非接触红外传感器 科普｜疫情防控中的非接触式红外测温仪及传感器

科普｜疫情防控中的非接触式红外测温仪及传感器

近来，在疫情防控阻击战中，紧急物资短缺、供应不足，基础类产品全球化采购仍不能满足需求，所暴露出的矛盾和突出问题，让人记忆犹新，甚至是刻骨铭心。防控让一个名不经传的普通产品一举成名，这个在抗“疫”战场上处处所需、家家要用、站站配备“神奇”的器物是什么？为何到了一物难求、四处打探、“苦苦追寻”的地步？它就是体温检测的“哨兵”和“探子”——非接触式红外测温仪，也就是人们俗称的手持耳温与额温枪，在疫情防控中发挥着无可替代的重要作用。

众所周知，红外传感器产能不足，是导致温枪紧俏短缺的主要原因。可是，红外传感器原理、结构、性能如何？温枪的结构、原理、核心技术是什么？为什么不接触就能测温？其准确性、精度如何？可否达到人体测温精度和医用计量标准要求呢？这些问题，就鲜为人知了。

一、红外线基本概念

太阳以红外线方式把热量输送到地球，使得自然界中存在的任何实际物体，几乎都是具有能量的反射和透过，其表面的发射率为1的黑体，均含热能。

任何物体的分子和原子都会自身的进行无规则的热运动，并以红外线方式不间断地向外辐射出热能量，也被称为电磁波辐射。不同物质其吸收太阳光能不同，其分子和原子的运动也不同，运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量也愈小。因此，凡是高于绝对零度（-273.15℃）的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。

1、什么是红外线

红外线（Infrared）也是一种电磁波，是波长介于可见光与微波（无线电波）之间的电磁波，单位常用微米（μm）表示，范围为0.76－1000微米，即760纳米（nm）到1毫米（mm）之间。红外线按波长分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，其波长分别为0.76μm；1.1μm；2.526μm；25μm以上。实际上，通常用于红外测温的一般在0.76微米－14微米的近红外波段。红外线在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域，是比红光更长的非可见光。见下图：

图1 光谱示意图

研究发现，太阳光谱中从紫色光到红色光的热效应是逐渐增大的，而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围之内，因此，红外辐射又被称为热辐射或者热射线。由此可见，红外辐射的物理本质就是热辐射。物体的温度越高，向四周辐射能量就越强，辐射出来的红外线就越多。

2、红外线的医学等应用

医用红外线一般可分为两类：近红外线与远红外线。波段为4-14μm 范围，被称为“生育光线”，对人体活化细胞组织，促进细胞生长；强化肝脏功能，提高肝脏解毒、排毒作用；促进血液循环，提高组织再生能力和免疫力，加强人体的新陈代谢；改善血液循环，解决失眠乏力，四肢冰冷，增加细胞的吞噬功能，消除肿胀，促进炎症消散，治疗慢性炎症等等都有积极作用。

当然，红外线在日常生活中应用也非常广泛，红外光波炉能够迅速产生高温高热，加热效率极高，冷却速度也快，而且保证食物色泽，不会烤焦。在高温杀菌、监控设备、手机的红外接口、宾馆的房门卡、电视机遥控器等，都有红外线的影子。在军事上的应用更为普遍，红外夜视器材在现代化战争中发挥着重要作用。夜视望远镜加个滤光镜，就可透视了，不仅可应用于夜间望远而且还可以透过人的衣服看到身体。随着我国技术不断创新，红外线在人造卫星以及工业、卫生、科研、日常生活等方面的应用将日益广泛。

