非分散紅外(NDIR)二氧化碳傳感器工作原理

非分散紅外（NDIR）技術是一種測量氣體濃度的常用方式，可用于檢測多種化合物類型的氣體。存在于傳感器的氣體測量腔內的某氣體（例如CO₂，CO、CH₄和其他羥基CH氣體等）會吸收對應波長的紅外線，如圖1所示。通常氣體濃度越高，其吸收的對應紅外線的能量越多。因此，我們能通過測量對應波長紅外線的吸收量，來確定這種氣體的濃度。由于從光源發(fā)出的、經過氣體測量腔的光線是復合的、非分散的，因此這種測量方式被稱為非分散紅外技術。本文以檢測CO₂為例來介紹NDIR傳感器的工作原理。

Figure 1. IR absorption for different gases [1]

從上圖1不難看出，不同的氣體對應的吸收波長各不相同。如果僅測量某一特定氣體，通常需要在探測器件前加一個濾光器（Optical filter，如圖2），濾掉除待測氣體可吸收紅外線以外的其他所有光線。CO₂氣體在波長4.26 μm附近的吸收峰最顯著，且基本不與其他氣體的吸收峰重疊。因此，我們經常使用中心波長為4.26 μm的窄帶濾光片來做為二氧化碳傳感器的濾光器。

Figure 2. NDIR sketch of optical structure

在濾光器后面，通常使用熱電堆探測器來測量二氧化碳氣體對應吸收波長的紅外線強度，紅外線的吸收遵循比爾朗伯定律(Beer Lambert Law) [2]：

其中：I表示出射光強(單位W/m²)，I₀表示入射光強(單位W/m²)，k表示待測氣體在特定波段的吸收系數，L表示紅外光源與探測器之間的等效光程長度(單位cm)，C代表氣體濃度(單位mol/dm³)。本式表明，待測氣體中的紅外光強以指數關系遞減，即：待測氣體濃度、吸收系數和等效光程長度越大，紅外強度衰減越大。

Figure 3. Working principle of thermocouple [3]

熱電堆是由大量熱電偶串聯(lián)而成的。熱電偶上有兩根不同材料的導體，根據塞貝克效應(Seebeck Effect)，導體連接的兩個結點所處環(huán)境如果存在溫差，則冷熱結點間存在電勢差（如圖3）。在NDIR應用中，透過濾光片的紅外光線施加在一組串聯(lián)的結點上，結點被加熱，相對于另外一組參考結點，產生了微弱的熱電勢，其與紅外吸收光強呈正比例關系。典型的熱電堆探測器如圖4所示。

Figure 4. Sectional view of MEMS thermopile sensor [3]

熱電堆輸出的是微弱電壓信號，需要經過信號調理電路進行放大和濾波。此外，熱電堆是通過吸收熱輻射來生成感應信號的，環(huán)境溫度的波動必然對其信號造成影響。因此，探測器內通常會封裝一個熱敏電阻用于溫度參考和溫度補償。在精度要求高的應用中，調理后的模擬前端信號和環(huán)境溫度信號經由模數轉化器（ADC）被數字化，再使用軟件（補償算法）對傳感器信號進行DSP（數字信號處理，含濾波、補償等），最后再以數字通訊的方式將濃度讀數輸出到客戶端。原理框圖如圖5所示。

Figure 5. System design of NDIR sensor

這篇文章簡單講述了NDIR二氧化碳傳感器的基本工作原理，請參閱本司其他文章來了解更多應用相關的咨詢。本文版權歸屬萬悟創(chuàng)新，未經許可，禁止轉載。

參考文獻：

[1] D. Popa, et al., “Towards Integrated Mid-Infrared Gas Sensors”, MDPI: Sensors, May, 2019. https://derangedphysiology.com/main/cicm-primary-exam/required-reading/respiratory-system/Chapter%20413/end-tidal-capnometry, Feb, 2020.

[2] L. B. Mendes, “NDIR Gas Sensor for Spatial Monitoring of Carbon Dioxide Concentrations in Naturally Ventilated Livestock Buildings”, MDPI: Sensors, May, 2015.