜1到2個數量級。

NDIR今后的發展方向是怎樣的？

NDIR的技術路線分為兩條:

1. 向低分辯率、長波長、多氣種方向發展，主要市場是分析儀表和環境空氣質量監測領域。

2. 向小體積，低成本方向發展，主要市場是室內空氣質量IAQ檢測，氣種包含CO2和碳氫HC類氣體，全球銷量約一千萬只。

除了NDIR原理，還有什么原理的紅外傳感器?

和NDIR相對應的是DIR——分光型的紅外氣體傳感器。DIR主要用在分析儀表中，體積大，功耗高，怕震動，不適合用在工業現場的環境中。

隨著技術的進步，光聲紅外(Photoacoustic)氣體傳感器也進入了實用。它和NDIR傳感器各有優勢，會長期共存，哪種會最終勝出，現在還不能定論。

二氧化碳傳感器的工作原理