3、红外热像技术

由于各种物体比如人、动物、车辆、飞机等吸收与含存的热能量强度不同，向外辐射的热红外能量自然不同，都能展示出其各自不同的红外辐射能量强度分布图形。当接受被测目标物体的红外辐射能量分布图形并反映到红外探测器的光敏元件上，通过对物体的红外热像进行光扫描后，并聚焦在单元或分光探测器上，再由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大、转换或标准视频信号处理，显示出与被测物体表面的热分布场相对应的红外热像图。由于热像分布图信号非常弱，与可见光图像相比，缺少层次和立体感。为更有效地判断被测目标的红外热分布场，通常采用图像亮度调节、对比度控制、实标校准、伪色彩描绘与标定等技术来达到实用效果。因此，一种由红外探测器、光学成像物镜和光扫描系统构成的红外热像仪悠然而生。一切物体不受烟、雾及树木等障碍物的影响，不论白天和夜晚都能清晰地被观察到，这是目前人类掌握的最先进的物体（夜视）观测器材。

热成像的应用范围非常广泛，电力、地下管道、消防医疗、救灾、工业检测等方面都有巨大的市场需求，由于价格特别昂贵，目前只能被应用于军事上。人们已通过减少扫描速度来提高图像分辨率、运用新材料等技术创新措施降低成本。随着社会经济发展与科技进步，红外热成像这项技术必将大规模地应用于民用市场领域。

二、人体红外温度传感器

一切温度高于零度（-273.15℃）的物体都在不停地向周围空间发射红外能量。其辐射特性、辐射能量的大小、波长分布等都与物体表面温度密切相关。反过来,通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温的机理。

人体与其他生物体一样，自身也在向四周辐射释放红外能量，其波长一般为9-13μm，是处在0.76-100μm 的近红外波段。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收，也就是说，人体向外辐射的红外大小与环境影响无关，只是与人体含存与释放能量大小有关，因此，只要通过对人体自身辐射红外能量的测量就能准确地测定人体表面温度。人体红外温度传感器就是根据这一原理，设计制作而成的。

非接触红外测温技术不需要接触被测物，避免传染、烫伤等危险或无法触碰的物体，特别是像卫生设施、医用物品等不会被污染或损坏。快速、准确地测量出物体的表面温度，具有响应快、精度高、低成本、寿命长、使用安全等优点，在产品质量控制和监测、设备在线故障诊断、安全保护等方面发挥了重要作用。

1、红外温度传感器类型

根据红外线波长、功能、应用需求，红外传感器一般分为红外气体、红外图像、红外温度传感器三大门类。用于气体检测的红外气体传感器种类最为繁多，用于红外测温的传感器，按机理与使用环境划分为制冷、非制冷，接触、非接触四大类别。制冷的用于军事装备与设施、大型工程设施、工业过程、环境保护与监控等超远距离、高清晰系统；接触用于特殊物体常态化连续温度检测以及医用诊疗设备、测温电子皮肤等。而目前红外温度传感器根据能量转换所用材料不同，可分为以下几种类型：

（1）热释电型：硫酸三甘肽、钽酸锂等

（2）热电堆型：N型和P型的多晶硅

（3）二极管型：单晶或多晶PN结

（4）热电容型：双材料薄膜

（5）热敏电阻型：氧化钒、非晶硅等

其实，这些类型都只是在接收红外能量后，转换方式和材料能效比不同而已。

2、红外热电堆式温度传感器

目前耳、额温枪采用的红外传感器均为热电堆式，基本物理原理是塞贝克效应。红外热电堆式温度传感器类似于热电偶，由可透过特定波长范围的红外滤光片和红外接收的热电堆芯片组成。外加一个腔内环境比对温度基准（陶瓷热敏电阻等校准温度用）。热电堆芯片常用的材料有Poly Si/Al、N-Poly Si/P-Poly Si。

热电堆温度传感器的工作原理、内部结构及外形封装结构示意见下图：

图2 工作原理示意图

图3 内部结构关系示意图

图4 成品内、外部结构关系示意图

（1） 红外滤光片是能够过滤不同波长的光敏感元件。其结构简单但工艺复杂，通常采用半导体材料和工艺，结合MEMS技术，形成精确度极高的透光窗口。不同规格的窗口，可以透过设计范围或特定波长的红外线，其他波长的则不能通过。由于不同物体释放的红外能不同，不同环境下测量方式不同，一般需要设计不同窗口作为检测该物体红外温度传感器的特定光敏感元件。

