红外光 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。

三星取得组合传感器和电子装置专利，实现红外波长区域内不同波长的光的感测

金融界2023年12月9日消息，据国家知识产权局公告，三星电子株式会社取得一项名为“组合传感器和电子装置“的专利，授权公告号CN109698211B，申请日期为2018年10月。

专利摘要显示，公开了组合传感器和电子装置，组合传感器包括：第一红外光传感器，配置为感测红外波长区域内的第一波长的光；以及第二红外光传感器，配置为感测红外波长区域内的不同于第一波长的第二波长的光，其中第一红外光传感器和第二红外光传感器相对于彼此堆叠。

本文源自金融界

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