为 例, 包 含 两 组 窄 带 滤 波 镜 片 及 敏 感 元 件, 中 心 波 长 为 4.26um 的 通 道 对 CO2 气 体 敏 感, 而 另 外 一 个 中 心 波 长 为 3.91um 的 通 道 错 开 了 CO2 气 体 的 吸 收 波 段, 信 号 比 较 稳 定, 可 以 作

NDIR 气 体 传 感 器 的 选 择 电 调 制 非 分 光 红 外 (NDIR) 气 体 传 感 器 的 原 理 有 很 多 文 章 都 做 过 比 较 详 细 的 介 绍 基 于 NDIR 技 术 的 气 体 传 感 器 以 其 高 精 度 高 可 靠 性 以 及 超 长 的 使 用 寿 命 等 优 势, 获 得 了 广 泛 的 应 用 NDIR 气 体 传 感 器 具 有 极 高 的 选 择 性, 不 会 受 到 其 它 气 体 的 交 叉 感 染 ( 俗 称 中 毒 ), 大 有 取 代 传 统 的 电 化 学 传 感 器 的 趋 势 经 过 近 30 年 的 发 展, 市 场 上 涌 现 出 很 多 品 类 繁 杂 的 产 品 很 多 用 户 在 产 品 选 型 上 往 往 无 所 适 从 本 文 则 从 8 个 方 面 对 NDIR 气 体 传 感 器 的 类 型 及 主 要 技 术 指 标 进 行 分 析, 便 于 读 者 能 够 选 择 一 款 真 正 适 合 自 己 的 产 品 1. NDIR 气 体 传 感 器 的 分 类 1.1 可 探 测 气 体 的 种 类 由 于 NDIR 气 体 传 感 器 基 本 原 理 所 限, 只 是 具 有 非 对 称 分 子 结 构 的 气 体 才 能 够 对 红 外 线 具 有 较 强 的 吸 收 所 以 NDIR 气 体 传 感 器 只 能 测 量 SO2 NO CO2 CO CH4 N2O 等 具 有 非 对 称 分 子 结 构 的 气 体 对 于 O2 H2 N2 等 具 有 对 称 分 子 结 构 的 气 体 则 无 能 为 力 1.2 单 通 道 及 双 通 道 NDIR 分 析 构 成 NDIR 气 体 传 感 器 的 三 个 核 心 元 件 是 : 红 外 光 源 红 外 探 测 器 以 及 吸 收 气 室 其 中 红 外 探 测 器 通 常 是 和 窄 带 滤 波 镜 片 一 体 实 现 对 被 探 测 气 体 的 选 择 性 吸 收 和 测 量 的 根 据 红 外 探 测 器 的 通 道 数, 可 以 划 分 为 单 通 道 NDIR 及 双 通 道 NDIR 两 种 类 型 下 面 分 别 介 绍 其 优 缺 点 : 单 通 道 NDIR 气 体 传 感 器 单 通 道, 顾 名 思 义 就 是 在 红 外 探 测 器 内 部 集 成 了 一 个 敏 感 元 件 及 一 个 窄 带 滤 波 镜 片 优 点 缺 点 主 要 应 用 结 构 简 单 价 格 相 对 比 较 便 宜 长 期 稳 定 性 比 较 差 受 环 境 温 度 影 响 比 较 大 民 用 室 内 空 气 质 量 检 测 双 通 道 NDIR 气 体 传 感 器 双 通 道 红 外 探 测 器 就 是 在 单 通 道 的 基 础 上, 集 成 了 一 个 参 考 通 道 以 CO2 传 感 器

