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(cè)器(IR Detector)、電路(Electronics)和軟件算法(Algorithm)組成的光學(xué)氣體傳感器。它主要用于測(cè)化合物，例如: CH4、CO2、N2O、CO、CO2、SO2、NH3、乙醇、苯等，并包含絕大多數(shù)有機(jī)物(HC)，包括有機(jī)揮發(fā)性混合物(VOC)。

NDIR傳感器用一個(gè)廣譜的光源作為紅外傳感器的光源，因?yàn)椴](méi)有一個(gè)分光的光柵或棱鏡將光進(jìn)行分光，所以叫非色散紅外。光線(xiàn)穿過(guò)光路中的被測(cè)氣體，透過(guò)窄帶濾波片，到達(dá)紅外探測(cè)器。通過(guò)測(cè)量進(jìn)入紅外傳感器的紅外光的強(qiáng)度，來(lái)判斷被測(cè)氣體的濃度。當(dāng)環(huán)境中沒(méi)有被測(cè)氣體時(shí)，其強(qiáng)度是最強(qiáng)的，當(dāng)有被測(cè)氣體進(jìn)入到氣室之中，被測(cè)氣體吸收掉一部分紅外光，這樣，到達(dá)探測(cè)器的光強(qiáng)就減弱了。通過(guò)標(biāo)定零點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)紅外光吸收的程度和刻度化，儀器儀表就能夠算出被測(cè)氣體的濃度了。

NDIR傳感器是如何區(qū)分不同種類(lèi)的氣體的呢?

這要從化合物的紅外吸收光譜說(shuō)起。化合物是由不同種類(lèi)的原子構(gòu)成，下圖就是一個(gè)甲烷分子，由1個(gè)碳原子和4個(gè)氫原子構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)。當(dāng)紅外光照射到這個(gè)分子的時(shí)候，C和H之間就發(fā)生了少量的往返位移，簡(jiǎn)稱(chēng)化學(xué)鍵振動(dòng)。我們可以假想為1根彈簧，兩頭各栓這1個(gè)小球。

因?yàn)樵臃浅Ｐ。埠茌p，所以化學(xué)鍵振動(dòng)的頻率是很高的，例如甲烷中C-H鍵振動(dòng)的頻率就是333KHz，中心波長(zhǎng)是3.3um。不同分子的分子量不同，因此紅外吸收的波長(zhǎng)也就不一樣，如下圖：

為什么要用NDIR傳感器?

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

第二方面，這和NDIR傳感器的諸多優(yōu)點(diǎn)是分不開(kāi)的。NDIR的優(yōu)點(diǎn)包括：

1. 抗中毒。CAT傳感器測(cè)甲烷最大的敵人是鹵化物(含氟、氯、溴、碘的物質(zhì))、有機(jī)硅化合物、硫化物。當(dāng)這些物質(zhì)在催化珠上燃燒之后，催化劑的活性就打折扣了，反映在測(cè)量數(shù)據(jù)上，就是靈敏度下降。

2. 不會(huì)積碳。CAT傳感器測(cè)長(zhǎng)碳鏈的烴類(lèi)時(shí)，因?yàn)槿紵粔虺浞郑苋菀追e碳，導(dǎo)致催化珠表面形成一層薄薄的碳粉，反映在測(cè)量數(shù)據(jù)上，就是零點(diǎn)抬高、靈敏度下降。NDIR傳感器的光源和探測(cè)器都被玻璃或?yàn)V波片保護(hù)了起來(lái)，和氣體并不接觸，所以不會(huì)有燃燒的現(xiàn)象發(fā)生。

3. 不需要氧氣參與。CAT傳感器是需要氧氣參與氧化反應(yīng)的。但NDIR是光學(xué)傳感器，不需要氧氣參與。

4. 測(cè)量濃度可以到100%v/v。因?yàn)镹DIR傳感器的信號(hào)特點(diǎn)是：無(wú)被測(cè)氣體時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度最大，濃度越高，信號(hào)越小。所以測(cè)量高濃度比測(cè)量低濃度要輕松。

5. 長(zhǎng)期穩(wěn)定性?xún)?yōu)異。NDIR傳感器的穩(wěn)定性基本取決于光源。只要選擇好光源，長(zhǎng)期穩(wěn)定性將是極好的，2年不用標(biāo)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(wú)壓力。

7. 維護(hù)成本低。這是和它長(zhǎng)期穩(wěn)定性好密切相關(guān)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(zhǎng)如何？

當(dāng)今中國(guó)，大約有150萬(wàn)只CAT傳感器測(cè)量CH4，隨著NDIR傳感器價(jià)格的下降，越來(lái)越多的工業(yè)可燃?xì)鈨x表會(huì)用到NDIR傳感器。如果估計(jì)一下現(xiàn)存量的話(huà)，大約在30萬(wàn)臺(tái)，年增長(zhǎng)率約20%。

NDIR有什么缺點(diǎn)?

缺點(diǎn)包括：

1. NDIR傳感器功耗和催化燃燒傳感器相當(dāng)；

2. 最低檢測(cè)限較高，測(cè)量PPM級(jí)別的氣體濃度成本較高；

3. 結(jié)構(gòu)、軟件、硬件比較復(fù)雜，價(jià)格也就相對(duì)較貴。同級(jí)別NDIR CH4傳感器價(jià)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(gè)數(shù)量級(jí)。

NDIR今后的發(fā)展方向是怎樣的？

NDIR的技術(shù)路線(xiàn)分為兩條:

1. 向低分辯率、長(zhǎng)波長(zhǎng)、多氣種方向發(fā)展，主要市場(chǎng)是分析儀表和環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

2. 向小體積，低成本方向發(fā)展，主要市場(chǎng)是室內(nèi)空氣質(zhì)量IAQ檢測(cè)，氣種包含CO2和碳?xì)銱C類(lèi)氣體，全球銷(xiāo)量約一千萬(wàn)只。

除了NDIR原理，還有什么原理的紅外傳感器?

和NDIR相對(duì)應(yīng)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(dòng)，不適合用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境中。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，光聲紅外(Photoacoustic)氣體傳感器也進(jìn)入了實(shí)用。它和NDIR傳感器各有優(yōu)勢(shì)，會(huì)長(zhǎng)期共存，哪種會(huì)最終勝出，現(xiàn)在還不能定論。

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