二氧化碳（CO2）是溫室氣體的重要組分之一，實(shí)時(shí)檢測其濃度變化對(duì)緩解溫室效應(yīng)等方面具有非常重要的意義。非分散紅外（Non-dispersion infrared， NDIR）法具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、測量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于便攜式氣體檢測等領(lǐng)域。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，一支由安徽師范大學(xué)和中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在《紅外》期刊上發(fā)表了以“基于非分散紅外法的二氧化碳濃度檢測綜述”為主題的綜述文章。通訊作者為朱向冰教授（安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院），研究方向?yàn)?a target="_blank">光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

這項(xiàng)研究首先分析了NDIR法應(yīng)用在CO2檢測領(lǐng)域的優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)NDIR檢測原理進(jìn)行了簡單的概述。然后對(duì)NDIR氣體分析儀的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并對(duì)測量系統(tǒng)的經(jīng)典氣體標(biāo)定方法進(jìn)行了綜述。最后綜合分析了NDIR的特點(diǎn)，并展望了未來的發(fā)展趨勢。1 檢測原理NDIR監(jiān)測技術(shù)利用普通紅外光源，根據(jù)氣體在紅外波段的“指紋”特性，吸收紅外輻射，產(chǎn)生熱效應(yīng)變化并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以此測定氣體的濃度。該方法具有穩(wěn)定性好、測量范圍寬、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，在溫室氣體監(jiān)測中應(yīng)用比較廣泛。NDIR吸收光譜原理NDIR法是一種基于氣體吸收紅外理論的方法。一束紅外光穿過氣室，經(jīng)各組分氣體吸收后，與相應(yīng)氣體濃度成正比的光譜強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化。通過計(jì)算相應(yīng)光譜強(qiáng)度的變化量，可以反演出氣體濃度。

圖1 H2O、CO2和CO的紅外吸收光譜2 NDIR氣體分析儀結(jié)構(gòu)NDIR氣體分析儀結(jié)構(gòu)主要包括紅外輻射系統(tǒng)、窄帶光學(xué)濾光片、氣室、紅外探測器和信號(hào)處理與控制系統(tǒng)。隨著國內(nèi)外技術(shù)的不斷發(fā)展，NDIR氣體分析儀結(jié)構(gòu)正在不斷完善，逐步實(shí)現(xiàn)儀器的高精度、快速響應(yīng)和便攜化功能，在環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有很好的市場應(yīng)用前景。

圖2 NDIR二氧化碳?xì)怏w傳感器結(jié)構(gòu)

紅外光源及其調(diào)制方式

紅外光源是NDIR氣體分析儀的重要部件之一。選擇合適的光源及其調(diào)制方式對(duì)降低系統(tǒng)功耗和提高儀器的精準(zhǔn)度具有重要作用。目前，傳統(tǒng)方法主要采用熱輻射紅外光源（如鎳锘絲、硅碳棒等）和機(jī)械斬波調(diào)制技術(shù)。然而，傳統(tǒng)方式存在體積大、穩(wěn)定性低、功耗大等缺點(diǎn)，逐漸滿足不了小型化便攜式的發(fā)展需求。隨著分析儀的小型化、便攜式的發(fā)展，機(jī)械斬波輪劣勢顯著。而使用MEMS微型紅外光源進(jìn)行電調(diào)制，則可大大提高系統(tǒng)的靈敏度和精確度，縮小儀器設(shè)備的體積。

氣室結(jié)構(gòu)

隨著NDIR技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)氣室結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)可以增加光學(xué)路徑長度，使紅外光源更大程度地被氣體分子充分吸收，從而提高檢測系統(tǒng)的靈敏度和準(zhǔn)確度。至今，常用的氣室結(jié)構(gòu)為直射式和反射式氣室結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。

反射式氣室結(jié)構(gòu)可以增加光程長，使目標(biāo)氣體得到充分吸收。這不僅提高了系統(tǒng)檢測的靈敏度和準(zhǔn)確度，而且在保證光程足夠長的前提下，有效減小了氣室體積，實(shí)現(xiàn)了儀器的便攜化，因此是目前NDIR氣體分析儀氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主流方向。

紅外探測器

紅外探測器是NDIR氣體分析儀的核心部件之一。選擇合適的探測器可以提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和響應(yīng)速度。

早期研究人員大多采用熱電堆探測器，通過感知紅外光源熱輻射的變化情況了解吸收氣體的濃度變化。隨著工藝生產(chǎn)的不斷進(jìn)步，逐漸實(shí)現(xiàn)了新式小型化的高靈敏度紅外探測器，推動(dòng)了高精度NDIR氣體分析儀的發(fā)展。

3 經(jīng)典氣體標(biāo)定方法研究

在實(shí)際檢測時(shí)，由于傳輸過程中存在紅外輻射的散射、氣室對(duì)紅外光的吸收、反射鏡上紅外光的損失等因素，僅使用理想朗伯－比爾定律計(jì)算氣體濃度存在很大偏差。因此，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行氣體標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，提高CO2濃度測量的準(zhǔn)確性，具有重要的研究意義和價(jià)值。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)，本文總結(jié)了兩種經(jīng)典常用的氣體標(biāo)定方法：兩點(diǎn)校準(zhǔn)法和開放光路氣體標(biāo)定理論。

4 總結(jié)與展望

在CO2濃度檢測領(lǐng)域，NDIR法具有獨(dú)特的優(yōu)勢。本文介紹了NDIR法的檢測原理，分別從NDIR氣體分析儀結(jié)構(gòu)和氣體標(biāo)定方法兩方面展開了綜述。從傳統(tǒng)光源到MEMS微型紅外光源，從機(jī)械斬波調(diào)制到電調(diào)制，從直射式到反射式氣室結(jié)構(gòu)，從熱探測器到光子探測器等，都體現(xiàn)了NDIR氣體分析儀的發(fā)展過程。這些發(fā)展不僅體現(xiàn)在硬件的改進(jìn)上，而且氣體標(biāo)定實(shí)驗(yàn)也尤為重要。由于傳統(tǒng)的兩點(diǎn)校準(zhǔn)法存在局限性，研究人員提出了低濃度多點(diǎn)標(biāo)定法，美國LI-COR公司研制分析儀時(shí)采用了開放光路氣體標(biāo)定法等。這些改進(jìn)技術(shù)都有效提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性等性能，具有十分重要的研究意義和市場應(yīng)用價(jià)值。然而，盡管NDIR法應(yīng)用廣泛，但也存在局限性，比如易受惡劣環(huán)境影響、最低檢測限高等。

綜上所述，NDIR技術(shù)在氣體檢測領(lǐng)域的市場需求仍在增加，未來NDIR技術(shù)將繼續(xù)取得突破，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域多場合的普遍適用性，進(jìn)一步向體積小、成本低、精度高、多種氣體同時(shí)檢測的方向發(fā)展。