为 例, 包 含 两 组 窄 带 滤 波 镜 片 及 敏 感 元 件, 中 心 波 长 为 4.26um 的 通 道 对 CO2 气 体 敏 感, 而 另 外 一 个 中 心 波 长 为 3.91um 的 通 道 错 开 了 CO2 气 体 的 吸 收 波 段, 信 号 比 较 稳 定, 可 以 作 为 参 考 通 道 优 点 缺 点 主 要 应 用 结 构 稍 微 复 杂 价 格 稍 高 长 期 稳 定 性 好 受 环 境 温 度 影 响 小 可 使 用 在 相 对 恶 劣 环 境 公 共 场 所 空 气 质 量 检 测 工 业 或 采 矿 业 气 体 浓 度 监 控 气 象, 农 业, 环 境 空 气 质 量 检 测 汽 车 尾 气 检 测 1.3 单 一 气 体 及 复 合 气 体 传 感 器 目 前 市 场 上 绝 大 部 分 NDIR 气 体 传 感 器 都 是 针 对 单 一 气 体 组 分 进 行 测 量 的, 技 术 比 较 成 熟, 应 用 也 比 较 广 泛 比 如 citytech 的 IRcel 系 列,smartGas 的 B 系 列 和 F 系 列 产 品 复 合 气 体 传 感 器 是 最 新 发 展 起 来 的 一 类 基 于 NDIR 技 术 的 产 品, 在 一 个 红 外 探 测 器 上 集 成 了 多 达 4 个 通 道 的 窄 带 滤 波 镜 片 和 敏 感 元 件, 可 以 同 时 测 量 三 种 气 体 组 分, 体 积 小 巧, 应 用 灵 活, 性 价 比 突 出 Heimannsensor 及 micro-hybrid 等 公 司 先 后 都 成 功 推 出 了 支 持 复 合 气 体 测 量 的 产 品 单 一 组 分 红 外 探 测 器 复 合 组 分 红 外 探 测 器 2. 测 量 范 围 及 准 确 度 NDIR 气 体 传 感 器 在 测 量 范 围 上 比 较 灵 活, 通 常 可 以 根 据 实 际 应 用 进 行 调 整 但 是 在 评 估 一 个 产 品 的 测 量 范 围 的 时 候 不 可 以 忽 略 产 品 的 分 辨 率 测 量 范 围 越 广 分 辨 率 越 高, 当 然 越 好 分 辨 率 通 常 取 决 于 吸 收 气 室 的 有 效 长 度, 在 有 限 的 空 间 内, 吸 收 气 室 的 长 度 越 长, 分 辨 率 就 越 高 所 以 一 个 优 秀 的 NDIR 气 体 传 感 器, 是 需 要 确 保 有 效 的 吸 收 长 度 的, 并 非 越 小 就 越 好 比 如 现 在 市 场 上 很 多 微 型 CO2 传 感 器, 标 称 的 测 量 范 围 为 400~2000ppm, 但 是 通 常 都 不 标 称 分 辨 率, 实 际 评 估 后 的 结 果 是 20ppm 以 上, 这 一 类 产 品 作 为 家 庭 空 气 质 量 监 控, 倒 也 凑 合 同 样 准 确 度 也 是 一 个 比 较 复 杂 的 概 念, 涉 及 到 的 因 素 比 较 多 首 先, 基 于 NDIR 技 术 的 气 体 传 感 器 准 确 度 指 标 总 体 上 要 远 高 于 电 化 学 类 的 传 感 器, 在 全 量 程 范 围 内 通 常 可 以 到 达 +/-100ppm+3%m.v.(m.v. 意 思 是 当 前 测 量 值 ), 而 电 化 学 传 感 器 能 达 到 +/-100ppm+5%m.v. 就 算 是 很 好 的 了 目 前 市 场 上 测 量 准 确 度 最 高 的 NDIR 气 体 传 感 器 可 以 做 到 +/-30ppm+2%m.v. 其 次, 传 感 器 所 处 的 环 境 温 度, 环 境 气 压 都 会 对 准 确 度 产 生 非 常 大 的 影 响, 每 一 个 合 格 的 传 感 器 都 应 当 对 这 些 影 响 因 素 进 行 补 偿 最 后, 准 确 度 和 长 期 稳 定 性 也 是 紧 密 相 关 的, 好 的 NDIR 气 体 传 感 器 应 当 在 很 长 时 间 内 保 证 其 标 称 的 准 确 度 在 本 文 第 四 章, 会 对 长 期 稳 定 性 进 行 详 细 描 述 3. 工 作 温 度 范 围 及 温 度 依 赖 性

