一. 非色散紅外傳感器
定義：Non-Dispersive Infrared (NDIR)傳感器是一種由紅外光源、光路、紅外探測器、電路和軟件算法組成的光學傳感器，主要用于測化合物，例如：CH4、CO2、N2O、CO、CF4、NO、SO2、NH3、乙醇、苯等，并包含絕大多數(shù)有機物。NDIR傳感器用一個廣譜的光源作為紅外傳感器的光源，光線穿過光路中的被測氣體，透過窄帶濾波片，到達紅外探測器。通過測量進入紅外傳感器的紅外光的強度，來判斷被測氣體的濃度。下面是NDIR氣體檢測儀表原理圖。
為什么要用NDIR傳感器?
市場上常見的傳感器，例如催化燃燒和電化學傳感器并不是什么氣體都能測，CO2就測不了，但是NDIR傳感器能測CO2，NDIR最常見的被測氣體是CH4、CO和CO2。
測有機氣體，NDIR比催化燃燒好在哪里？
催化燃燒傳感器雖然能測可燃氣，但遇到含氟、氯、溴、硫、有機硅的氣體，傳感器就會中毒，靈敏度永久性的下降。但同樣條件下，NDIR傳感器就不會有任何影響，因為光源和探測器都被玻璃或濾波片保護了起來，和氣體并不接觸。
NDIR最大的優(yōu)勢是什么？
NDIR傳感器有一個最大的優(yōu)點——長期穩(wěn)定性優(yōu)異，維護成本低。這也是NDIR傳感器銷量高速增長的主要原因。目前估計，大約有3% ~ 5%的工業(yè)可燃氣儀表用的就是NDIR傳感器，年增長率約10%。
NDIR還有什么優(yōu)點?
NDIR的優(yōu)點包括：抗中毒、不需要氧氣、長期穩(wěn)定性優(yōu)異、溫度范圍寬，測量濃度到100%vol。
NDIR有什么缺點?
缺點包括：
1. NDIR傳感器功耗和催化燃燒傳感器相當；
2. 最低檢測限較高，測量ppm級別的氣體濃度成本較高；
3. 結(jié)構(gòu)、軟件、硬件比較復雜，價格也就相對較貴。同級別NDIR CH4傳感器價格是催化燃燒傳感器的5~10倍。分析級的多氣體NDIR傳感器單價可能會達到5萬元。
NDIR今后的發(fā)展方向是怎樣的？
NDIR的技術(shù)路線分為兩條:
1. 向高分辯率、長波長、多氣種方向發(fā)展，主要市場是分析儀表。
2. 向小體積，低成本方向發(fā)展，主要市場是室內(nèi)空氣質(zhì)量IAQ檢測和電力SF6泄露檢測，氣種包含CO2和碳氫HC類氣體，全球銷量約幾百萬只。
除了NDIR原理，還有什么原理的紅外傳感器?
和NDIR相對應(yīng)的是DIR——分光型的紅外氣體傳感器。DIR主要用在分析儀表中，體積大，功耗高，怕震動，不適合用在工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境中。還比較常見的是TDLAS紅外氣體傳感器，主要也是用在分析儀表中，或開放光路檢測系統(tǒng)中。
隨著技術(shù)的進步，光聲紅外（Photoacoustic）氣體傳感器也進入了實用。它和NDIR傳感器各有優(yōu)勢，會長期共存，哪種會最終勝出，現(xiàn)在還不能定論。
二. 量程（Range）
定義：從原理上來說，NDIR傳感器的可以測量0~100%vol的目標氣體，但由于需求的差別，成本的考慮，軟件算法的精度等原因，NDIR傳感器的量程被分成各種各樣。諾聯(lián)芯的傳感器就有從100ppm到100%vol量程不等。
最常用的量程是多少？
CO2：在工業(yè)安全應(yīng)用中，測CO2最常見的量程是5%vol，即50000ppm；在室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測應(yīng)用中，常見的量程是1%vol，即10000ppm；在汽車尾氣排放檢測應(yīng)用中，常見的量程是20%；在煙氣連續(xù)監(jiān)測應(yīng)用中，常見量程是20%vol。在空氣中TVOC和水中TOC檢測中，量程范圍大約是100ppm ~ 10000ppm。
CH4：在工業(yè)安全應(yīng)用中，測CH4最常見的量程是5%vol，即100%LEL；如果是監(jiān)測天然氣泄漏，量程大約是1000ppm；在汽車尾氣排放檢測中，測的是碳氫HC總量，量程多見為30000ppm己烷或2000ppm己烷；在煤層氣瓦斯抽放或垃圾填埋場應(yīng)用中，量程50%vol就夠用了；如果是CH4分析儀表，量程必須到100%vol。
