n2o传感器 干货 非色散红外传感器详解

干货 非色散红外传感器详解

1. 非色散红外传感器

定义：Non-Dispersive Infrared (NDIR)传感器是一种由红外光源、光路、红外探测器、电路和软件算法组成的光学传感器，主要用于测化合物，例如：CH4、CO2、N2O、CO、CF4、NO、SO2、NH3、乙醇、苯等，并包含绝大多数有机物。NDIR传感器用一个广谱的光源作为红外传感器的光源，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。

下面是NDIR气体检测仪表原理图

为什么要用NDIR传感器?

市场上常见的传感器，例如催化燃烧和电化学传感器并不是什么气体都能测，CO2就测不了，但是NDIR传感器能测CO2，NDIR最常见的被测气体是CH4、CO和CO2。

测有机气体，NDIR比催化燃烧好在哪里？

催化燃烧传感器虽然能测可燃气，但遇到含氟、氯、溴、硫、有机硅的气体，传感器就会中毒，灵敏度永久性的下降。但同样条件下，NDIR传感器就不会有任何影响，因为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。

NDIR最大的优势是什么？

NDIR传感器有一个最大的优点——长期稳定性优异，维护成本低，这也是NDIR传感器销量高速增长的主要原因。目前估计，大约有3% ~ 5%的工业可燃气仪表用的就是NDIR传感器，年增长率约10%。

NDIR优缺点

优点包括：

抗中毒、不需要氧气、长期稳定性优异、温度范围宽，测量浓度到100%vol。

缺点包括：

1. 最低检测限较高，测量ppm级别的气体浓度成本较高；

2. 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。分析级的多气体NDIR传感器单价可能会达到5万元。

NDIR今后的发展方向是怎样的？

NDIR的技术路线分为两条:

1. 向高分辩率、长波长、多气种方向发展，主要市场是分析仪表。

2. 向小体积，低成本方向发展，主要市场是室内空气质量IAQ检测和电力SF6泄露检测，气种包含CO2和碳氢HC类气体，全球销量约几百万只。

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。还比较常见的是TDLAS红外气体传感器，主要也是用在分析仪表中，或开放光路检测系统中。

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。

2. 量程（Range）

定义：从原理上来说，NDIR传感器可以测量0~100%vol的目标气体，但由于需求的差别，成本的考虑，软件算法的精度等原因，NDIR传感器的量程被分成各种各样。

最常用的量程是多少？

CO2：在工业安全应用中，测CO2最常见的量程是5%vol，即50000ppm；在室内空气质量监测应用中，常见的量程是1%vol，即10000ppm；在汽车尾气排放检测应用中，常见的量程是20%；在烟气连续监测应用中，常见量程是20%vol。在空气中TVOC和水中TOC检测中，量程范围大约是100ppm ~ 10000ppm。

CH4：在工业安全应用中，测CH4最常见的量程是5%vol，即100%LEL；如果是检测天然气泄漏，量程大约是1000ppm；在汽车尾气排放检测中，测的是碳氢HC总量，量程多见为30000ppm己烷或2000ppm己烷；在煤层气瓦斯抽放或垃圾填埋场应用中，量程50%vol就够用了；如果是CH4分析仪表，量程必须到100%vol。

NDIR的量程和测量误差有关系吗？

量程和测量误差有关系。浓度越高，检测绝对误差越大。NDIR传感器，不管怎么设计，量程都可以做到100%vol，只是算法上面支持还是不支持罢了。但和测量误差相关的因素就太多了，有结构设计、光源和探测器的选择、硬件设计、软件设计、测量方法、温度漂移、湿度影响、压力影响等等。

NDIR的量程和传感器体积有关系吗？

有关系。体积比较大，光路比较长的NDIR传感器模块，其量程一般来说都比较小，大约几百到几千ppm；体积比较小，光路短的NDIR传感器模块，其量程一般都比较大，从5%vol到100%vol不等。