前 面 有 提 到 环 境 温 度 对 准 确 度 的 影 响, 这 里 展 开 来 进 行 分 析 构 成 NDIR 气 体 传 感 器 的 三 个 核 心 元 件 : 红 外 光 源 红 外 探 测 器 和 吸 收 气 室 都 离 不 开 其 物 理 载 体, 即 结 构 件 如 图 所 示, 这 是 一 个 典 型 的 双 通 道 NDIR 气 体 传 感 器 示 意 图, 吸 收 气 室 由 外 壳 组 成, 而 红 外 光 源 和 红 外 探 测 器 则 固 定 在 两 端 这 个 外 壳 可 以 是 金 属, 也 可 以 是 塑 料, 但 是 构 成 吸 收 气 室 的 内 表 面 则 必 须 对 红 外 线 有 比 较 高 的 反 射 系 数 任 何 物 体 都 具 有 热 胀 冷 缩 的 特 性, 所 以 这 个 气 室 的 内 表 面 会 随 着 温 度 的 变 化 而 发 生 形 变, 这 个 形 变 的 存 在 会 导 致 红 外 探 测 器 接 收 到 的 光 强 发 生 变 化, 从 而 导 致 比 较 大 的 误 差 另 外 红 外 光 源 的 灯 丝, 红 外 探 测 器 的 镜 片 敏 感 元 件 都 会 随 着 温 度 的 变 化 而 发 生 形 变 由 于 这 些 形 变 的 不 可 预 期 性, 导 致 NDIR 气 体 传 感 器 难 以 工 作 在 较 宽 的 温 度 范 围, 温 度 依 赖 性 也 很 难 达 到 理 想 的 效 果 那 么 有 没 用 什 么 办 法 能 改 善 NDIR 气 体 传 感 器 的 温 度 性 能 呢? 答 案 是 肯 定 的 优 化 外 壳 结 构 设 计 外 壳 设 计 上, 要 尽 量 确 保 各 部 分 尺 寸 比 较 均 匀 这 样 当 温 度 变 化 的 时 候, 各 部 分 形 变 会 保 持 比 较 好 的 一 致 性, 从 而 减 少 形 变 导 致 的 影 响 这 个 方 法 只 能 作 为 设 计 中 的 一 个 参 考, 实 际 效 果 很 难 评 估 外 壳 材 料 的 选 择 金 属 材 料, 尤 其 是 以 铜 为 基 体 的 外 壳, 具 有 优 秀 的 导 热 性 能 相 对 于 塑 料 外 壳 而 言, 其 温 度 性 能 可 以 改 善 很 多 温 度 补 偿 以 上 两 种 方 法, 虽 然 对 提 高 温 度 性 能 有 一 定 的 帮 助, 但 是 很 难 到 达 理 想 的 效 果 所 以 一 款 高 性 能 的 NDIR 气 体 传 感 器, 还 应 当 在 多 个 工 作 温 度 点 进 行 温 度 补 偿 下 表 提 供 的 一 些 参 数, 仅 供 参 考 : 技 术 参 数 塑 料 外 壳 金 属 外 壳 无 温 度 补 偿 有 温 度 补 偿 无 温 度 补 偿 有 温 度 补 偿 工 作 温 度 范 围 +10~+35 C -10~+60 C 0~+50 C -40~+70 C 温 度 依 赖 性 <1.5%m.v. / C <0.3%m.v. / C <1.0%m.v. / C <0.2%m.v. / C 4. 