NDIR的量程和測量誤差有關(guān)系嗎？
量程和測量誤差有關(guān)系。濃度越高，檢測絕對誤差越大。NDIR傳感器，不管怎么設(shè)計，量程都可以做到100%vol，只是算法上面支持還是不支持罷了。但和測量誤差相關(guān)的因素就太多了，有結(jié)構(gòu)設(shè)計、光源和探測器的選擇、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、測量方法、溫度漂移、濕度影響、壓力影響等等。下文會陸續(xù)提到。
NDIR的量程和傳感器體積有關(guān)系嗎？
有關(guān)系。體積比較大，光路比較長的NDIR傳感器模塊，其量程一般來說都比較小，大約幾百到幾千ppm；體積比較小，光路短的NDIR傳感器模塊，其量程一般都比較大，從5%vol到100%vol不等。
三. 精度（Accuracy）
定義：NDIR傳感器測量被測氣體時，測量值和真值之間的誤差用來度量傳感器的精度。
為什么其它類型的傳感器沒有精度，而NDIR傳感器有精度呢？
電化學和催化燃燒傳感器是微弱模擬信號輸出的傳感器，其性能參數(shù)只有線性和重現(xiàn)性，規(guī)格書上沒有“精度”這兩個字。而市面上的NDIR傳感器多數(shù)都是數(shù)字化輸出的，已經(jīng)是一臺小型的“儀器”了，所以通上電以后，讀數(shù)會通過模擬輸出口或數(shù)字輸出口輸出，因此有精度的參數(shù)。
NDIR傳感器的精度如何表述？
比較科學的表述應(yīng)該按溫度范圍來做分類，例如：-40℃ ~70℃之間誤差為±x.x%；-25℃~55℃之間誤差為±x.x%；0℃~40℃之間誤差為±x.x%。但是當氣體濃度非常小時，用百分比誤差來表述就不合適了，需要用一個絕對濃度值來表示。因此，就產(chǎn)生了這樣的表達方式：10ppm + 3%rel。當表達NDIR傳感器精度的時候，溫度范圍是一定要放在一起表達，否則就不全面。
NDIR傳感器測量高濃度和低濃度氣體的時候，精度是一樣的嗎？
不一樣。低濃度的時候，NDIR傳感器的絕對誤差小，相對誤差大。高濃度時，絕對誤差大，相對誤差小。如果從設(shè)計和制造難易度上來做比較的話，低濃度時候做到高精度比較困難。測量ppm級別CH4泄漏一直都是工業(yè)界很難解決的技術(shù)難題。
四、響應(yīng)時間（Response time）
響應(yīng)時間是如何定義的？
定義：傳感器信號從零點上升到通氣平衡點一定百分比，所需的時間稱為響應(yīng)時間，通常用T90來描述。從零點上升到平衡信號值的50%所需要的時間稱為T50，從零點上升到90%所需的時間稱為T90，從零點上升到99%所需的時間稱為T99。
催化燃燒傳感器和NDIR傳感器哪個響應(yīng)快?
一般說來，催化燃燒傳感器響應(yīng)會更快。原因是催化燃燒傳感器內(nèi)部體積更小，氣體濃度達到平衡所需的時間也會更短。NDIR傳感器為達到比較好的分辨率，光學腔體必須加長，這同時也加大了死體積，濃度平衡時間也就加長了。所以在擴散模式下，NDIR傳感器的響應(yīng)時間也就延長了。因此，諾聯(lián)芯的分析級紅外傳感器采用了泵吸式的進氣方式，T90響應(yīng)時間可以達到2~5秒，比催化燃燒傳感器響應(yīng)更快。
怎樣才能使紅外傳感器響應(yīng)時間更短?
在不改變傳感器其它性能的前提下，可以將擴散模式改為泵吸模式，可以縮短響應(yīng)時間。氣泵流量調(diào)節(jié)比較好控制，不像擴散模式難以捉摸。
在傳感器結(jié)構(gòu)一定，氣體流量一定的情況下，還有什么因素影響響應(yīng)時間?
軟件會影響傳感器響應(yīng)時間。有些紅外儀表廠商，因為傳感器分辨率不佳，所以拉寬了滑動移動平均的時間窗口，以換得較好的分辨率。但帶來的副作用就是響應(yīng)時間的延長。
五. 重現(xiàn)性(Repeatability)
定義：在同一天之內(nèi)，每小時通氣一次同樣濃度的標準氣，獲得6次通氣平衡的讀數(shù)，然后計算6次讀數(shù)的標準差。該標準差越接近于零，說明傳感器的重新性越好。
NDIR傳感器和催化燃燒傳感器的重現(xiàn)性哪個更好?
