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紅外氣體分析儀工作原理詳解 非分散紅外法 NDIR 原理解析
紅外氣體分析儀工作原理詳解 非分散紅外法 NDIR 原理解析
做環保檢測、職業衛生的朋友，選氣體分析儀的時候，經常會看到 "非分散紅外法"、"NDIR 原理" 這些詞。很多人只看參數、比價格，對儀器怎么工作的不太關心。其實懂點工作原理，選設備的時候心里更有底，也能避開一些坑。今天就聊聊紅外氣體分析儀的工作原理，特別是常用的非分散紅外法（NDIR）到底是怎么回事。
一、什么是非分散紅外法
先說結論：非分散紅外法，簡稱 NDIR，是目前氣體檢測領域用得比較多的一種技術。它的理論基礎是朗伯 - 比爾定律，簡單說就是不同的氣體分子會吸收特定波長的紅外光，吸收的多少和氣體濃度有關系。
舉個例子，一氧化碳分子會吸收 4.65 微米波長的紅外光，二氧化碳分子會吸收 4.26 微米波長的紅外光。每種氣體都有自己的 "特征吸收波長"，就像每個人的指紋不一樣。
那 "非分散" 是什么意思呢？就是紅外光源發出的光，不經過棱鏡或者光柵分光，直接通過濾光片來選擇需要的波長。這樣做的好處是結構簡單、成本可控，適合做成便攜式設備，在現場檢測用得很多。
二、紅外氣體分析儀的核心部件
一臺紅外氣體分析儀，拆開來看，核心部件就那么幾個：
1. 紅外光源就是發出紅外光的地方。一般用的是白熾光源或者 MEMS 光源，通電加熱后會發出連續波長的紅外光。光源的穩定性很重要，直接影響檢測的基線和重復性。
2. 氣室也叫樣品池，就是氣體流過的地方。紅外光從氣室的一端進去，另一端出來。氣室的長度有講究，測低濃度的氣體，氣室要長一些，這樣光和氣體接觸的時間長，吸收更明顯，檢測下限就能做得更低。
3. 濾光片這是 "非分散" 的關鍵。濾光片只允許特定波長的紅外光通過，其他波長都擋住。測什么氣體，就用對應波長的濾光片。比如測一氧化碳用 4.65 微米的濾光片，測二氧化碳用 4.26 微米的濾光片。
4. 紅外探測器就是接收紅外光、把光信號轉換成電信號的部件。常用的有熱電堆探測器、微流探測器等。探測器的靈敏度越高，儀器的分辨率和檢測下限就越好。
5. 采樣泵便攜式的儀器一般都帶內置泵，把氣體抽進氣室。泵的流量穩定性也會影響檢測結果，流量忽大忽小的話，讀數就容易飄。
三、一氧化碳和二氧化碳的檢測原理
明白了基本結構，檢測過程就好理解了。
檢測的時候，氣泵把待測氣體抽進氣室。紅外光源發出的光，穿過氣室里的氣體，然后經過濾光片，最后到達探測器。
如果氣室里沒有目標氣體（比如通的是零點氣），紅外光被吸收得少，探測器接收到的光就強，對應的電信號就大。這時候的信號值就是零點。
如果氣室里有目標氣體，比如一氧化碳，對應波長的紅外光就會被一氧化碳分子吸收一部分，到達探測器的光就變弱了，電信號也就變小了。
根據信號減弱的程度，再結合之前標定好的曲線，就能算出氣體的濃度。濃度越高，吸收的光越多，信號變化就越大。
一氧化碳和二氧化碳的檢測原理是一樣的，只是用的濾光片波長不同，對應的標定曲線也不一樣。
四、二合一分析儀怎么實現同時檢測
有人可能會問，一臺儀器怎么同時測一氧化碳和二氧化碳呢？
常見的做法有兩種：
一種是雙光路雙探測器就是一套光源和氣室，但有兩個濾光片和兩個探測器，分別對應一氧化碳和二氧化碳的波長。兩個通道同時工作，各自測各自的，互不干擾。這種方式的好處是響應快，兩個參數能同時出數。
另一種是單光路切換用一個探測器，通過機械或者光學的方式切換不同的濾光片，輪流測一氧化碳和二氧化碳。這種方式結構簡單一些，但兩個參數的讀數會有時間差，不能同步輸出。
現在市面上的二合一紅外分析儀，用雙光路的比較多，檢測效率更高，用起來也方便。
五、影響檢測精度的幾個因素
懂了原理，就知道哪些因素會影響檢測結果了，平時用的時候可以注意一下：
1. 溫度溫度變化會影響光源的強度、探測器的靈敏度，還會影響氣體分子的活性。所以好一點的儀器都會做溫度補償，或者把關鍵部件恒溫控制。現場用的時候，盡量不要在溫差太大的環境里直接開機檢測，預熱一會兒再用。
2. 交叉干擾就是其他氣體對檢測結果的影響。比如測一氧化碳的時候，如果環境里有其他吸收相近波長的氣體，就可能干擾讀數。好的儀器會在光學設計和算法上做處理，降低交叉干擾的影響。
3. 水汽干擾水汽在紅外波段也有吸收，如果環境濕度太大，可能會影響檢測結果。有些儀器會做水汽補償，或者配干燥裝置。
4. 零點漂移儀器用久了，零點可能會慢慢飄。所以定期調零還是有必要的，尤其是在季節交替、溫差大的時候。現在很多儀器都有自動零點校正功能，用起來方便不少。
六、總結
總的來說，非分散紅外法（NDIR）的原理并不復雜，就是利用氣體分子對特定波長紅外光的吸收特性來測濃度。核心部件就是光源、氣室、濾光片、探測器這幾樣。
選紅外氣體分析儀的時候，除了看量程、精度這些參數，也可以多了解一下用的什么探測器、有沒有溫度補償、交叉干擾做得怎么樣。懂點原理，跟廠家溝通的時候也能問到點子上，不容易被忽悠。
像 TZ-3020 這類紅外一氧化碳二氧化碳二合一分析儀，就是基于 NDIR 原理做的，一臺儀器能同時測兩個參數，在公共場所衛生檢測、環境監測、職業衛生檢測這些場景用起來都比較方便。
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