在環(huán)境監(jiān)測、智慧農(nóng)業(yè)、工業(yè)控制等領(lǐng)域，準(zhǔn)確測量二氧化碳濃度至關(guān)重要，NDIR（非分散紅外，Non - Disperspersive Infrared ）紅外CO?傳感器憑借出色性能成為主流選擇。

下面，我們先深入了解NDIR技術(shù)原理，再解析它的5大核心技術(shù)，帶你徹底弄懂其工作原理與優(yōu)勢 。

NDIR技術(shù)原理

NDIR技術(shù)的核心邏輯基于氣體分子對特定紅外波長的選擇性吸收特性。簡單來說，不同氣體分子就像有著獨(dú)特“口味”的“食客”，會對特定波長的紅外光“情有獨(dú)鐘” 。

當(dāng)紅外光穿過含有目標(biāo)氣體（CO2）的環(huán)境時，氣體分子會選擇性地吸收特定波長（4.26μm左右）的紅外光，而其他波長的紅外光則基本不受影響。這一過程遵循朗伯 - 比爾定律，即光的吸收程度與氣體濃度、光在氣體中傳播的光程長度成正比。

通過檢測特定波長紅外光被吸收的情況，就能反向推算出目標(biāo)氣體（CO2 ）的濃度，這就是NDIR技術(shù)的基本原理 。

NDIR檢測CO2的關(guān)鍵技術(shù)

1、紅外光源技術(shù)

紅外光源作為 NDIR 檢測系統(tǒng)的 “發(fā)光使者”，為整個檢測過程提供基礎(chǔ)能量。

2、光學(xué)濾波技術(shù)

CO?在紅外波段具有獨(dú)特的吸收 “指紋”，主要集中在 4.26μm和4.4μm附近。光學(xué)濾波技術(shù)的核心使命，便是從寬譜段的紅外光中精準(zhǔn)篩選出 CO?的特征吸收波長，同時有效排除其他氣體及背景噪聲的干擾。

干涉濾光片是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的得力 “助手”。它基于光的干涉原理，由多層不同折射率的介質(zhì)薄膜精心堆疊而成。當(dāng)紅外光入射時，特定波長的光因干涉相長得以透過，而其他波長的光則相互抵消被阻擋。通過精確控制薄膜的材料、厚度及層數(shù)，能夠定制出中心波長精準(zhǔn)、帶寬極窄的干涉濾光片，高度契合 CO?檢測對波長篩選的嚴(yán)苛要求。

氣體濾波相關(guān)器（GFC）則是應(yīng)對復(fù)雜氣體環(huán)境的 “秘密武器”。其內(nèi)部包含一個充滿參考?xì)怏w（如純 N?或已知低濃度 CO?混合氣體）的氣室。工作時，測量光路與參考光路的紅外光分別通過不同氣室，再進(jìn)行對比。

由于參考?xì)馐抑械臍怏w成分固定，當(dāng)測量氣室中存在 CO?等目標(biāo)氣體時，兩者光強(qiáng)的差異便能精準(zhǔn)反映出目標(biāo)氣體的濃度，有效消除了背景氣體的重疊吸收干擾，大幅提升了檢測在復(fù)雜工況下的準(zhǔn)確性。

3、氣室設(shè)計(jì)

氣室作為 CO?與紅外光 “親密接觸” 的場所，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)乎檢測靈敏度與準(zhǔn)確性。常見的氣室結(jié)構(gòu)有直射式和反射式。

直射式氣室結(jié)構(gòu)簡單，紅外光從一端直接穿過氣室到達(dá)另一端的探測器。為提升檢測靈敏度，可適當(dāng)增加氣室長度，但這會導(dǎo)致設(shè)備體積增大。

為此，科研人員開發(fā)出反射式氣室，通過在氣室內(nèi)設(shè)置高反射率的反射鏡，讓紅外光在氣室內(nèi)多次反射后再到達(dá)探測器。

以懷特池（White cell）為代表的反射式氣室，可將光程延長數(shù)倍甚至數(shù)十倍，極大增強(qiáng)了 CO?對紅外光的吸收程度，在有限的空間內(nèi)顯著提升了檢測靈敏度。