NDIR更好。催化燃燒傳感器的催化珠是暴露在空氣中的，容易收到環(huán)境中各種氣體的干擾和毒害，從而造成零點和靈敏度變化。NDIR傳感器內(nèi)部的元件都是被光學玻璃或濾波片保護起來的，不會受到其他氣體的干擾和毒害。光路是鍍金的，也不會被腐蝕。所以，NDIR傳感器的變化非常緩慢。在一天之內(nèi)幾乎沒有變化。
一天之內(nèi)溫度變化了怎么辦？
實驗室都是在室內(nèi)的，即使一天之內(nèi)溫度變化也不會超過5℃。5℃對任何氣體傳感器來說都不會造成大的溫漂，NDIR也不例外。所以不用擔心一天內(nèi)的溫漂。
測量重復性的時候用什么濃度的氣體？
原則上是用量程的25% ~ 75%之間，濃度不要太高，也不要過于低。
六. 供電電壓(PowerSupply)
定義：給NDIR傳感器的紅外光源、探測器和放大電路供電的直流電壓。
紅外光源是一直點亮的嗎？
不是的。紅外光源是一閃一閃的，每次閃爍的時候，需要給紅外光源供電。供電方式分為恒壓、恒流和恒功率三種，電路是恒壓最容易，恒功率最復雜。
探測器供電電壓有多高？
這根據(jù)傳感器廠家所選的紅外探測器類型而定。探測器類型主要有熱電堆和熱釋電兩種。熱電堆是一個無源器件，實質(zhì)上是一個溫度傳感器。熱釋電探測器的信號比熱電堆的信號大很多，價格也會比熱電堆探測器高很多。
放大電路的電壓是多少伏呢？
放大電路的電壓取決于運放的工作電壓范圍。有的運放工作范圍很寬，一般3.3V或5V都可以工作的。
七、. 功耗(PowerConsumption)
定義：NDIR紅外傳感器的功耗主要消耗在紅外光源上，探測器和放大電路的功耗和紅外光源比起來是微乎其微的。如果是用一般的鎢絲燈作為紅外光源，那么整個紅外傳感器的功耗就只有零點幾瓦。
設(shè)計紅外光源供電電路的時候如何考慮功耗？
紅外光源冷態(tài)和熱態(tài)的時候電阻差很多倍，如果是恒壓供電，那么需要選擇電流比較大的供電芯片，而不僅僅是按照NDIR傳感器規(guī)格書上所寫的功耗來選擇。
NDIR傳感器規(guī)格書上的功耗是如何計算出來的？
紅外光源是一閃一閃的。如果占空比是50%，那么光源的功率其實是將點亮時的功率除以2得到的。
放大電路的功耗大概有多少？
放大電路的功耗主要消耗在運放上，一般來說電流只有幾個mA。如果是5V供電，5mA電流，那么功耗就是5V*5mA=25mW。
八.分辨率(Resolution)
定義：分辨率是描述傳感器能夠分辨的最小的氣體濃度改變量的參數(shù)。分辨率和靈敏度和噪聲相關(guān)，類似電子技術(shù)里面的一個參數(shù)——信噪比。計算公式是：分辨率=3*信號標準差/靈敏度
NDIR傳感器的分辨率和最低檢測限一樣嗎？
不一樣。電化學和催化燃燒傳感器的分辨率約等于最低檢測限，因為他們的信號大小和被測氣體濃度是線性的。而NDIR則不同。NDIR傳感器的靈敏度在不同濃度下是不一樣的，零點時最高，滿量程時最低。另外，不同濃度下的噪聲水平卻是接近的。因此，根據(jù)分辨率的公式，NDIR傳感器在零點時分辨率最好，即最小，相反，在滿量程的時候最差。
相同尺寸的紅外傳感器，測不同的氣種，分辨率一樣嗎？
不一樣。不同氣種的NDIR傳感器分辨率和氣體吸收紅外光的能力相關(guān)。同樣是1000ppm的甲烷CH4、二氧化碳CO2和六氟化硫SF6，所造成的紅外光吸收排序為:CH4<CO2<SF6。但因為這三種氣體的紅外吸收波長不同，所以不能簡單的認為SF6傳感器最容易，CH4傳感器最難。事實上是CO2傳感器最容易，測量CH4最難。
工業(yè)安全級的NDIR傳感器分辨率標準是多少？
現(xiàn)在市面上最常見的NDIR傳感器是CH4和CO2的。CH4傳感器可以接受的分辨率為500ppm，即1%LEL；CO2傳感器可以接受的分辨率為100ppm。高端的需求，檢測CH4泄露的傳感器分辨率需要在25ppm以下，檢測尾氣排放CO2的傳感器分辨率需要1ppm。這兩個分辨率，諾聯(lián)芯的LARK-1系列傳感器都能夠達到。
九. 暖機時間(Warmup Time)
定義：傳感器能夠達到規(guī)格書所寫性能范圍的上電時間。
暖機時間短和暖機時間長對性能有什么影響?
