红外气体传感器 红外传感器, source, 探测器, 化合物, 混合物

掘金小分队

1.非色散红外气体传感器

定义：
非色散红外Non-Dispersive InfraRed (NDIR)传感器是一种由红外光源(IR source)、光路(Optics Cell)、红外探测器(IR Detector)、电路(Electronics)和软件算法(Algorithm)组成的光学气体传感器。它主要用于测化合物，例如: CH4、CO2、N2O、CO、CO2、SO2、NH3、乙醇、苯等，并包含绝大多数有机物(HC)，包括有机挥发性混合物(VOC)。
NDIR传感器用一个广谱的光源作为红外传感器的光源，因为并没有一个分光的光栅或棱镜将光进行分光，所以叫非色散红外。光线穿过光路中的被测气体，透过窄带滤波片，到达红外探测器。通过测量进入红外传感器的红外光的强度，来判断被测气体的浓度。当环境中没有被测气体时，其强度是最强的，当有被测气体进入到气室之中，被测气体吸收掉一部分红外光，这样，到达探测器的光强就减弱了。通过标定零点和测量点红外光吸收的程度和刻度化，仪器仪表就能够算出被测气体的浓度了。


NDIR传感器是如何区分不同种类的气体的呢?
这要从化合物的红外吸收光谱说起。化合物是由不同种类的原子构成，下图就是一个甲烷分子，由1个碳原子和4个氢原子构成的空间结构。当红外光照射到这个分子的时候，C和H之间就发生了少量的往返位移，简称化学键振动。我们可以假想为1根弹簧，两头各栓这1个小球。
因为原子非常小，也很轻，所以化学键振动的频率是很高的，例如甲烷中C-H键振动的频率就是333KHz，中心波长是3.3um。不同分子的分子量不同，因此红外吸收的波长也就不一样，如下图：



为什么要用NDIR传感器?
第一方面，市场上常见的传感器，例如催化燃烧(CAT)、电化学(EC)、紫外光离子化(PID)传感器并不是什么气体都能测，例如，CO2就无法测，但是NDIR传感器能测CO2。NDIR最常见的被测气体是CH4和CO2。
第二方面，这和NDIR传感器的诸多优点是分不开的。NDIR的优点包括：
1. 抗中毒。CAT传感器测甲烷最大的敌人是卤化物(含氟、氯、溴、碘的物质)、有机硅化合物、硫化物。当这些物质在催化珠上燃烧之后，催化剂的活性就打折扣了，反映在测量数据上，就是灵敏度下降。
2. 不会积碳。CAT传感器测长碳链的烃类时，因为燃烧不够充分，很容易积碳，导致催化珠表面形成一层薄薄的碳粉，反映在测量数据上，就是零点抬高、灵敏度下降。NDIR传感器的光源和探测器都被玻璃或滤波片保护了起来，和气体并不接触，所以不会有燃烧的现象发生。
3. 不需要氧气参与。CAT传感器是需要氧气参与氧化反应的。但NDIR是光学传感器，不需要氧气参与。
4. 测量浓度可以到100%v/v。因为NDIR传感器的信号特点是：无被测气体时，信号强度最大，浓度越高，信号越小。所以测量高浓度比测量低浓度要轻松。
5. 长期稳定性优异。NDIR传感器的稳定性基本取决于光源。只要选择好光源，长期稳定性将是极好的，2年不用标定也是能做到的。
6. 温度范围宽。NDIR可以用到-40℃到85℃的范围，毫无压力。
7. 维护成本低。这是和它长期稳定性好密切相关的。极有可能是仪器坏了，传感器都还是好的。

NDIR传感器的增长如何？
当今中国，大约有150万只CAT传感器测量CH4，随着NDIR传感器价格的下降，越来越多的工业可燃气仪表会用到NDIR传感器。如果估计一下现存量的话，大约在30万台，年增长率约20%。

NDIR有什么缺点?
缺点包括：
1. NDIR传感器功耗和催化燃烧传感器相当；
2. 最低检测限较高，测量PPM级别的气体浓度成本较高；
3. 结构、软件、硬件比较复杂，价格也就相对较贵。同级别NDIR CH4传感器价格是催化燃烧传感器的5-10倍。但是和激光红外传感器相比，又要便宜1到2个数量级。

NDIR今后的发展方向是怎样的？
NDIR的技术路线分为两条:
1. 向低分辩率、长波长、多气种方向发展，主要市场是分析仪表和环境空气质量监测领域。
2. 向小体积，低成本方向发展，主要市场是室内空气质量IAQ检测，气种包含CO2和碳氢HC类气体，全球销量约一千万只。

除了NDIR原理，还有什么原理的红外传感器?
和NDIR相对应的是DIR——分光型的红外气体传感器。DIR主要用在分析仪表中，体积大，功耗高，怕震动，不适合用在工业现场的环境中。
随着技术的进步，光声红外(Photoacoustic)气体传感器也进入了实用。它和NDIR传感器各有优势，会长期共存，哪种会最终胜出，现在还不能定论。
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通过标定零点和测量点红外光吸收的程度和刻度化，仪器仪表就能够算出被测气体的浓度了。