終于懂了！NDIR紅外CO?傳感器的5大核心技術(shù)全解析

在環(huán)境監(jiān)測(cè)、智慧農(nóng)業(yè)、工業(yè)控制等領(lǐng)域，準(zhǔn)確測(cè)量二氧化碳濃度至關(guān)重要，NDIR（非分散紅外，Non - Disperspersive Infrared ）紅外CO?傳感器憑借出色性能成為主流選擇。

下面，我們先深入了解NDIR技術(shù)原理，再解析它的5大核心技術(shù)，帶你徹底弄懂其工作原理與優(yōu)勢(shì) 。

NDIR技術(shù)原理

NDIR技術(shù)的核心邏輯基于氣體分子對(duì)特定紅外波長(zhǎng)的選擇性吸收特性。簡(jiǎn)單來說，不同氣體分子就像有著獨(dú)特“口味”的“食客”，會(huì)對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光“情有獨(dú)鐘” 。

當(dāng)紅外光穿過含有目標(biāo)氣體（CO2）的環(huán)境時(shí)，氣體分子會(huì)選擇性地吸收特定波長(zhǎng)（4.26μm左右）的紅外光，而其他波長(zhǎng)的紅外光則基本不受影響。這一過程遵循朗伯 - 比爾定律，即光的吸收程度與氣體濃度、光在氣體中傳播的光程長(zhǎng)度成正比。

通過檢測(cè)特定波長(zhǎng)紅外光被吸收的情況，就能反向推算出目標(biāo)氣體（CO2 ）的濃度，這就是NDIR技術(shù)的基本原理 。

NDIR檢測(cè)CO2的關(guān)鍵技術(shù)

1、紅外光源技術(shù)

紅外光源作為 NDIR 檢測(cè)系統(tǒng)的 “發(fā)光使者”，為整個(gè)檢測(cè)過程提供基礎(chǔ)能量。

2、光學(xué)濾波技術(shù)

CO?在紅外波段具有獨(dú)特的吸收 “指紋”，主要集中在 4.26μm和4.4μm附近。光學(xué)濾波技術(shù)的核心使命，便是從寬譜段的紅外光中精準(zhǔn)篩選出 CO?的特征吸收波長(zhǎng)，同時(shí)有效排除其他氣體及背景噪聲的干擾。

干涉濾光片是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的得力 “助手”。它基于光的干涉原理，由多層不同折射率的介質(zhì)薄膜精心堆疊而成。當(dāng)紅外光入射時(shí)，特定波長(zhǎng)的光因干涉相長(zhǎng)得以透過，而其他波長(zhǎng)的光則相互抵消被阻擋。通過精確控制薄膜的材料、厚度及層數(shù)，能夠定制出中心波長(zhǎng)精準(zhǔn)、帶寬極窄的干涉濾光片，高度契合 CO?檢測(cè)對(duì)波長(zhǎng)篩選的嚴(yán)苛要求。

氣體濾波相關(guān)器（GFC）則是應(yīng)對(duì)復(fù)雜氣體環(huán)境的 “秘密武器”。其內(nèi)部包含一個(gè)充滿參考?xì)怏w（如純 N?或已知低濃度 CO?混合氣體）的氣室。工作時(shí)，測(cè)量光路與參考光路的紅外光分別通過不同氣室，再進(jìn)行對(duì)比。

由于參考?xì)馐抑械臍怏w成分固定，當(dāng)測(cè)量氣室中存在 CO?等目標(biāo)氣體時(shí)，兩者光強(qiáng)的差異便能精準(zhǔn)反映出目標(biāo)氣體的濃度，有效消除了背景氣體的重疊吸收干擾，大幅提升了檢測(cè)在復(fù)雜工況下的準(zhǔn)確性。

3、氣室設(shè)計(jì)

氣室作為 CO?與紅外光 “親密接觸” 的場(chǎng)所，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)乎檢測(cè)靈敏度與準(zhǔn)確性。常見的氣室結(jié)構(gòu)有直射式和反射式。

直射式氣室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，紅外光從一端直接穿過氣室到達(dá)另一端的探測(cè)器。為提升檢測(cè)靈敏度，可適當(dāng)增加氣室長(zhǎng)度，但這會(huì)導(dǎo)致設(shè)備體積增大。

為此，科研人員開發(fā)出反射式氣室，通過在氣室內(nèi)設(shè)置高反射率的反射鏡，讓紅外光在氣室內(nèi)多次反射后再到達(dá)探測(cè)器。

以懷特池（White cell）為代表的反射式氣室，可將光程延長(zhǎng)數(shù)倍甚至數(shù)十倍，極大增強(qiáng)了 CO?對(duì)紅外光的吸收程度，在有限的空間內(nèi)顯著提升了檢測(cè)靈敏度。

