NDIR法应用在CO2检测领域的优点

二氧化碳（CO2）是温室气体的重要组分之一，实时检测其浓度变化对缓解温室效应等方面具有非常重要的意义。非分散红外（Non-dispersion infrared， NDIR）法具有稳定性好、响应速度快、测量范围宽等优点，广泛应用于便携式气体检测等领域。

据麦姆斯咨询报道，近期，一支由安徽师范大学和中科院安徽光学精密机械研究所的研究人员组成的团队在《红外》期刊上发表了以“基于非分散红外法的二氧化碳浓度检测综述”为主题的综述文章。通讯作者为朱向冰教授（安徽师范大学物理与电子信息学院），研究方向为光电系统设计。

这项研究首先分析了NDIR法应用在CO2检测领域的优点，并对NDIR检测原理进行了简单的概述。然后对NDIR气体分析仪的基本结构进行了详细阐述，并对测量系统的经典气体标定方法进行了综述。最后综合分析了NDIR的特点，并展望了未来的发展趋势。1 检测原理NDIR监测技术利用普通红外光源，根据气体在红外波段的“指纹”特性，吸收红外辐射，产生热效应变化并将其转换为电信号，以此测定气体的浓度。该方法具有稳定性好、测量范围宽、功耗小等优点，在温室气体监测中应用比较广泛。NDIR吸收光谱原理NDIR法是一种基于气体吸收红外理论的方法。一束红外光穿过气室，经各组分气体吸收后，与相应气体浓度成正比的光谱强度会发生变化。通过计算相应光谱强度的变化量，可以反演出气体浓度。

图1 H2O、CO2和CO的红外吸收光谱2 NDIR气体分析仪结构NDIR气体分析仪结构主要包括红外辐射系统、窄带光学滤光片、气室、红外探测器和信号处理与控制系统。随着国内外技术的不断发展，NDIR气体分析仪结构正在不断完善，逐步实现仪器的高精度、快速响应和便携化功能，在环境监测等领域有很好的市场应用前景。

图2 NDIR二氧化碳气体传感器结构

红外光源及其调制方式

红外光源是NDIR气体分析仪的重要部件之一。选择合适的光源及其调制方式对降低系统功耗和提高仪器的精准度具有重要作用。目前，传统方法主要采用热辐射红外光源（如镍锘丝、硅碳棒等）和机械斩波调制技术。然而，传统方式存在体积大、稳定性低、功耗大等缺点，逐渐满足不了小型化便携式的发展需求。随着分析仪的小型化、便携式的发展，机械斩波轮劣势显著。而使用MEMS微型红外光源进行电调制，则可大大提高系统的灵敏度和精确度，缩小仪器设备的体积。

气室结构

随着NDIR技术的不断发展，研究人员发现气室结构的巧妙设计可以增加光学路径长度，使红外光源更大程度地被气体分子充分吸收，从而提高检测系统的灵敏度和准确度。至今，常用的气室结构为直射式和反射式气室结构，结构简单，易于制造。

反射式气室结构可以增加光程长，使目标气体得到充分吸收。这不仅提高了系统检测的灵敏度和准确度，而且在保证光程足够长的前提下，有效减小了气室体积，实现了仪器的便携化，因此是目前NDIR气体分析仪气室结构设计的主流方向。

红外探测器

红外探测器是NDIR气体分析仪的核心部件之一。选择合适的探测器可以提高系统的准确度和响应速度。

早期研究人员大多采用热电堆探测器，通过感知红外光源热辐射的变化情况了解吸收气体的浓度变化。随着工艺生产的不断进步，逐渐实现了新式小型化的高灵敏度红外探测器，推动了高精度NDIR气体分析仪的发展。

3 经典气体标定方法研究

在实际检测时，由于传输过程中存在红外辐射的散射、气室对红外光的吸收、反射镜上红外光的损失等因素，仅使用理想朗伯－比尔定律计算气体浓度存在很大偏差。因此，对系统进行气体标定实验，提高CO2浓度测量的准确性，具有重要的研究意义和价值。根据现有文献，本文总结了两种经典常用的气体标定方法：两点校准法和开放光路气体标定理论。

4 总结与展望

在CO2浓度检测领域，NDIR法具有独特的优势。本文介绍了NDIR法的检测原理，分别从NDIR气体分析仪结构和气体标定方法两方面展开了综述。从传统光源到MEMS微型红外光源，从机械斩波调制到电调制，从直射式到反射式气室结构，从热探测器到光子探测器等，都体现了NDIR气体分析仪的发展过程。这些发展不仅体现在硬件的改进上，而且气体标定实验也尤为重要。由于传统的两点校准法存在局限性，研究人员提出了低浓度多点标定法，美国LI-COR公司研制分析仪时采用了开放光路气体标定法等。这些改进技术都有效提高了系统的准确度、响应速度和稳定性等性能，具有十分重要的研究意义和市场应用价值。然而，尽管NDIR法应用广泛，但也存在局限性，比如易受恶劣环境影响、最低检测限高等。

综上所述，NDIR技术在气体检测领域的市场需求仍在增加，未来NDIR技术将继续取得突破，实现多领域多场合的普遍适用性，进一步向体积小、成本低、精度高、多种气体同时检测的方向发展。

审核编辑：彭静