3. 精度（Accuracy）

定义：NDIR传感器测量被测气体时，测量值和真值之间的误差用来度量传感器的精度。

为什么其它类型的传感器没有精度，而NDIR传感器有精度呢？

电化学和催化燃烧传感器是微弱模拟信号输出的传感器，其性能参数只有线性和重现性，规格书上没有“精度”这两个字。而市面上的NDIR传感器多数都是数字化输出的，已经是一台小型的“仪器”了，所以通上电以后，读数会通过模拟输出口或数字输出口输出，因此有精度的参数。

NDIR传感器的精度如何表述？

比较科学的表述应该按温度范围来做分类，例如：-40℃ ~70℃之间误差为±x.x%；-25℃~55℃之间误差为±x.x%；0℃~40℃之间误差为±x.x%。但是当气体浓度非常小时，用百分比误差来表述就不合适了，需要用一个绝对浓度值来表示。因此，就产生了这样的表达方式：10ppm + 3%rel。当表达NDIR传感器精度的时候，温度范围是一定要放在一起表达，否则就不全面。

NDIR传感器测量高浓度和低浓度气体的时候，精度是一样的吗？

不一样。低浓度的时候，NDIR传感器的绝对误差小，相对误差大。高浓度时，绝对误差大，相对误差小。如果从设计和制造难易度上来做比较的话，低浓度时候做到高精度比较困难。测量ppm级别CH4泄漏一直都是工业界很难解决的技术难题。

响应时间是如何定义的？

定义：传感器信号从零点上升到通气平衡点一定百分比，所需的时间称为响应时间，通常用T90来描述。从零点上升到平衡信号值的50%所需要的时间称为T50，从零点上升到90%所需的时间称为T90，从零点上升到99%所需的时间称为T99。

催化燃烧传感器和NDIR传感器哪个响应快?

一般说来，催化燃烧传感器响应会更快。原因是催化燃烧传感器内部死体积更小，气体浓度达到平衡所需的时间也会更短。NDIR传感器为达到比较好的分辨率，光学腔体必须加长，这同时也加大了死体积，浓度平衡时间也就加长了。所以在扩散模式下，NDIR传感器的响应时间也就延长了。

在传感器结构一定，气体流量一定的情况下，还有什么因素影响响应时间?

软件会影响传感器响应时间。有些红外仪表厂商，因为传感器分辨率不佳，所以拉宽了滑动移动平均的时间窗口，以换得较好的分辨率，但带来的副作用就是响应时间的延长。

5. 重现性(Repeatability)

定义：在同一天之内，每小时通气一次同样浓度的标准气，获得6次通气平衡的读数，然后计算6次读数的标准差。该标准差越接近于零，说明传感器的重现性越好。

NDIR传感器和催化燃烧传感器的重现性哪个更好?

NDIR更好。催化燃烧传感器的催化珠是暴露在空气中的，容易受到环境中各种气体的干扰和毒害，从而造成零点和灵敏度变化。NDIR传感器内部的元件都是被光学玻璃或滤波片保护起来的，不会受到其他气体的干扰和毒害。光路是镀金的，也不会被腐蚀。所以，NDIR传感器的变化非常缓慢。在一天之内几乎没有变化。

一天之内温度变化了怎么办？

实验室都是在室内的，即使一天之内温度变化也不会超过5℃。5℃对任何气体传感器来说都不会造成大的温漂，NDIR也不例外。所以不用担心一天内的温漂。

测量重现性的时候用什么浓度的气体？

原则上是用量程的25% ~ 75%之间，浓度不要太高，也不要过于低。

6. 供电电压(PowerSupply)

定义：给NDIR传感器的红外光源、探测器和放大电路供电的直流电压。

探测器供电电压有多高？

这根据传感器厂家所选的红外探测器类型而定。探测器类型主要有热电堆和热释电两种。热电堆是一个无源器件，实质上是一个温度传感器。热释电探测器的信号比热电堆的信号大很多，价格也会比热电堆探测器高很多。

