非分散红外(NDIR)二氧化碳传感器工作原理

非分散红外（NDIR）技术是一种测量气体浓度的常用方式，可用于检测多种化合物类型的气体。存在于传感器的气体测量腔内的某气体（例如CO₂，CO、CH₄和其他羟基CH气体等）会吸收对应波长的红外线，如图1所示。通常气体浓度越高，其吸收的对应红外线的能量越多。因此，我们能通过测量对应波长红外线的吸收量，来确定这种气体的浓度。由于从光源发出的、经过气体测量腔的光线是复合的、非分散的，因此这种测量方式被称为非分散红外技术。本文以检测CO₂为例来介绍NDIR传感器的工作原理。

Figure 1. IR absorption for different gases [1]

从上图1不难看出，不同的气体对应的吸收波长各不相同。如果仅测量某一特定气体，通常需要在探测器件前加一个滤光器（Optical filter，如图2），滤掉除待测气体可吸收红外线以外的其他所有光线。CO₂气体在波长4.26 μm附近的吸收峰最显著，且基本不与其他气体的吸收峰重叠。因此，我们经常使用中心波长为4.26 μm的窄带滤光片来做为二氧化碳传感器的滤光器。

Figure 2. NDIR sketch of optical structure

在滤光器后面，通常使用热电堆探测器来测量二氧化碳气体对应吸收波长的红外线强度，红外线的吸收遵循比尔朗伯定律(Beer Lambert Law) [2]：

其中：I表示出射光强(单位W/m²)，I₀表示入射光强(单位W/m²)，k表示待测气体在特定波段的吸收系数，L表示红外光源与探测器之间的等效光程长度(单位cm)，C代表气体浓度(单位mol/dm³)。本式表明，待测气体中的红外光强以指数关系递减，即：待测气体浓度、吸收系数和等效光程长度越大，红外强度衰减越大。

Figure 3. Working principle of thermocouple [3]

热电堆是由大量热电偶串联而成的。热电偶上有两根不同材料的导体，根据塞贝克效应(Seebeck Effect)，导体连接的两个结点所处环境如果存在温差，则冷热结点间存在电势差（如图3）。在NDIR应用中，透过滤光片的红外光线施加在一组串联的结点上，结点被加热，相对于另外一组参考结点，产生了微弱的热电势，其与红外吸收光强呈正比例关系。典型的热电堆探测器如图4所示。

Figure 4. Sectional view of MEMS thermopile sensor [3]

热电堆输出的是微弱电压信号，需要经过信号调理电路进行放大和滤波。此外，热电堆是通过吸收热辐射来生成感应信号的，环境温度的波动必然对其信号造成影响。因此，探测器内通常会封装一个热敏电阻用于温度参考和温度补偿。在精度要求高的应用中，调理后的模拟前端信号和环境温度信号经由模数转化器（ADC）被数字化，再使用软件（补偿算法）对传感器信号进行DSP（数字信号处理，含滤波、补偿等），最后再以数字通讯的方式将浓度读数输出到客户端。原理框图如图5所示。

Figure 5. System design of NDIR sensor

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参考文献：

[1] D. Popa, et al., “Towards Integrated Mid-Infrared Gas Sensors”, MDPI: Sensors, May, 2019. https://derangedphysiology.com/main/cicm-primary-exam/required-reading/respiratory-system/Chapter%20413/end-tidal-capnometry, Feb, 2020.

[2] L. B. Mendes, “NDIR Gas Sensor for Spatial Monitoring of Carbon Dioxide Concentrations in Naturally Ventilated Livestock Buildings”, MDPI: Sensors, May, 2015.