1. 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

為什麼要用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麼氣體都能測，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比催化燃燒好在哪裡？

催化燃燒傳感器雖然能測可燃氣，但遇到含氟、氯、溴、硫、有機矽的氣體，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最大的優勢是什麼？

NDIR傳感器有一個最大的優點——長期穩定性優異，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%的工業可燃氣儀表用的就是NDIR傳感器，年增長率約10%。

NDIR優缺點

優點包括：

抗中毒、不需要氧氣、長期穩定性優異、溫度範圍寬，測量濃度到100%vol。

缺點包括：

1. 最低檢測限較高，測量ppm級别的氣體濃度成本較高；

2. 結構、軟件、硬件比較複雜，價格也就相對較貴。同級别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今後的發展方向是怎樣的？

NDIR的技術路線分為兩條:

1. 向高分辯率、長波長、多氣種方向發展，主要市場是分析儀表。

2. 向小體積，低成本方向發展，主要市場是室内空氣質量IAQ檢測和電力SF6洩露檢測，氣種包含CO2和碳氫HC類氣體，全球銷量約幾百萬隻。

除了NDIR原理，還有什麼原理的紅外傳感器?

和NDIR相對應的是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，不适合用在工業現場的環境中。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中。

随着技術的進步，光聲紅外（Photoacoustic）氣體傳感器也進入了實用。它和NDIR傳感器各有優勢，會長期共存，哪種會最終勝出，現在還不能定論。

2. 量程（Range）

定義：從原理上來說，NDIR傳感器可以測量0~100%vol的目标氣體，但由于需求的差别，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。

最常用的量程是多少？

CO2：在工業安全應用中，測CO2最常見的量程是5%vol，即50000ppm；在室内空氣質量監測應用中，常見的量程是1%vol，即10000ppm；在汽車尾氣排放檢測應用中，常見的量程是20%；在煙氣連續監測應用中，常見量程是20%vol。在空氣中TVOC和水中TOC檢測中，量程範圍大約是100ppm ~ 10000ppm。

CH4：在工業安全應用中，測CH4最常見的量程是5%vol，即100%LEL；如果是檢測天然氣洩漏，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系嗎？

量程和測量誤差有關系。濃度越高，檢測絕對誤差越大。NDIR傳感器，不管怎麼設計，量程都可以做到100%vol，隻是算法上面支持還是不支持罷了。但和測量誤差相關的因素就太多了，有結構設計、光源和探測器的選擇、硬件設計、軟件設計、測量方法、溫度漂移、濕度影響、壓力影響等等。

NDIR的量程和傳感器體積有關系嗎？

有關系。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。

3. 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。

為什麼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拟信号輸出的傳感器，其性能參數隻有線性和重現性，規格書上沒有“精度”這兩個字。而市面上的NDIR傳感器多數都是數字化輸出的，已經是一台小型的“儀器”了，所以通上電以後，讀數會通過模拟輸出口或數字輸出口輸出，因此有精度的參數。

NDIR傳感器的精度如何表述？

比較科學的表述應該按溫度範圍來做分類，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适了，需要用一個絕對濃度值來表示。因此，就産生了這樣的表達方式：10ppm 3%rel。當表達NDIR傳感器精度的時候，溫度範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級别CH4洩漏一直都是工業界很難解決的技術難題。

響應時間是如何定義的？

定義：傳感器信号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時間，通常用T90來描述。從零點上升到平衡信号值的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傳感器哪個響應快?

一般說來，催化燃燒傳感器響應會更快。原因是催化燃燒傳感器内部死體積更小，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傳感器的響應時間也就延長了。

在傳感器結構一定，氣體流量一定的情況下，還有什麼因素影響響應時間?

軟件會影響傳感器響應時間。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時間的延長。

5. 重現性(Repeatability)

定義：在同一天之内，每小時通氣一次同樣濃度的标準氣，獲得6次通氣平衡的讀數，然後計算6次讀數的标準差。該标準差越接近于零，說明傳感器的重現性越好。

NDIR傳感器和催化燃燒傳感器的重現性哪個更好?