放大电路的电压是多少伏呢？

放大电路的电压取决于运放的工作电压范围。有的运放工作范围很宽，一般3.3V或5V都可以工作的。

7. 功耗(PowerConsumption)

定义：NDIR红外传感器的功耗主要消耗在红外光源上，探测器和放大电路的功耗和红外光源比起来是微乎其微的。如果是用一般的钨丝灯作为红外光源，那么整个红外传感器的功耗就只有零点几瓦。

设计红外光源供电电路的时候如何考虑功耗？

红外光源冷态和热态的时候电阻差很多倍，如果是恒压供电，那么需要选择电流比较大的供电芯片，而不仅仅是按照NDIR传感器规格书上所写的功耗来选择。

8.分辨率(Resolution)

定义：分辨率是描述传感器能够分辨的最小的气体浓度改变量的参数。分辨率和灵敏度和噪声相关，类似电子技术里面的一个参数——信噪比。计算公式是：分辨率=3*信号标准差/灵敏度

NDIR传感器的分辨率和最低检测限一样吗？

不一样。电化学和催化燃烧传感器的分辨率约等于最低检测限，因为他们的信号大小和被测气体浓度是线性的，而NDIR则不同。NDIR传感器的灵敏度在不同浓度下是不一样的，零点时最高，满量程时最低。另外，不同浓度下的噪声水平却是接近的。因此，根据分辨率的公式，NDIR传感器在零点时分辨率最好，即最小，相反，在满量程的时候最差。

相同尺寸的红外传感器，测不同的气种，分辨率一样吗？

不一样。不同气种的NDIR传感器分辨率和气体吸收红外光的能力相关。同样是1000ppm的甲烷CH4、二氧化碳CO2和六氟化硫SF6，所造成的红外光吸收排序为:CH4<CO2<SF6。但因为这三种气体的红外吸收波长不同，所以不能简单的认为SF6传感器最容易，CH4传感器最难。事实上是CO2传感器最容易，测量CH4最难。

工业安全级的NDIR传感器分辨率标准是多少？

现在市面上最常见的NDIR传感器是CH4和CO2的。CH4传感器可以接受的分辨率为500ppm，即1%LEL；CO2传感器可以接受的分辨率为100ppm。高端的需求，检测CH4泄露的传感器分辨率需要在25ppm以下，检测尾气排放CO2的传感器分辨率需要1ppm。

9. 暖机时间(Warmup Time)

暖机时间短和暖机时间长对性能有什么影响?

暖机时间短，传感器内部温度还处于上升的过程中，并未平衡，所以此时的测量数据精度稍差，等传感器温度平衡了，就能达到更好的精度。工业安全领域用的NDIR传感器暖机时间比较短，1分钟之内都能正常检测。高精度、高分辨率仪表所用的传感器，暖机时间就比较长了，基本上都要20分钟以上。

10. 温度范围(OperatingTemperature Range)

定义：NDIR传感器能够保证精度的温度范围，用℃来定义。

不同的测量标准所需要满足的温度范围各是多少？

仅针对测量甲烷CH4。中国煤安标准所规定的温度范围较窄，0℃~40℃。中国消防认证所规定的温度范围较宽，-40℃~70℃。美国加拿大的CSA标准规定的温度范围居中，-25℃~55℃。

超过传感器规格书所规定的范围，传感器会坏吗？

不会。NDIR传感器所用的电子元件一般都能覆盖-40℃~85℃。但结构件则不同，如果材料选择不当或多种材料配合不当（主要是热膨胀系数），传感器会造成永久损坏。

11. 湿度范围(OperatingHumidity Range)

定义：NDIR传感器能够保证精度的湿度范围，一般以相对湿度%RH来定义。

如果湿度高，传感器会损坏吗？

如果NDIR传感器在工作状态，高湿度不会损坏传感器，因为传感器的热量会减少冷凝水。如果传感器不在工作状态，高湿度就很可能损坏传感器。因为高湿度会造成传感器内部冷凝水，使电子元器件短路并损坏。

湿度高对传感器读数会有什么影响?

