非色散紅外Non-Dispersive InfraRed（NDIR）傳感器是一種由紅外光源（IR source）、光路（Optics Cell）、紅外探測(cè)器（IR Detector）、電路（Electronics）和軟件算法（Algorithm）組成的光學(xué)氣體傳感器。它主要用于測(cè)化合物，例如: CH4、C2H2、C2H4、CO2、N2O、CO、CO2、NH3、VCM、CF4、SF6、乙醇、氟利昂等，并包含絕大多數(shù)有機(jī)物，包括有機(jī)揮發(fā)性混合物（VOC）。

NDIR（非色散紅外）技術(shù)的原理是氣體對(duì)特征紅外波長(zhǎng)的吸收符合朗伯比爾（Lambert-Beer）定律。其基本原理是紅外光源發(fā)射一道紅外光束穿過采樣氣室，樣本中的各氣體組分吸收特定頻率的紅外線。通過探測(cè)器接收和測(cè)量相應(yīng)頻率的紅外線吸收量，結(jié)合嵌入式軟件中設(shè)置的算法分析，可確定該氣體組分的濃度。之所以說這種技術(shù)是非分光的，系因穿過采樣氣室的波長(zhǎng)未經(jīng)預(yù)先濾波。

不同氣體由于其分子結(jié)構(gòu)、濃度和能量分布的差異，而有各自不同的吸收光譜。如果不同氣體的吸收峰重疊，就必須處理這些氣體之間的相互干擾。此外， 在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，氣體檢測(cè)還將受到水分的干擾。因此，使用非分光紅外技術(shù)進(jìn)行氣體測(cè)量，需要解決不同氣體之間的交叉干擾、高低溫影響、濕度影響、元器件噪聲影響等問題，這就需要?dú)饴贰㈦娐贰⒐饴吩O(shè)計(jì)及軟件算法的綜合配合。

NDIR傳感器為什么可以測(cè)量CO2濃度，不能測(cè)量N2和O2濃度，這需要了解現(xiàn)代氣體傳感器背后的物理核心：光譜學(xué)選律（Selection Rules）。

如果不理解這個(gè)原理，你可能會(huì)覺得紅外傳感器是“玄學(xué)”：空氣里 99% 都是氮?dú)夂脱鯕猓瑸槭裁醇t外光能精準(zhǔn)地“無視”它們，卻唯獨(dú)對(duì)含量極低的二氧化碳（CO2）“情有獨(dú)鐘”？

答案歸結(jié)為一個(gè)詞：對(duì)稱性（Symmetry）。

這篇文章將帶你從微觀分子的視角，徹底搞懂 NDIR（非色散紅外）傳感器的工作原理。

在工業(yè)監(jiān)測(cè)、環(huán)境科學(xué)甚至你的呼吸機(jī)里，測(cè)量濃度是一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。我們最常用的手段是紅外光譜吸收。

但你有沒有想過：空氣的主要成分是氮?dú)猓∟2，約78%）和氧氣（O2，約21%），它們?yōu)槭裁床粫?huì)干擾紅外傳感器？

要回答這個(gè)問題，我們需要深入分子的微觀世界，聊聊一個(gè)物理概念，偶極矩（Dipole Moment）。

并不是所有的分子都會(huì)吸收紅外光。在光譜學(xué)中，有一條至高無上的“選律”（Selection Rule）：

只有當(dāng)分子的振動(dòng)導(dǎo)致其“偶極矩”發(fā)生變化時(shí)，它才會(huì)吸收紅外光。這一類振動(dòng)被稱為“紅外活性”（IR Active）。

什么是偶極矩？ 簡(jiǎn)單來說，就是正電荷中心和負(fù)電荷中心的不重合度。如果分子內(nèi)部的正負(fù)電荷中心沒有分開，或者分開的距離和方向不發(fā)生變化，它對(duì)紅外光就是“隱形”的。

紅外光是什么？ 紅外光是一種電磁波，本質(zhì)上是振蕩的電場(chǎng)。

• 分子要想“抓住”紅外光的能量，它自己的電場(chǎng)（偶極矩）必須也能跟著紅外光的頻率一起“搖擺”。
• 如果分子在振動(dòng)時(shí)電場(chǎng)不變化，紅外光就會(huì)直接穿透它，就像光穿過透明玻璃一樣。