NDIR更好。催化燃燒傳感器的催化珠是暴露在空氣中的，容易受到環境中各種氣體的幹擾和毒害，從而造成零點和靈敏度變化。NDIR傳感器内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幹擾和毒害。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。在一天之内幾乎沒有變化。

一天之内溫度變化了怎麼辦？

實驗室都是在室内的，即使一天之内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。所以不用擔心一天内的溫漂。

測量重現性的時候用什麼濃度的氣體？

原則上是用量程的25% ~ 75%之間，濃度不要太高，也不要過于低。

6. 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。

探測器供電電壓有多高？

這根據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，實質上是一個溫度傳感器。熱釋電探測器的信号比熱電堆的信号大很多，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範圍。有的運放工作範圍很寬，一般3.3V或5V都可以工作的。

7. 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，那麼整個紅外傳感器的功耗就隻有零點幾瓦。

設計紅外光源供電電路的時候如何考慮功耗？

紅外光源冷态和熱态的時候電阻差很多倍，如果是恒壓供電，那麼需要選擇電流比較大的供電芯片，而不僅僅是按照NDIR傳感器規格書上所寫的功耗來選擇。

8.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。分辨率和靈敏度和噪聲相關，類似電子技術裡面的一個參數——信噪比。計算公式是：分辨率=3*信号标準差/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，因為他們的信号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。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。

工業安全級的NDIR傳感器分辨率标準是多少？

現在市面上最常見的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洩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。

9. 暖機時間(Warmup Time)

暖機時間短和暖機時間長對性能有什麼影響?

暖機時間短，傳感器内部溫度還處于上升的過程中，并未平衡，所以此時的測量數據精度稍差，等傳感器溫度平衡了，就能達到更好的精度。工業安全領域用的NDIR傳感器暖機時間比較短，1分鐘之内都能正常檢測。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。

10. 溫度範圍(OperatingTemperature Range)

定義：NDIR傳感器能夠保證精度的溫度範圍，用℃來定義。

不同的測量标準所需要滿足的溫度範圍各是多少？

僅針對測量甲烷CH4。中國煤安标準所規定的溫度範圍較窄，0℃~40℃。中國消防認證所規定的溫度範圍較寬，-40℃~70℃。美國加拿大的CSA标準規定的溫度範圍居中，-25℃~55℃。

超過傳感器規格書所規定的範圍，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℃。但結構件則不同，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），傳感器會造成永久損壞。

11. 濕度範圍(OperatingHumidity Range)

定義：NDIR傳感器能夠保證精度的濕度範圍，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傳感器在工作狀态，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态，高濕度就很可能損壞傳感器。因為高濕度會造成傳感器内部冷凝水，使電子元器件短路并損壞。

濕度高對傳感器讀數會有什麼影響?

在高濕度的情況下，讀數一般都會偏高一點。

什麼應用場合會有高濕度？

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境讀數都需要考慮除濕。

12. 壓力範圍(OperatingPressure Range)

定義：NDIR傳感器能夠工作的壓力範圍。一般以大氣壓來定義。

NDIR傳感器能夠承受的壓力範圍有多大？

隻要傳感器内的紅外光源和探測器不損壞，NDIR傳感器就能用。按照經驗，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範圍，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，因此傳感器的讀數會上升。如果軟件的算法不變的話，壓力高時，讀數會高，壓力低時，讀數會低。但讀數和壓力并不會呈線性。

13. 零點漂移(ZeroDrift)

定義: 傳感器零點随時間的變化量。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？

在工業安全領域，NDIR CH4傳感器零點的漂移至少需要控制在1000ppm/mom以内。按照消防認證标準，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用中是遠遠不夠的，因為工業現場能夠接受的漂移值是0.25%vol/6mon。

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。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系嗎？

有密切的關系。如果零點誤差為E，測量點誤差會大很多，甚至達到3E以上。

14. 平均故障間隔時間(MTBF)

定義: 英文全稱是“Mean Time Between Failure”是衡量一個産品（尤其是電器産品）的可靠性指标。它反映了産品的時間質量，是體現産品在規定時間内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，沒有确切的統計數據。根據經驗，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傳感器最容易出現什麼故障?

該類傳感器最常出現的故障是讀數負漂。但隻要标定零點就可以了。零點标定準确了，測量點是一定準确的。

為了延長NDIR傳感器使用壽命，需要對氣體做些什麼預處理?

最好對氣體進行除塵、除濕、去油，這樣才能保持傳感器内部光路清潔。

15. 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，這種現象叫做交叉幹擾。傳感器對其他氣體的響應值和氣體真值之間的比值，叫做交叉幹擾系數，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傳感器的交叉幹擾和電化學傳感器相比如何？

NDIR傳感器的交叉幹擾會小很多，也就是選擇性很好。拿CO傳感器來舉例，CO傳感器對H2S、SO2、NO2都會有較大響應，但NDIR CO傳感器對以上這些氣體幾乎沒有響應。這個優點是由不同氣體的紅外吸收光譜所決定的。

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。

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别，但對應關系曲線畫出來是單調的。

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