同時(shí)，選用紅外透光性佳、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)的材料（如硒化鋅、藍(lán)寶石等）制作氣室，能有效減少紅外光在傳輸過程中的損耗，避免氣室材料與 CO?發(fā)生化學(xué)反應(yīng)影響檢測(cè)精度。

4、紅外探測(cè)器

紅外探測(cè)器肩負(fù)著將透過氣室、經(jīng) CO?吸收后的紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的重任，是 NDIR 檢測(cè)系統(tǒng)的 “信號(hào)接收器”。

常見的紅外探測(cè)器有熱探測(cè)器和光子探測(cè)器。

熱探測(cè)器以熱釋電探測(cè)器和熱電堆探測(cè)器為典型代表。

• 熱釋電探測(cè)器基于某些材料的熱釋電效應(yīng)，當(dāng)吸收紅外光后溫度發(fā)生變化，材料表面會(huì)產(chǎn)生電荷變化，從而輸出電信號(hào)。

• 熱電堆探測(cè)器則利用塞貝克效應(yīng)，通過測(cè)量多個(gè)熱電偶串聯(lián)產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)來感知紅外光強(qiáng)度。這類探測(cè)器對(duì)寬譜段紅外光均有響應(yīng)，無需制冷，成本較低，適用于常溫環(huán)境下的 CO?檢測(cè)。不過，它們的響應(yīng)速度相對(duì)較慢，限制了檢測(cè)系統(tǒng)的快速性。

光子探測(cè)器，如碲鎘汞（HgCdTe）探測(cè)器，憑借內(nèi)部電子吸收光子后產(chǎn)生的光電效應(yīng)工作。其靈敏度極高、響應(yīng)速度極快，能夠快速、精準(zhǔn)地感知微弱的紅外光信號(hào)變化。

在對(duì)檢測(cè)精度和響應(yīng)速度要求極高的場(chǎng)合，如高精度環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)過程實(shí)時(shí)控制等，光子探測(cè)器優(yōu)勢(shì)盡顯。但它需要低溫制冷才能正常工作，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性與成本。

5、信號(hào)處理與算法

從紅外探測(cè)器輸出的電信號(hào)往往微弱且夾雜著噪聲，需要經(jīng)過一系列精細(xì)的信號(hào)處理與復(fù)雜算法運(yùn)算，才能準(zhǔn)確解析出 CO?的濃度信息。

首先，通過低噪聲放大器對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行放大，提升信號(hào)強(qiáng)度。接著，采用帶通濾波器，濾除特定頻率范圍外的噪聲，保留與 CO?吸收相關(guān)的信號(hào)頻段。為進(jìn)一步抑制環(huán)境噪聲和干擾，常運(yùn)用鎖相放大技術(shù)，該技術(shù)通過與調(diào)制光源的頻率同步鎖定，能夠從復(fù)雜噪聲背景中精準(zhǔn)提取出有用信號(hào)。

基于朗伯 - 比爾定律（I = I?e??CL，其中 I 為透射光強(qiáng)，I?為入射光強(qiáng)，α 為吸收系數(shù)，C 為氣體濃度，L 為光程），構(gòu)建氣體濃度反演算法。實(shí)際應(yīng)用中，考慮到 CO?吸收特性的非線性、環(huán)境因素（溫度、壓力等）的影響，會(huì)對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化。

例如，采用多項(xiàng)式擬合或分段線性化方法處理高濃度 CO?下的吸收飽和問題；借助卡爾曼濾波等數(shù)字濾波算法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，提高濃度計(jì)算的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

此外，還可利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法，對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，建立更精準(zhǔn)的 CO?濃度預(yù)測(cè)模型，以適應(yīng)復(fù)雜多變的檢測(cè)環(huán)境。

憑借紅外光源、光學(xué)濾波、氣室設(shè)計(jì)、紅外探測(cè)器以及信號(hào)處理與算法等一系列關(guān)鍵技術(shù)的協(xié)同配合，NDIR 檢測(cè)技術(shù)得以在 CO?濃度檢測(cè)領(lǐng)域大顯身手，為我們深入了解環(huán)境中的 CO?分布、保障工業(yè)生產(chǎn)安全與高效、提升室內(nèi)空氣質(zhì)量等提供了可靠支撐。

隨著材料科學(xué)、微納制造技術(shù)以及人工智能算法的持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，NDIR 檢測(cè)技術(shù)有望在檢測(cè)精度、小型化、智能化等方面實(shí)現(xiàn)更大突破，在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，助力我們更好地守護(hù)地球家園的生態(tài)平衡與人類生活的舒適健康。