然而無論紅外光怎么照射，N2和O2的偶極矩都不變。它們對(duì)紅外光完全透明。

這就是為什么在空氣中用紅外傳感器檢測(cè)二氧化碳時(shí)，我們根本不需要擔(dān)心“背景噪聲”。

氮?dú)猓∟2）和氧氣（O2）屬于同核雙原子分子（Homonuclear Diatomic Molecules）。

• 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 它們由兩個(gè)完全相同的原子組成（N=N或O=O）。

• 拔河效應(yīng)： 想象一對(duì)雙胞胎在拔河。因?yàn)閮蓚€(gè)人力氣（電負(fù)性）一模一樣，電荷是完美對(duì)稱分布的。
• 振動(dòng)無效： 即使分子在伸縮振動(dòng)（原子忽遠(yuǎn)忽近），電荷分布依然保持完美對(duì)稱，正負(fù)電荷中心始終重合，偶極矩永遠(yuǎn)為零。

二氧化碳（CO2）是線形三原子分子，結(jié)構(gòu)是 O=C=O。

你可能會(huì)問：“等一下，CO2左右也是對(duì)稱的啊，靜止的時(shí)候偶極矩也是 0，為什么它能吸收紅外光？”

問得好！靜止時(shí)它確實(shí)沒有偶極矩。但分子永遠(yuǎn)在振動(dòng)。

有幾種特殊的振動(dòng)模式，正是這些振動(dòng)模式打破了對(duì)稱性。

CO2（三原子線性分子）的振動(dòng)模式及其紅外/拉曼活性

A：不對(duì)稱伸縮（Asymmetric Stretch）：紅外活性！

在這個(gè)模式下，一個(gè)氧原子靠近碳原子，另一個(gè)氧原子遠(yuǎn)離碳原子。

• 結(jié)果： 電荷平衡瞬間被打破！負(fù)電荷中心偏向一邊，產(chǎn)生了臨時(shí)的偶極矩。
• 吸收峰： 這個(gè)動(dòng)作讓CO2吸收能量約為 2350cm?1（對(duì)應(yīng)波長(zhǎng) 4.26 μm）的紅外光。

B：彎曲振動(dòng)（Bending）：紅外活性！

在這個(gè)模式下，分子像弓一樣彎曲。碳原子向上，兩個(gè)氧原子向下。

• 結(jié)果： 產(chǎn)生了一個(gè)垂直方向的偶極矩。
• 吸收峰： 這個(gè)動(dòng)作對(duì)應(yīng)能量約為 667cm?1（對(duì)應(yīng)波長(zhǎng) 15 μm）的紅外光。

(注：其實(shí)CO2還有一個(gè)“對(duì)稱伸縮”模式，兩個(gè)氧同時(shí)向外拉，依然保持對(duì)稱，偶極矩不變，所以那個(gè)模式也是紅外“隱形”的！)

NDIR二氧化碳傳感器

了解了原理，我們來看看實(shí)際應(yīng)用。工業(yè)界最常用的 NDIR（非色散紅外）傳感器 利用的就是這個(gè)原理。

但在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，工程師面臨一個(gè)選擇：CO2有兩個(gè)吸收峰（2350 和 667），選哪個(gè)？

答案是：選2350cm?1(即 4.26 μm)。

為什么？因?yàn)樗魵猓℉2O）空氣中通常含有濕度，水分子也是紅外活性的，它在很多波段都有強(qiáng)吸收。

• 667 cm-1 (15 μm) 處： 水蒸氣的吸收干擾非常大，如果選這個(gè)波段，潮濕天氣的讀數(shù)會(huì)飄忽不定。
• 2350 cm-1 (4.26 μm) 處： 這是一個(gè)相對(duì)干凈的“窗口”，水蒸氣在這里幾乎不吸收。

所以工程師會(huì)在探測(cè)器前加一個(gè) 4.26 μm 的窄帶濾光片。

這就好比給傳感器戴上了一副特制的“墨鏡”，這副墨鏡過濾掉了所有其他光，只允許 CO2的特征光通過。因?yàn)镹2和O2本來就不吸收，唯一的變量就是CO2。光強(qiáng)一旦減弱，我們就知道：CO2濃度升高了。

這就是為什么哪怕空氣成分極其復(fù)雜，我們依然能用紅外傳感器，精準(zhǔn)地測(cè)出空氣中微量二氧化碳的原因。

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處：傳感器應(yīng)用_儀表儀器應(yīng)用_電子元器件產(chǎn)品 – 工采資訊 http://www.iohhome.com/44015.html