暖機時間短，傳感器內(nèi)部溫度還處于上升的過程中，并未平衡，所以此時的測量數(shù)據(jù)精度稍差。等傳感器溫度平衡了，就能達到更好的精度。工業(yè)安全領(lǐng)域用的NDIR傳感器暖機時間比較短，1分鐘之內(nèi)都能正常檢測。高精度、高分辨率儀表所用的傳感器，暖機時間就比較長了，基本上都要20分鐘以上。
暖機還有什么好處?
暖機還可以驅(qū)除光路內(nèi)的凝露。在一些濕度高的環(huán)境中，如果NDIR傳感器存放時間長了，光路內(nèi)會結(jié)露。上電后，溫度上升，凝露會慢慢減退，達到規(guī)格書所規(guī)定的檢測精度。
如果有凝露，傳感器讀數(shù)是高還是低?
會偏高，甚至滿量程報警。隨著凝露慢慢蒸發(fā)，讀數(shù)會慢慢降下來。
十. 溫度范圍(OperatingTemperature Range)
定義：NDIR傳感器能夠保證精度的溫度范圍，用℃來定義。
不同的測量標準所需要滿足的溫度范圍各是多少？
僅針對測量甲烷CH4。中國煤安標準所規(guī)定的溫度范圍較窄，0℃~40℃。中國消防認證所規(guī)定的溫度范圍較寬，-40℃~70℃。美國加拿大的CSA標準規(guī)定的溫度范圍居中，-25℃~55℃。
超過傳感器規(guī)格書所規(guī)定的范圍，傳感器會壞嗎？
不會。NDIR傳感器所用的電子元件一般都能覆蓋-40℃~85℃。但結(jié)構(gòu)件則不同，如果材料選擇不當或多種材料配合不當（主要是熱膨脹系數(shù)），傳感器會造成永久損壞。
如果想超過溫度范圍使用，該如何操作?
1. 首先要選擇在寬溫度范圍內(nèi)不會損壞的NDIR傳感器。
2. 電子元件選擇溫度范圍寬的，而且溫漂小的。
3. 自己設(shè)計補償軟件和算法。
十一. 濕度范圍(OperatingHumidity Range)
定義：NDIR傳感器能夠保證精度的濕度范圍，一般以相對濕度%RH來定義。
如果濕度高，傳感器會損壞嗎？
如果NDIR傳感器在工作狀態(tài)，高濕度不會損壞傳感器，因為傳感器的熱量會減少冷凝水。如果傳感器不在工作狀態(tài)，高濕度就很可能損壞傳感器。因為高濕度會造成傳感器內(nèi)部冷凝水，使電子元器件短路并損壞。
濕度高對傳感器讀數(shù)會有什么影響?
在高濕度的情況下，讀數(shù)一般都會偏高一點。
什么應(yīng)用場合會有高濕度？
在地下煤礦和下水道中常年都有較高濕度。NDIR傳感器用在這樣的環(huán)境讀數(shù)都需要考慮除濕。
十二. 壓力范圍(OperatingPressure Range)
定義：NDIR傳感器能夠工作的壓力范圍。一般以大氣壓來定義。
NDIR傳感器能夠承受的壓力范圍有多大？
只要傳感器內(nèi)的紅外光源和探測器不損壞，NDIR傳感器就能用。按照經(jīng)驗，0.5個大氣壓到1.5個大氣壓都能夠使用。
如果傳感器工作在較高或較低的壓力范圍，傳感器精度能夠保證嗎？
不能保證。當氣壓改變時，雖然相對濃度不會變，但氣體的絕對濃度會改變，因此傳感器的讀數(shù)會上升。如果軟件的算法不變的話，壓力高時，讀數(shù)會高，壓力低時，讀數(shù)會低。但讀數(shù)和壓力并不會呈線性。
NDIR傳感器對氣體流量大小有要求嗎？
有的。以LARK-1系列的紅外氣體傳感器為例，流量范圍是300 ~ 900ml/min。如果流量大了，會在腔體內(nèi)造成正壓，使讀數(shù)上升。
十三. 零點漂移(ZeroDrift)
定義: 傳感器零點隨時間的變化量。一般以ppm/mon，或%vol/year的單位來計量。
零點漂移多少是能夠接受的呢？
在工業(yè)安全領(lǐng)域，NDIR CH4傳感器零點的漂移至少需要控制在1000ppm/mom以內(nèi)。按照消防認證標準，零點和測量點的月漂移必須小于0.15%vol/mon。但這個漂移值在實際應(yīng)用中是遠遠不夠的，因為工業(yè)現(xiàn)場能夠接受的漂移值是0.25%vol/6mon。諾聯(lián)芯的傳感器可以控制在500ppm/3mon之內(nèi)。注意，這是不控溫，不控濕的情況下所測得的曲線。
和催化燃燒傳感器相比，零點漂移誰會好一些?
