透射式和光声NDIR传感原理介绍

发布时间:2023年02月21日 15:25
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NDIR传感器特点


NDIR传感目前已成为测量CO₂浓度的主流技术。该技术利用的是CO₂分子可以吸收约为4.2 µm特定波长的红外线(IR)的特性。当该波长的光对气体样本进行照射后,会产生相应的光强度的变化,CO₂浓度可根据吸光比来计算。

值得注意的是,NDIR传感器无需利用色散元件(例如棱镜或衍射光栅)区分目标波长。而是将发射器产生的光通过非色散带通滤波器过滤,只允许相关的红外波长通过。这些特性令非色散红外传感器成为一个独立的气体传感器类别。


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常见微量气体的吸收光谱(HITRAN2016分子光谱数据库)


透射式NDIR传感器 


透射式NDIR传感器通常具有IR 发射器和光学检测器(例如光电二极管),置于专门设计的光学腔的腔体两端。光学检测器用来测量未被气体样品吸收(即透射)的红外光能量。当光学腔中CO₂的浓度增加时,检测到的光量随之减少。

因此,通过计算已知CO₂浓度下未被吸收的光能量与参考光强度之间的差异来确定CO₂分子的吸光值。


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透射式NDIR设置示意图 


NDIR技术CO₂传感器通过检测被CO₂分子吸收的波长为4.2µm的红外光能量来计算CO₂浓度,而无需使用色散光学元件。
请注意,此参考值在很大程度上取决于IR发射器和光电探测器的精确定位,以及IR源和光学腔的发射特性。因此,作用在量测腔上的机械应力和热应力会造成CO₂读数误差显著。此外,透射式NDIR传感器通常需要厘米级的最小光路长度以吸收足够的IR,从而准确测量较低的CO₂浓度。


光声NDIR传感器


与透射式NDIR传感器相比,光声NDIR传感器可检测CO₂分子吸光量。当红外线发射器产生脉冲时,CO₂分子会周期性地吸收红外线。这会导致额外的分子振动,从而在测量室内产生压力波。CO₂浓度越高,吸收的光越多,声波幅度就越大。气室内的麦克风通过测量声波幅度,从而计算CO₂浓度。


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光声NDIR设置示意图 


此外,由于声波具有全向性,发射器和麦克风的相对定位不受限制。因此,光声NDIR传感器通常在机械和热能方面表现更加稳定。