在高湿度的情况下，读数一般都会偏高一点。

什么应用场合会有高湿度？

在地下煤矿和下水道中常年都有较高湿度。NDIR传感器用在这样的环境读数都需要考虑除湿。

12. 压力范围(OperatingPressure Range)

定义：NDIR传感器能够工作的压力范围。一般以大气压来定义。

NDIR传感器能够承受的压力范围有多大？

只要传感器内的红外光源和探测器不损坏，NDIR传感器就能用。按照经验，0.5个大气压到1.5个大气压都能够使用。

如果传感器工作在较高或较低的压力范围，传感器精度能够保证吗？

不能保证。当气压改变时，虽然相对浓度不会变，但气体的绝对浓度会改变，因此传感器的读数会上升。如果软件的算法不变的话，压力高时，读数会高，压力低时，读数会低。但读数和压力并不会呈线性。

13. 零点漂移(ZeroDrift)

定义: 传感器零点随时间的变化量。一般以ppm/mon，或%vol/year的单位来计量。

零点漂移多少是能够接受的呢？

在工业安全领域，NDIR CH4传感器零点的漂移至少需要控制在1000ppm/mom以内。按照消防认证标准，零点和测量点的月漂移必须小于0.15%vol/mon。但这个漂移值在实际应用中是远远不够的，因为工业现场能够接受的漂移值是0.25%vol/6mon。

和催化燃烧传感器相比，零点漂移谁会好一些?

如果是原理和原理相比，一定是NDIR传感器会好一些。因为市面上绝大部分NDIR传感器都能做到5年漂移小于10%读数。而催化燃烧传感器能够达到这个水平的是凤毛麟角。

NDIR传感器的零点误差和测量误差有关系吗？

有密切的关系。如果零点误差为E，测量点误差会大很多，甚至达到3E以上。

14. 平均故障间隔时间(MTBF)

定义: 英文全称是“Mean Time Between Failure”是衡量一个产品（尤其是电器产品）的可靠性指标。它反映了产品的时间质量，是体现产品在规定时间内保持功能的一种能力。具体来说，是指相邻两次故障之间的平均工作时间，也称为平均故障间隔。

NDIR传感器的正常工作时间是几年?

到目前为止，没有确切的统计数据。根据经验，5年的寿命是一定能达到的。红外光源的寿命是整个传感器中寿命最短的，但也能达到几万个小时。如果设计的好，一个红外传感器使用10年也不是没有可能。

NDIR传感器最容易出现什么故障?

该类传感器最常出现的故障是读数负漂。但只要标定零点就可以了。零点标定准确了，测量点是一定准确的。

为了延长NDIR传感器使用寿命，需要对气体做些什么预处理?

最好对气体进行除尘、除湿、去油，这样才能保持传感器内部光路清洁。

15. 交叉灵敏度(CrossSensitivity)

定义: 检测某特定气体的NDIR传感器对其它气体也有响应，这种现象叫做交叉干扰。传感器对其他气体的响应值和气体真值之间的比值，叫做交叉干扰系数，简写“X$”，下图为甲烷中C-H的变形振动图和伸缩振动图

H-C键变形振动图

H-C键的伸缩振动图

NDIR传感器的交叉干扰和电化学传感器相比如何？

NDIR传感器的交叉干扰会小很多，也就是选择性很好。拿CO传感器来举例，CO传感器对H2S、SO2、NO2都会有较大响应，但NDIR CO传感器对以上这些气体几乎没有响应。这个优点是由不同气体的红外吸收光谱所决定的。

可以用NDIR甲烷传感器来测量丙烷或异丁烷吗？

可以。在碳氢类物质之中，几乎都有HC单键或双键，而这两种化学键的红外吸收波段都在3.3微米附近。NDIR CH4传感器的红外吸收波段在3.3微米，而且丙烷和异丁烷在3.3微米附近也有吸收，所以，用NDIR CH4传感器可以用来测量丙烷或异丁烷。