如果是原理和原理相比，一定是NDIR傳感器會好一些。因為市面上絕大部分NDIR傳感器都能做到5年漂移小于10%讀數(shù)。而催化燃燒傳感器能夠達到這個水平的是鳳毛麟角。
NDIR傳感器的零點誤差和測量誤差有關(guān)系嗎？
有密切的關(guān)系。如果零點誤差為E，測量點誤差會大很多，甚至達到3E以上。
十四. 平均故障間隔時間(MTBF)
定義: 英文全稱是“Mean Time Between Failure”。是衡量一個產(chǎn)品（尤其是電器產(chǎn)品）的可靠性指標。它反映了產(chǎn)品的時間質(zhì)量，是體現(xiàn)產(chǎn)品在規(guī)定時間內(nèi)保持功能的一種能力。具體來說，是指相鄰兩次故障之間的平均工作時間，也稱為平均故障間隔。
NDIR傳感器的正常工作時間是幾年?
到目前為止，沒有確切的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。根據(jù)經(jīng)驗，5年的壽命是一定能達到的。紅外光源的壽命是整個傳感器中壽命最短的，但也能達到幾萬個小時。如果設(shè)計的好，一個紅外傳感器使用10年也不是沒有可能。
NDIR傳感器最容易出現(xiàn)什么故障?
該類傳感器最常出現(xiàn)的故障是讀數(shù)負漂。但只要標定零點就可以了。零點標定準確了，測量點是一定準確的。
為了延長NDIR傳感器使用壽命，需要對氣體做些什么預處理?
最好對氣體進行除塵、除濕、去油。這樣才能保持傳感器內(nèi)部光路清潔。
十五. 交叉靈敏度(CrossSensitivity)
定義: 檢測某特定氣體的NDIR傳感器對其它氣體也有響應(yīng)，這種現(xiàn)象叫做交叉干擾。傳感器對其他氣體的響應(yīng)值和氣體真值之間的比值，叫做交叉干擾系數(shù)，簡寫“X$”，下圖為甲烷中C-H的變形振動圖和伸縮振動圖
H-C鍵變形振動圖
H-C鍵的伸縮振動圖
NDIR傳感器的交叉干擾和電化學傳感器相比如何？
NDIR傳感器的交叉干擾會小很多，也就是選擇性很好。拿CO傳感器來舉例，EC CO傳感器對H2S、SO2、NO2都會有較大響應(yīng)，但NDIRCO傳感器對以上這些氣體幾乎沒有響應(yīng)。這個優(yōu)點是由不同氣體的紅外吸收光譜所決定的。
我可以用NDIR甲烷傳感器來測量丙烷或異丁烷嗎？
可以。在碳氫類物質(zhì)之中，幾乎都有HC單鍵或雙鍵，而這兩種化學鍵的紅外吸收波段都在3.3微米附近。NDIR CH4傳感器的紅外吸收波段在3.3微米，而且丙烷和異丁烷在3.3微米附近也有吸收，所以，用NDIR CH4傳感器可以用來測量丙烷或異丁烷。
LARK-1 CH4傳感器因為分辨率好，不僅可以測量長碳鏈的HC，還可以測量一氯甲烷和一溴甲烷，靈敏度大約是測量甲烷的20% ~ 25%。
如果用測CH4的NDIR傳感器測丙烷或異丁烷，會是線性的嗎？
在低濃度的時候是線性的，例如1000ppm以下。在不同的濃度點上交叉靈敏度會有一些差別，但對應(yīng)關(guān)系曲線畫出來是單調(diào)的。
滬公網(wǎng)安備 31011402009709號