（2） 热电堆芯片是通过热隔离支撑层、Poly Si参杂、背腔刻蚀(干法或湿法)或正面释放(XeF)等关键工艺制作而成，用于吸收红外热能。当被测物体特定波长红外辐射给热电堆吸收体吸收后，瞬间热电堆焦变体的电荷发生变化，积累后形成电动势，即电压值。热电堆芯片阻值通常在50-100KΩ、响应率通常在50-200V/W；芯片尺寸一般在1×1mm-2×2mm之间，国外一般为1.05×1.05mm。

（3） 热电堆式温度传感器参数指标：

测量范围：-50℃-100℃；测量精度：0.1℃以内，±0.1%以内；

工作温度：-20℃-+85℃；最大测量距离：≦0-50mm（加透镜300-500mm）

输出电压：0-10mV；

热电堆温度传感器最大量程范围可以做到-60℃到+1200℃范围。

（4） 封装形式与应用范围。热电堆式温度传感器即可以是模拟量输出，也可作为开关量输出。因此，可广泛应用于空调、微波炉等智能家电，大型复印机、烘干机等各种工业智能设备，以及电力控制系统的各种设备温度监控。还可用在红外气体测量、工业环境、安防控制、可穿戴设备、人体感应开关等各种配套使用。

红外热电堆传感器成品图主要封装形式有两种：TO46(TO18)/TO39(TO5)；

图5 T046（T018）封装产品实物图

图6 T046（T018）封装产品实物图

三、人体红外测温仪（额温枪、耳温枪）

手持耳、额温枪，顾名思义，用于检测人体耳腔、额头表面温度，外形类似于手枪形状的手持式红外测温仪。额温枪与耳温枪原理完全一致，都是采用红外测温原理，根据人体额头、耳腔内的温度与体温的关系得到人体的实际体温，二者只是结构和算法略有不同。它是由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。简单地说就是由红外热电堆式温度传感器接收到人体表面发出的能量后，将红外能量转换成电信号，放大器把传感器电信号进行放大处理，通过模数转换（A/D转换）变为数字信号或调制解调处理转换成频率信号，再通过补偿修正、参数校准和算法模型等工作就可转换为医用级的高精度温度值。加上显示驱动电路、液晶显示屏、外壳和电池等组装一起，就成为一个完整的温枪。增加存储电路和微处理器等就可成为智能型温度检测仪。相对于传统的接触式水银体温计、电子体温计，毋需接触，避免交叉感染，只须将探测窗口对准耳腔、额头位置，1秒即可安全、快速、准确的测出人体温度，操作简单、便捷。

（1）测量电路组成

非接触式体温计的主控电路分模拟电路和数字电路两种，其中模拟电路的处理方法精确度得不到保证，一般用于工业测量；数字电路通过对信号进行放大，提高A/D转换器的分辨率，精确度可以达到±0.1℃，更适用于人体温度的测量。

手持式耳温、额温枪系统逻辑结构关系和逻辑电路图如下图（a）（b）所示。

图7 手持式红外温枪（耳温、额温）系统逻辑关系结构框图 （a）

图8 手持式红外温枪（耳温、额温）系统逻辑电路图 （b）

红外温枪核心芯片主要由ADC芯片CS1258和控制芯片CSU8RP1382D设计组成，可实现按键控制、LCD显示、电量检测等功能；模数转换芯片CS1258具有24 bit分辨率，且输出速率 10-1280Hz分8档可选；有效位2.35V 参考、40Hz 速率、128倍增益下 19.5bits 有效位；也可支持性能、普通、低功耗、休眠模式，同时还支持电压测量、温度测量、BIM 测量及手动测量模式，单命令切换。