长 期 稳 定 性 由 于 红 外 光 源 的 发 光 效 率 会 因 灯 丝 的 渐 渐 老 化 而 衰 减, 吸 收 气 室 的 内 壁 反 光 系 数 会 随 着 时 间 的 推 移 而 变 差, 这 些 都 会 影 响 传 感 器 的 长 期 稳 定 性 理 论 上 NDIR 气 体 传 感 器 具 有 十 年 以 上 的 寿 命, 但 是 只 有 长 期 稳 定 性 比 较 好 的 产 品, 才 可 以 确 保 十 年 以 上 的 寿 命 同 时 长 期 稳 定 性 好 的 产 品, 可 以 适 当 延 长 校 准 或 检 定 的 周 期, 节 省 维 护 成 本 这 里 所 谈 论 的 长 期 稳 定 性, 只 是 针 对 双 通 道 NDIR 气 体 传 感 器 而 言 有 效 提 高 长 期 稳 定 性 通 常 有 以 下 几 项 措 施 : 采 用 双 通 道 红 外 探 测 器 双 通 道 NDIR 气 体 传 感 器 可 以 同 时 获 取 测 量 通 道 和 参 考 通 道 的 数 值, 可 以 有 效 减 少 灯

丝 老 化 反 光 系 数 降 低 等 影 响 因 素, 从 而 实 现 比 较 好 的 长 期 稳 定 性 这 是 单 通 道 NDIR 气 体 传 感 器 无 法 比 拟 的 优 势 但 是 并 非 采 用 了 双 通 道 的 红 外 探 测 器 就 可 以 一 劳 永 逸 了 吸 收 气 室 内 壁 镀 膜 材 料 镀 膜 材 料 的 稳 定 性, 对 长 期 稳 定 性 影 响 非 常 大 镀 膜 材 料 要 求 有 比 较 好 的 抗 氧 化 能 力 有 比 较 高 的 红 外 线 反 射 系 数 要 求 有 比 较 强 的 附 着 力 和 稳 定 性 24K 镀 金 是 上 佳 之 选, 其 次 是 18K 镀 金, 再 次 是 镀 银 选 用 品 质 优 秀 的 红 外 光 源 和 红 外 探 测 器 来 自 德 国 的 Heimannsensor 和 PerkinElmer 都 有 超 过 20 年 红 外 光 源 和 红 外 探 测 器 的 生 产 经 验, 其 产 品 的 稳 定 性 和 可 靠 性 得 到 业 界 一 致 认 可 防 尘 防 水 等 级 防 尘 防 水 等 级 也 是 不 容 忽 视 的 一 项 指 标 灰 尘 在 吸 收 气 室 内 部 的 累 积, 会 导 致 反 光 效 率 下 降, 从 而 影 响 长 期 稳 定 性 而 水 滴 对 NDIR 气 体 传 感 器 的 破 坏 则 是 致 命 的 通 常 要 求 防 护 等 级 不 可 低 于 IP53, 越 高 越 好 总 而 言 之, 一 款 优 秀 的 NDIR 气 体 传 感 器, 其 长 期 稳 定 性 要 <50ppm / year 对 于 长 期 稳 定 性 >100ppm / year 或 者 没 有 给 出 该 指 标 的 产 品, 选 择 上 就 需 要 慎 重 了 5. 预 热 时 间 及 响 应 速 度 预 热 时 间 基 于 NDIR 原 理 的 气 体 传 感 器, 都 需 要 红 外 光 源, 光 源 在 点 亮 的 时 候 会 产 生 热 量 正 是 这 个 热 量 的 存 在, 导 致 整 个 系 统 需 要 一 定 的 时 间 建 立 热 平 衡 这 个 预 热 时 间 是 不 可 避 免 的, 通 常 在 2 分 钟 以 内 都 是 可 以 接 受 的 有 些 产 品 通 过 优 化 结 构 设 计 或 电 子 驱 动 方 式, 可 以 将 预 热 时 间 缩 短 到 30s 以 内 响 应 速 度 NDIR 气 体 传 感 器 进 气 方 式 有 强 吸 式 和 扩 散 式 两 种 强 吸 式 气 体 传 感 器 由 气 泵 驱 动, 流 量 