如果用测CH4的NDIR传感器测丙烷或异丁烷，会是线性的吗？

在低浓度的时候是线性的，例如1000ppm以下。在不同的浓度点上交叉灵敏度会有一些差别，但对应关系曲线画出来是单调的。

应用案例 基于QCL的大气N2O测量的开路传感器

近日，来自山东师范大学光学与光子器件技术重点实验室的联合研究团队发表了一篇题为 Open-path sensor based on QCL for atmospheric N2O measurement 的研究论文。

Recently, a collaborative research team from the Shandong Provincial Engineering and Technical Center of Light Manipulations & Shandong Provincial Key Laboratory of Optics and Photonic Device, School of Physics and Electronics, Shandong Normal University published a research paper titled Open-path sensor based on QCL for atmospheric N2O measurement.

简介

作为重要的温室气体之一，氧化亚氮（N2O）可能导致空气污染和全球变暖。N2O在大气中的寿命很长，更糟糕的是，其全球变暖潜力比二氧化碳高300倍。因此，开发一种快速、实时和高精度的气体传感器系统，用于检测大气中的N2O浓度水平，对于更好地理解全球变暖和气候变化至关重要。

调谐二极管激光吸收光谱学（TDLAS）在高灵敏度、选择性和快速响应领域广泛报道，并已被证明是实时检测N2O的可靠工具。基于波长调制光谱学（WMS）的TDLAS已被证明是提高检测灵敏度和降低电子噪声的良好方法。大多数传感器是封闭路径系统。这严重限制了在远程或露天研究中进行连续监测的实际适用性，并限制了测量的空间覆盖范围。为解决这一问题，本文开发了一种紧凑的开放光学路径气体传感器系统。

Introduction

As one of the important greenhouse gases, nitrous oxide (N2O), can give rise to air pollution and global warming. N2O has a long atmospheric lifetime, and worse its global warming potential is 300 times higher than carbon dioxide. Therefore, the development of a fast, real-time, and high-precision gas sensor system for detecting the atmospheric N2O concentration level is essential for the better understanding of global warming and climate changes.

Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS), as a versatile technique, has be widely reported for real-time analysis of gas compositions in the field of high sensitivity, selectivity, and fast response and it has been demonstrated as a dependable tool for real-time detection of N2O. Wavelength modulation spectroscopy (WMS) based TDLAS has been proved to be a good method for improving the detection sensitivity and reducing the electronic noise. Most of sensors are closed-path systems. This severely restricts the practical applicability of continuous monitoring in remote or open-field researches, and limits the spatial coverage of the measurements. To address this problem, in this paper, we develop a compact openoptical-path gas sensor system.

实验细节

基于QCL的开路N2O气体传感器的系统框架如图1所示。它主要由三部分组成：激光系统、光学元件和数据处理部分。激光系统由QCL、激光驱动器和信号发生器组成。光学部件具有检测光路和参考光路。数据处理部分包括数据采集、信号处理和显示模块。

The system framework of the open-path N2O gas sensor based on QCL is depicted in Fig. 1. It mainly consists of three parts: the lasersystem, the optical elements, and the data processing section. The laser-system consists of a QCL, a laser drive and a signal generator. The optical component has the detecting and reference optical paths. The data processing section includes the data acquisition, signal processing and display modules.

Fig. 1. The N2O sensor system schematic diagram.

宁波海尔欣光电科技有限公司为此项目提供了HPQCL-Q™ 标准量子级联激光发射头，QC750-Touch™ 量子级联激光屏显驱动器，HPPD-M-B 前置放大制冷一体型碲镉汞（MCT）光电探测器。

HealthyPhoton Technology Co., Ltd. , provided a QCL(HPQCL-Q™ ), a driver(QC750-Touch™), a HgCdTe photodetector (HPPD-M-B) for this project.