同時，選用紅外透光性佳、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)的材料（如硒化鋅、藍(lán)寶石等）制作氣室，能有效減少紅外光在傳輸過程中的損耗，避免氣室材料與 CO?發(fā)生化學(xué)反應(yīng)影響檢測精度。

4、紅外探測器

紅外探測器肩負(fù)著將透過氣室、經(jīng) CO?吸收后的紅外光信號轉(zhuǎn)換為電信號的重任，是 NDIR 檢測系統(tǒng)的 “信號接收器”。

常見的紅外探測器有熱探測器和光子探測器。

熱探測器以熱釋電探測器和熱電堆探測器為典型代表。

• 熱釋電探測器基于某些材料的熱釋電效應(yīng)，當(dāng)吸收紅外光后溫度發(fā)生變化，材料表面會產(chǎn)生電荷變化，從而輸出電信號。

• 熱電堆探測器則利用塞貝克效應(yīng)，通過測量多個熱電偶串聯(lián)產(chǎn)生的溫差電動勢來感知紅外光強(qiáng)度。這類探測器對寬譜段紅外光均有響應(yīng)，無需制冷，成本較低，適用于常溫環(huán)境下的 CO?檢測。不過，它們的響應(yīng)速度相對較慢，限制了檢測系統(tǒng)的快速性。

光子探測器，如碲鎘汞（HgCdTe）探測器，憑借內(nèi)部電子吸收光子后產(chǎn)生的光電效應(yīng)工作。其靈敏度極高、響應(yīng)速度極快，能夠快速、精準(zhǔn)地感知微弱的紅外光信號變化。

在對檢測精度和響應(yīng)速度要求極高的場合，如高精度環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)過程實(shí)時控制等，光子探測器優(yōu)勢盡顯。但它需要低溫制冷才能正常工作，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性與成本。

5、信號處理與算法

從紅外探測器輸出的電信號往往微弱且夾雜著噪聲，需要經(jīng)過一系列精細(xì)的信號處理與復(fù)雜算法運(yùn)算，才能準(zhǔn)確解析出 CO?的濃度信息。

首先，通過低噪聲放大器對探測器輸出信號進(jìn)行放大，提升信號強(qiáng)度。接著，采用帶通濾波器，濾除特定頻率范圍外的噪聲，保留與 CO?吸收相關(guān)的信號頻段。為進(jìn)一步抑制環(huán)境噪聲和干擾，常運(yùn)用鎖相放大技術(shù)，該技術(shù)通過與調(diào)制光源的頻率同步鎖定，能夠從復(fù)雜噪聲背景中精準(zhǔn)提取出有用信號。

基于朗伯 - 比爾定律（I = I?e??CL，其中 I 為透射光強(qiáng)，I?為入射光強(qiáng)，α 為吸收系數(shù)，C 為氣體濃度，L 為光程），構(gòu)建氣體濃度反演算法。實(shí)際應(yīng)用中，考慮到 CO?吸收特性的非線性、環(huán)境因素（溫度、壓力等）的影響，會對算法進(jìn)行優(yōu)化。

例如，采用多項(xiàng)式擬合或分段線性化方法處理高濃度 CO?下的吸收飽和問題；借助卡爾曼濾波等數(shù)字濾波算法，對信號進(jìn)行實(shí)時優(yōu)化，提高濃度計(jì)算的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

此外，還可利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法，對大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，建立更精準(zhǔn)的 CO?濃度預(yù)測模型，以適應(yīng)復(fù)雜多變的檢測環(huán)境。

憑借紅外光源、光學(xué)濾波、氣室設(shè)計(jì)、紅外探測器以及信號處理與算法等一系列關(guān)鍵技術(shù)的協(xié)同配合，NDIR 檢測技術(shù)得以在 CO?濃度檢測領(lǐng)域大顯身手，為我們深入了解環(huán)境中的 CO?分布、保障工業(yè)生產(chǎn)安全與高效、提升室內(nèi)空氣質(zhì)量等提供了可靠支撐。

隨著材料科學(xué)、微納制造技術(shù)以及人工智能算法的持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，NDIR 檢測技術(shù)有望在檢測精度、小型化、智能化等方面實(shí)現(xiàn)更大突破，在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，助力我們更好地守護(hù)地球家園的生態(tài)平衡與人類生活的舒適健康。