可 以 达 到 0.5~1.0L/m, 响 应 速 度 比 较 快,t90 可 以 达 到 15s 左 右 对 于 扩 散 式 气 体 传 感 器, 响 应 速 度 主 要 取 决 于 进 气 口 的 开 口 面 积,t90 达 到 120s 以 内 的 都 算 是 合 格 的 产 品 最 近 部 分 产 品 采 用 了 一 种 全 新 的 设 计 思 路, 在 外 壳 对 应 的 面 上 分 别 开 透 气 孔, 使 得 被 交 换 的 气 体 实 现 了 对 流, 显 著 提 高 了 响 应 速 度,t90 可 以 达 到 60s 以 内 6. 振 动 或 跌 落 对 准 确 度 的 影 响 在 前 面 第 三 章, 有 谈 到 外 壳 形 变 对 长 期 稳 定 性 的 影 响, 最 终 表 现 出 来 的 结 果 就 是 准 确 度 发 生 了 漂 移 NDIR 气 体 传 感 器 作 为 一 款 光 学 测 量 仪 器, 对 于 振 动 或 跌 落 导 致 的 外 壳 形 变 十 分 敏 感, 因 而 有 可 能 导 致 较 大 的 误 差, 甚 至 测 量 功 能 失 效 实 际 使 用 中 应 尽 量 避 免 此

类 事 件 的 发 生 但 是 由 于 具 体 应 用 情 景 千 变 万 化, 比 如 便 携 式 测 量 仪 器, 运 输 过 程 中 的 气 体 浓 度 检 测 等 等, 很 难 避 免 振 动 或 跌 落 事 件 的 发 生 此 时 选 择 一 款 具 有 较 强 的 抗 振 动 或 跌 落 性 能 的 产 品, 就 显 得 尤 为 重 要 了 那 么 如 何 评 估 一 款 NDIR 气 体 传 感 器 抗 振 动 或 跌 落 性 能 呢? 这 个 确 实 很 难 评 估, 这 里 只 能 粗 略 地 总 结 为 一 问 二 看 问 技 术 支 持 要 和 厂 家 的 技 术 支 持 沟 通 一 下, 了 解 他 们 设 计 产 品 时 是 否 有 所 考 虑, 如 果 有 详 细 的 测 试 报 告, 则 最 佳 看 测 试 结 果 振 动 测 试 : 将 传 感 器 固 定 在 振 动 测 试 台 上, 设 置 振 动 测 试 台 参 数 为 频 率 50Hz, 振 幅 2mm, 加 速 度 3g, 测 试 时 长 10min 以 上 最 后 全 量 程 检 验 准 确 度, 如 果 在 标 称 的 准 确 度 范 围 内, 则 合 格 跌 落 测 试 : 通 常 传 感 器 不 是 独 立 安 装 使 用, 用 户 会 根 据 自 己 的 实 际 应 用, 添 加 仪 表 外 壳 或 跌 落 缓 冲 装 置, 所 以 这 一 点 很 难 有 统 一 的 评 判 标 准 粗 略 的 评 判 是 自 30cm 高 度, 从 6 个 角 度 分 别 5 次 将 传 感 器 自 由 跌 落 到 混 凝 土 台 面 最 后 验 证 准 确 度 应 当 在 标 称 的 范 围 内 当 然 如 果 你 的 仪 表 外 壳 和 跌 落 缓 冲 装 置 设 计 的 足 够 好, 可 以 忽 略 这 个 测 试 但 是 对 于 总 机, 依 旧 需 要 做 类 似 测 试 测 试 方 法 类 似, 建 议 高 度 为 1m 看 结 构 设 计 这 里 第 三 次 强 调 一 下 构 成 NDIR 气 体 传 感 器 的 三 个 核 心 元 件 : 红 外 光 源 红 外 探 测 器 和 吸 收 气 室 构 成 吸 收 气 室 的 外 壳 一 定 要 坚 固, 不 易 变 形 通 常 外 壳 由 上 壳 和 下 壳 两 部 分 组 成, 上 壳 和 下 壳 之 间 必 须 要 有 螺 钉 紧 固 红 外 光 源 及 红 外 探 测 器 要 牢 牢 地 固 定 在 外 壳 上, 最 好 是 螺 钉 紧 固 再 加 胶 水 封 死 外 壳 和 电 路 板 之 间, 也 要 配 合 紧 密, 不 可 有 丝 毫 晃 动 当 然 如 果 能 将 电 路 板 封 装 在 外 壳 里 面, 并 通 过 胶 水 封 死 为 最 佳 7. 