HPQCL-Q™

QC750-Touch™

HPPD-M-B

在这项工作中，需要考虑N2O或其他物质（主要是水蒸气）的光谱吸收干扰，以减少它们对系统特异性和准确性的副作用。如图2(c)所示，根据HITRAN 2016数据库，已经模拟了N2O、CO和CO2的吸收线强度，范围从2020 ~ 2220 cm-1。幸运的是，N2O的独特基本振动带在波数为2200cm-1左右，远离水蒸气的吸收带。因此，室温下的QCL可以达到N2O的基本振动带，检测灵敏度为ppb级。考虑到灵敏度和成本，选择了中心波数为2203.73 cm-1的QCL来检测N2O。QCL的中心电流和温度分别设置为330 mA和36.0 °C。

Details

In this work, we need to take the spectral absorption interference of N2O or other substances (mostly water vapor) into consideration in order to reduce their side effects on the specificity and accuracy of the system. As depicted in Fig. 2(c), the absorption line intensity of N2O, CO and CO2 have been simulated from 2020 ~ 2220cm-1, according to the HITRAN 2016 database. Fortunately, the unique fundamental vibration band of N2O is around wavenumber of 2200cm-1, which is stay away from the absorption band of water vapor. Therefore, the N2O fundamental vibration band can be reached by room-temperature QCL, and the detection sensitivity is ppb level. Taking sensitivity and cost into consideration, a QCL emitting at center wavenumber of 2203.73 cm-1 was selected for detection of N2O. Of the QCL, the central current and temperature were set at 330 mA and 36.0 ◦C, respectively.

Fig. 2.

(a): The relationship between the QCL emission wavenumber and drive current. (b): The dependence the QCL emission wavenumber and temperature. (c): The intensity distribution of absorption lines of N2O, CO and CO2 in the range of 2020 ~ 2220 cm-1.

结论

我们实现了用一种紧凑的开路气体传感器检测大气中的N2O。在这种传感器中，采用了波长调制光谱学与1f-归一化WMS检测策略，以提高检测灵敏度并消除光强度波动的影响。对20 ppm N2O标准气体进行了校准，标准偏差为0.011 ppm，表明具有高精度。对实验室N2O空气进行了连续7小时的测量，浓度的标准偏差低于1.5 ppb。我们使用Allan偏差分析得出，在1秒的积分时间下，N2O的检测限为1.1 ppb，而在最佳积分时间为95秒时，灵敏度可以提高到0.14 ppb。通过在自然环境中进行的为期两天的实时测量验证了所开发传感器系统的长期稳定性。得出的结果充分证明我们的开放光学路径气体传感器系统具有快速响应、良好稳定性、高灵敏度和卓越的精度。

在实际应用方面，该系统可用于检测农田和汽车尾气中的N2O排放。此外，我们认为通过更新具有不同发射波长的QCL，传感器系统还可以检测不同类型的微量气体。

Conclusions

A compact open-path gas sensor is developed for detection of atmospheric N2O. In such sensor, the wavelength modulation spectroscopy with 1f-normalized WMS detection strategy is employed to improve the detection sensitivity and eliminate the influence of light intensity fluctuations. The 20 ppm N2O standard gas is calibrated and the standard deviation is 0.011 ppm, which demonstrates it has high accuracy.

Laboratory N2O air is continuously measured for 7h and the standard deviation of the concentration is below 1.5 ppb. We use Allan deviation analysis to derive that N2O detection limit is 1.1 ppb at integration time of 1 s, and the sensitivity can be improved to 0.14 ppb at an optimal integration time of 95 s. The long-term stability of the developed sensor system is verified by a two-day real-time measurement in ambient air. The derived results well demonstrate our open-optical-path gas sensor system has a fast response, a good stability, a high sensitivity, and an excellent accuracy.

In terms of practical application, the developed system can be used to detect N2O emissions in farmland and automobile exhaust. Furthermore, we believe the sensor system can detect different types of trace gases, by updating QCLs with different emission wavelengths.

参考来源：

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