CSU8RP1382D芯片作为SOC控制芯片，是8位RISC架构的高性能单片机MCU，集成了18Bit高精度ADC和LCD显示模块。内置4K×16位一次性可编程存储器（OTP ROM），384字节数据存储器（SRAM），只有43条单字指令，8级存储堆栈，最快指令周期2MHz。常用的测量系统，其外围只需7个普通电容即可。在工作电压（2.5-3.6V）范围内任意把系统校准数据保存到OTP内，具有UART通讯口。

为了扩大温度测量范围，先通过一个高压LDO RS3002把电池电压转为3V，供整个系统使用，包括为单片机，背光灯，运放等器件供电，然后再用一个低功耗LDO RS3236从3V降为1.5V，以便能给热电堆提供一个参考电压，让测量温度范围扩大。单片机通过读取热电堆内部的NTC电阻与固定100kΩ电阻分压后的电压值，计算出不同环境温度比对后的温度准确值。

由于热电堆的输出电阻较高，放大器倍数大概需要100倍以上，以便将小于10uV的传感器信号放大后输入给处理器。系统还使用有ST17H26智能蓝牙芯片，通过手机APP可以实现测温的历史数据保存与曲线变化。

此电路系统除温枪外，在电子衡器、精密测量及控制系统、智能穿戴测量等都能使用。

（2）技术参数指标与产品特征

人体测温仪最佳红外波长为9-13微米（μm），最大值温度测量区间为35-45℃之间。通过对耳、额表面温度与实际体温的偏差值修正、校准，便能显示准确的体温值。具体参数指标如下：

a.精确测量：测量偏差≤±0.3℃。

b.快速测温：测量时间＜1秒钟。

c.测量距离：在5-15CM之内都可以适应，无需固定测量距离。

d.屏幕显示：屏幕液晶显示测量温度。

e.单位转换：使用摄氏度、华氏度互相转换。

f.温度报警：自由设定报警温度。

g.存储数据：存储测量数据，便于分析参考对比。

h.非接触性：对人体耳腔、额头测量，不接触人体皮肤。

i.设置修改：可修改、设置参数，适应白、黑、黄、棕色不同肤色人种等。

j.易于使用：一键测量，操作方便。

此外，手持温枪也有软肋和注意事项。由于防护镜片是最易损坏的部分，因此，必须小心保护探头镜片；探头镜片需要保持干净，清洗要用棉签或软布沾水或酒精轻轻擦拭；不得浸水或阳光直接暴晒；也不可重摔或碰撞，以免导致其损坏。

（3）产品结构设计类型 a.产品设计逻辑框图：带变焦镜头的温度检测系统，温度测量范围更宽、距离更远，使用场所更广阔。其逻辑关系如下图所示。

图9 通用高端红外测温系统逻辑框图

b.手持式耳温、额温枪的部件结构外形图例

图10 额温、耳温枪拆解后内部零件结构图

c.市场典型手持式耳温、额温枪产品图例

图11 额温、耳温枪产品实物展示图

（4）产品应用范围与发展趋势

人体正常体温对于每个人来说都是独一无二的，从34.7℃-38℃不等，取决于测量温度的部位和个体差异。世卫组织（WTO）提供的人体正常体温的标准参考数值是：a.耳内：35.8℃-38℃；b.腋窝：34.7℃-37.3℃；c.口腔：35.5℃-37.5℃；d.直肠：36.6℃-38℃。

耳温、额温枪适合家庭、宾馆、图书馆、大型企事业单位，也可以用于医院、学校、海关、机场等综合性场所的快速筛查，还可提供给医务人员在诊所使用。

由于刻度读取准确性、水银（汞）生产工艺、使用回收等环保因素，国际已经淘汰水银温度计，提倡采用电子温度计，但电子温度计也需要接触测量（腋下、口腔、肛门等），对于儿童、重症患者的测温就有一定的难度和不方便。因此，随着科技进步与技术创新，通过结构、功能、精度、测量方式的改进，未来会有类似温枪的更多创新人体智能化测温产品问世，并充实医疗、家庭等市场，满足不同需求，服务于更多人群。

作者郭源生系中国传感器与物联网产业联盟副理事长、九三中央科技委副主任

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。

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