数 据 输 出 或 通 讯 接 口 NDIR 气 体 传 感 器 通 常 有 模 拟 信 号 输 出 和 数 字 信 号 输 出 两 种 方 式 模 拟 信 号 有 4~20mA 电 流 和 0~5V 电 压 输 出 而 数 字 信 号 输 出 通 常 采 用 TTL 电 平 的 UART 通 讯, 通 讯 协 议 通 常 采 用 MODBUS 模 拟 信 号 输 出 在 工 业 现 场 使 用 非 常 广 泛, 易 于 系 统 集 成 但 是 在 传 感 器 内 部 涉 及 到 一 次 数 模 转 换 造 成 的 误 差 ; 而 在 应 用 的 时 候, 模 拟 信 号 采 集 环 节 会 再 次 造 成 一 定 的 误 差, 两 次 误 差 的 累 积 还 是 比 较 可 观 的, 所 以 模 拟 信 号 输 出 不 太 适 合 高 精 度 应 用 数 字 信 号 输 出 比 较 直 观 可 靠, 但 是 对 上 位 机 的 资 源 和 开 发 人 员 的 素 质 有 一 定 的 要 求

通 常 需 要 厂 家 技 术 人 员 的 支 持 总 而 言 之, 两 种 输 出 方 式 各 有 优 缺 点, 要 根 据 具 体 情 况 进 行 选 择 8. 低 功 耗 的 意 义 在 倡 导 节 能 环 保 的 今 天, 降 低 系 统 功 耗, 减 少 能 源 消 耗 可 以 说 深 入 人 心 NDIR 气 体 传 感 器 虽 然 有 高 准 确 度, 高 可 靠 性, 超 长 使 用 寿 命 等 等 众 多 优 点, 但 是 相 对 于 电 化 学 传 感 器, 其 动 辄 300~1000mW 的 功 耗, 不 能 不 说 是 一 项 缺 憾 正 是 由 于 功 耗 比 较 大, 限 制 了 NDIR 气 体 传 感 器 在 由 电 池 供 电 的 设 备 上 的 普 及 国 内 外 有 部 分 厂 家 也 相 继 推 出 了 超 低 功 耗 的 NDIR 气 体 传 感 器 比 较 有 代 表 性 的 产 品 有 英 国 GSS 的 COZIR 系 列 和 勒 杜 鹃 科 技 的 BSW-B 系 列, 感 兴 趣 的 朋 友 可 以 实 际 评 估 一 下 技 术 参 数 对 比 : 项 目 MH-Z19-W01 BSW-B200 外 观 测 量 范 围 0~10000ppm, 可 定 制 0~10000ppm, 可 定 制 准 确 度 +/-50ppm+3%m.v. +/-100ppm+3%m.v. 分 辨 率 <10ppm 1ppm 响 应 时 间 (t90) 30s~3min <60s 预 热 时 间 <10s <20s 测 量 周 期 0.5s >=120s 温 度 依 赖 性 未 提 及 <0.2%m.v. / C 长 期 稳 定 性 未 提 及 <40ppm / year 操 作 电 压 3.3~5.5V 3.7~5.0V 功 耗 3.5mW ~5mW 操 作 温 度 0.0 ~ +50.0 C, -40.0 ~ +70.0 C, 0~95%RH 无 结 露 0~98%RH 无 结 露 质 保 周 期 90days 2years