NDIR二氧化碳传感器原理介绍

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1. 引言

环境领域：近些年，二氧化碳是引起温室效应的主要气体，因此引起了人们的广泛关注。通常情况下大气中二氧化碳的含量大约为0.04vol%。据研究表明，当空气中的二氧化碳浓度大约3vol%时，人体会产生心跳加快，呼吸急促的现象；当浓度达到5vol%时，人体会产生呼吸困难、耳鸣等症状。

医疗领域：此外，二氧化碳作为人体代谢循环后的产物，浓度范围为 4vol%～5vol%，可以直接反应人体的生理状况。呼吸二氧化碳气体浓度监测模块已成为临床上许多医疗监测设备的关键部分。

2. 分类

二氧化碳气体传感器主要有以下几种类型：红外吸收型、电化学型、热导型、质量敏感型和半导体型。目前各类型二氧化碳传感器市场情况如下：

红外吸收型二氧化碳传感器应用最广泛。（淘宝上售卖的很多）
电化学原理二氧化碳报警器在市场上很常见。（没咋调研）
热导型二氧化碳传感器主要用于检测大量程，百分比含量的二氧化碳浓度。（瑞士Sensirion有一款在售）
质量敏感型二氧化碳传感器目前仅处在研发阶段。（没咋见过）
半导体式二氧化碳气体传感器的，由于受温度的影响较大，目前在业界不受欢迎，应用很少。（没咋见过）

3. 红外气体传感原理

3.1 朗伯-比尔定律

该定律描述了被测物质对红外光的吸收程度与被测物质厚度和浓度之间的关系。

举例，一束单色光在经过某种吸收介质时，会被介质吸收一部分的光能，透射光强度会因此而下降，如图：

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公式表达如下：
$I = I_{0}e^{-KCL}$
其中:
$I_0$ ——入射光强，红外线经过被测气体前的光强，
$I$ ——出射光强，红外线经过被测气体后的光强，
$C$ ——浓度，被测气体的浓度值，
$L$ ——光程长，从红外光源到探测器之间红外光与被测气体之间有交互作用的长度，
$K$ ——吸收系数，该系数取决于被测物体的吸收谱线。

注意，该定律描述的物理公式是理想化的，我们在实际传感器的测试中光程长度 $L$ 不会始终是一个单一的值，光源的发射强度的峰值所处的波段也会发生变化，滤光片的透过性与滤光片的中心波长有关，传感器的性能还会受到环境温度和气体压强的影响。因此，在实际应用中我们需要对朗伯-比尔定律进行一定的修正，并加入补偿算法。引入两个系数 $a$ 和 $n$ 来修改公式，得：
$I = I_{0}e^{-aC^{n}}$

其中 $a$ 和 $n$ 为两个固定值，由目标气体和特定的器件设计决定，在随后可以通过标定的方式确定。

3.2 非分光红外（NDIR）法检测原理

目前用于气体检测的探测器可以分为分光型和非分光型。如图2-2所示，前者是通过分光系统分离出单色光之后将光线导入气室内，再由探测器进行光强检测；后者则是光源直接把具有连续光谱的红外光输入气室内，通过探测器上所安装的滤光片对所需要的波段进行选择性吸收。

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在实际应用中，分光型探测器因为其分光设备精度高，可以分离出波段很窄的单色光，通常应用在实验室的光谱分析仪器中，但是由于其分光系统比较复杂，体积较大，无法共用同一个气室，所以在小型化、便携化的应用场合更多的是采用非分光型探测器。这也就是为什么我们在淘宝中看到的二氧化碳传感器的检测方式几乎都为非分光红外（NDIR）法检测。

3.3 浓度、温湿度标定

在一个红外气体传感器制备完成之后，需要对其进行浓度标定，目的是为了获得公式：
$1-\frac{\text { Act }}{\text { Zero } \cdot \operatorname{Ref}}=\operatorname{Span}\left(1-e^{-a C^n}\right)$
中的Span、a、n值。其中Act、Zero和Ref为红外探测器测得电压值，C为气体浓度。通过对已知二氧化碳浓度的气体进行标定得到Span、a、n值。我们就可以在使用该传感器时，通过测量探测元件的输出电压，从而得到的Act、Zero 和 Ref 电压值，就可以通过该公式反推出气体浓度 C。

温湿度的测试是为了获得传感器在不同温度和湿度环境下的标定曲线，检验环境是否会对传感器的输出产生影响。首先进行不同温度下传感器的浓度标定，这一步的目的是要探究不同温度对传感器的输出会造成多大的影响，并通过标定得到的数据来进行温度补偿。其次进行不同湿度下传感器的浓度标定，来进行湿度补偿。

3.4 响应时间研究

红外气体传感器的响应时间通常与气室结构（光程长）、光源调制频率和气体流速相关。如何提高传感器的响应时间，需要对这三个因素进行实验研究，获取对应因素下传感器的响应时间曲线。

4. 参考文献

[1]杨伊娜,郝建淦,郑晓虹.二氧化碳气体传感器的研究进展[J].功能材料与器件学报,2022,28(03):187-199.DOI:10.20027/j.gncq.2022.0027.
[2]袁博. 基于NDIR原理的CO_2浓度传感器的制备与研究[D].电子科技大学,2019.