NDIR法應用在CO2檢測領域的優(yōu)點

二氧化碳（CO2）是溫室氣體的重要組分之一，實時檢測其濃度變化對緩解溫室效應等方面具有非常重要的意義。非分散紅外（Non-dispersion infrared， NDIR）法具有穩(wěn)定性好、響應速度快、測量范圍寬等優(yōu)點，廣泛應用于便攜式氣體檢測等領域。

據麥姆斯咨詢報道，近期，一支由安徽師范大學和中科院安徽光學精密機械研究所的研究人員組成的團隊在《紅外》期刊上發(fā)表了以“基于非分散紅外法的二氧化碳濃度檢測綜述”為主題的綜述文章。通訊作者為朱向冰教授（安徽師范大學物理與電子信息學院），研究方向為光電系統(tǒng)設計。

這項研究首先分析了NDIR法應用在CO2檢測領域的優(yōu)點，并對NDIR檢測原理進行了簡單的概述。然后對NDIR氣體分析儀的基本結構進行了詳細闡述，并對測量系統(tǒng)的經典氣體標定方法進行了綜述。最后綜合分析了NDIR的特點，并展望了未來的發(fā)展趨勢。1 檢測原理NDIR監(jiān)測技術利用普通紅外光源，根據氣體在紅外波段的“指紋”特性，吸收紅外輻射，產生熱效應變化并將其轉換為電信號，以此測定氣體的濃度。該方法具有穩(wěn)定性好、測量范圍寬、功耗小等優(yōu)點，在溫室氣體監(jiān)測中應用比較廣泛。NDIR吸收光譜原理NDIR法是一種基于氣體吸收紅外理論的方法。一束紅外光穿過氣室，經各組分氣體吸收后，與相應氣體濃度成正比的光譜強度會發(fā)生變化。通過計算相應光譜強度的變化量，可以反演出氣體濃度。

圖1 H2O、CO2和CO的紅外吸收光譜2 NDIR氣體分析儀結構NDIR氣體分析儀結構主要包括紅外輻射系統(tǒng)、窄帶光學濾光片、氣室、紅外探測器和信號處理與控制系統(tǒng)。隨著國內外技術的不斷發(fā)展，NDIR氣體分析儀結構正在不斷完善，逐步實現儀器的高精度、快速響應和便攜化功能，在環(huán)境監(jiān)測等領域有很好的市場應用前景。

圖2 NDIR二氧化碳氣體傳感器結構

紅外光源及其調制方式

紅外光源是NDIR氣體分析儀的重要部件之一。選擇合適的光源及其調制方式對降低系統(tǒng)功耗和提高儀器的精準度具有重要作用。目前，傳統(tǒng)方法主要采用熱輻射紅外光源（如鎳锘絲、硅碳棒等）和機械斬波調制技術。然而，傳統(tǒng)方式存在體積大、穩(wěn)定性低、功耗大等缺點，逐漸滿足不了小型化便攜式的發(fā)展需求。隨著分析儀的小型化、便攜式的發(fā)展，機械斬波輪劣勢顯著。而使用MEMS微型紅外光源進行電調制，則可大大提高系統(tǒng)的靈敏度和精確度，縮小儀器設備的體積。

氣室結構

隨著NDIR技術的不斷發(fā)展，研究人員發(fā)現氣室結構的巧妙設計可以增加光學路徑長度，使紅外光源更大程度地被氣體分子充分吸收，從而提高檢測系統(tǒng)的靈敏度和準確度。至今，常用的氣室結構為直射式和反射式氣室結構，結構簡單，易于制造。

反射式氣室結構可以增加光程長，使目標氣體得到充分吸收。這不僅提高了系統(tǒng)檢測的靈敏度和準確度，而且在保證光程足夠長的前提下，有效減小了氣室體積，實現了儀器的便攜化，因此是目前NDIR氣體分析儀氣室結構設計的主流方向。

紅外探測器

紅外探測器是NDIR氣體分析儀的核心部件之一。選擇合適的探測器可以提高系統(tǒng)的準確度和響應速度。

早期研究人員大多采用熱電堆探測器，通過感知紅外光源熱輻射的變化情況了解吸收氣體的濃度變化。隨著工藝生產的不斷進步，逐漸實現了新式小型化的高靈敏度紅外探測器，推動了高精度NDIR氣體分析儀的發(fā)展。

3 經典氣體標定方法研究

在實際檢測時，由于傳輸過程中存在紅外輻射的散射、氣室對紅外光的吸收、反射鏡上紅外光的損失等因素，僅使用理想朗伯－比爾定律計算氣體濃度存在很大偏差。因此，對系統(tǒng)進行氣體標定實驗，提高CO2濃度測量的準確性，具有重要的研究意義和價值。根據現有文獻，本文總結了兩種經典常用的氣體標定方法：兩點校準法和開放光路氣體標定理論。

4 總結與展望

在CO2濃度檢測領域，NDIR法具有獨特的優(yōu)勢。本文介紹了NDIR法的檢測原理，分別從NDIR氣體分析儀結構和氣體標定方法兩方面展開了綜述。從傳統(tǒng)光源到MEMS微型紅外光源，從機械斬波調制到電調制，從直射式到反射式氣室結構，從熱探測器到光子探測器等，都體現了NDIR氣體分析儀的發(fā)展過程。這些發(fā)展不僅體現在硬件的改進上，而且氣體標定實驗也尤為重要。由于傳統(tǒng)的兩點校準法存在局限性，研究人員提出了低濃度多點標定法，美國LI-COR公司研制分析儀時采用了開放光路氣體標定法等。這些改進技術都有效提高了系統(tǒng)的準確度、響應速度和穩(wěn)定性等性能，具有十分重要的研究意義和市場應用價值。然而，盡管NDIR法應用廣泛，但也存在局限性，比如易受惡劣環(huán)境影響、最低檢測限高等。

綜上所述，NDIR技術在氣體檢測領域的市場需求仍在增加，未來NDIR技術將繼續(xù)取得突破，實現多領域多場合的普遍適用性，進一步向體積小、成本低、精度高、多種氣體同時檢測的方向發(fā)展。