团队进行红外非分光气体检测模块的研究与开发已经有10年，这10年看过了国内外90%以上红外气体检测仪器的内部结构、技术路线以及具体实现，对红外非分光气体检测有了相对深入的了解。本文结合实际，对形式多样的红外气体检测设备的实现方式进行梳理和分析，使大家能在较短时间内对红外气体分析技术有一个全面清晰的认识和判断。
另外，如想实际了解各类红外气体分析技术方案的成本分析，可点击本文顶部《气体分析技术》关注本公众号，回复NDIR，浏览干货文章《红外气体检测分析四大方案实际成本分析与比较》。
光学气体检测方法是气体检测领域最活跃的分支，相对其他方法，这是一种高大上的存在。在光学气体检测这个家族中，包括了不食人间烟火的腔衰荡、拉曼等激光相关的气体检测技术、在环保领域当主力打头阵的紫外差分光谱和红外傅里叶光谱技术、逐渐走向平民的红外非色散气体检测技术（NDIR）。
利用红外光进行气体分析检测的方法包括进行分光的红外傅里叶光谱法（FTIR）、采用单色光的激光吸收光谱法（TDLAS）、以及采用窄带滤光片的非分光气体分析技术（NDIR），尽管都采用了红外光的吸收作用进行气体分析检测，但业界常说的红外气体检测一般特指非分光气体分析技术（NDIR）。
二、基本原理
红外气体检测技术就是利用不同的气体对不同波长的光具有吸收作用这一特性制作而成。
如图1就是常见气体在不同波长的吸收谱线图。
图1 常见气体在不同波长的吸收谱线图
基于这一特性，红外气体检测传感器的基本组成结构如图2所示。
图2 红外气体检测传感器的基本组成结构
基本结构中包括红外光源、红外光检测器、气室、温度压力传感器以及单片机控制系统。红外光源发出红外光，经过气室中的被测气体被吸收后的光到达检测器。由于光源发出的是宽谱光，待测气体可能有多种气体能吸收不同波长的光，因此要求检测必须只能检测待测气体所在波长的光能，这样通过光能比较就可进行气体检测。
为了提高信噪比，一般光源发出的光都需要进行调制，即亮暗交替，可去除缓慢变化的一些干扰因素。
三、红外气体核心部件
要想全面理解红外气体分析技术，我们就要对该技术所涉及的几个关键部件有清晰的认识。根据NDIR的基本原理可知，其基本实现需要光源、红外检测器、气室、单片机控制与检测子系统、滤光片几个部分。
按照检测器实现方式不同包括薄膜微音检测器、微流检测器、热释电检测器、热电堆检测器、PD管；按照光源分为绕制镍鮥丝和铂金丝光源、可调制小白炽灯、MEMS黑体可调制光源、可高频调制led光源。气室根据是否设置参考通道分为单通道和双通道。
（1）红外光源
红外气体分析中可用的光源如表1所示。
表1 红外气体分析可用光源
（2）可用检测器
红外气体分析中可用的检测器如表2所示。
表2 红外气体分析中可用的检测器
（3）常见气室结构
红外气体分析技术中常见的气室结构见表3所示。
表3 常见红外气体分析技术中气室结构
四、几种不同组合方案的性能比较
从前面总结的各种核心部件看，NDIR技术可以多很多种组合，但由于种种原因（这里不再深入介绍，有兴趣可关注作者公众号进行探讨），总结起来主要有以下四种类型的方案。
方案一：镍锘丝/铂金丝光源+薄膜微音或微流检测器+双通道气室
该方案我们简称薄膜微音/微流方案，是一个经典方案，代表厂家如西门子、北分麦哈克、横河、ABB等老牌厂家。
图3 西门子微流红外检测模块
90年代以前由于MEMS工艺、led光源尚未得到很好的发展，因此在光源方面采用镍锘丝或铂金丝绕制光源成为唯一选择，这类光源制造时需要丰富的经验和仔细的筛选，可以达到很高的稳定性和较长的寿命。但由于无法进行调制，因此必须采用一个电机带动扇叶转动，通过挡光和不挡光形成调制，提高信噪比，该方法称为机械切光。
检测器方面一般采用设计构思巧妙的薄膜微音器和微流。薄膜微音器是在检测器中密封被测气体，利用被测气体吸收光能后的热胀冷缩导致薄膜震动，产生有用信号。微流采用类似原理，在检测器中密封进被测气体，利用被测气体吸收光能后的热胀冷缩导致检测器内部气体在两个相通的小腔内流动形成微流，从而带走通道上发热的电阻丝的热量，导致电阻变化形成有用信号。
两种检测器都能达到很高的灵敏度，但需要较大功率的光源，且检测器制作较复杂，且没有通用性，需要专门为这类应用设计，因此门槛较高。至今，相比其他红外气体检测方案，这一方案在微量气体检测中仍具有不可替代的地位。
气室方面采用薄膜微音和微流检测器一般都需采用双通道气室，一个气室进行检测，另一气室密封氮气等无吸收气体，作为参比。当然也有比如日本富士就采用机械切光、单通道气室加薄膜微音检测器。
方案二：MEMS黑体光源或可调制白炽灯+热释电检测器+单通道气室
方案二我们简称热释电方案。由于薄膜微音/微流方案需要采用机械切光，检测器制作复杂，导致生产制造的门槛较高，无法大规模推广应用。
随着MEMS黑体光源和可调制白炽灯的出现，使得红外光源可以不用机械切光，采用方波供电即可进行调制，大大简化了结构。
图4 热释电红外气体检测模块
由于这两种光源功率较小，在检测器方面热释电检测器成为很好的选择，而且现代封装工艺可以在一个小型的结构中封装两个热释电检测器，且两路检测器前采用两种不同的窄带滤光片，一种是被测气体具有吸收的波长上，另一种不在吸收波长上，即一路测量一路参比。因此结构上可采用单通道气室。
该方案总体具有结构简单，合适大规模制造的有点，性能上除了在微量检测方面弱于方案一以外，其他方面已经达到方案一的水平。
方案三：可调制白炽灯+热电堆检测器+单通道气室或开放光路
方案三我们简称热电堆方案。在一些应用中，如农业大棚和建筑通风系统中测量CO2，仍然认为热释电方案成本太高，因此一种更低成本的方案（即热电堆方案）应运而生。
相比热释电检测器，热电堆检测器拥有更明显的成本优势，但相对而言稳定性和响应速度略逊一筹。方案三和方案二具有类似的结构，且两种检测器封装兼容，结构上可替换。只需采用不同的检测电路。在这一应用中，为进一步降低成本，气室可采用塑料注塑成型，然后表面镀金属的方式。因此，目前该方案具有最好的成本优势。但该方案由于白炽灯只能有5微米的最大波长，因此只能对CO2、CH4等常见气体进行检测。
方案四：Led光源+半导体PD管+单通道气室或开放光路
方案四我们简称Led方案。随着LED光源的发展，以及中远红外PD管出现，采用LED光源加PD管检测器成为一种新的选择。
在低成本应用方面，由于led出射光是一种准窄带光源，要求不高的条件下无需窄带滤光片也可实现检测。在大规模应用中，该方案甚至比方案三更有成本优势。
在高性能应用方面，由于led光源可实现几千Hz的调制频率，PD管检测器具有极高的响应速度，可在几千Hz调制下进行信号检测，可达到很高的信噪比。配合高精度温控以及双窄带滤光片，可实现优于方案二的检测性能。
表4 四种方案比较
五、未来展望
作为重要的气体分析技术，NDIR法仍然具有较强的活力，我们认为薄膜微音/微流方案已经达到该技术的检测极限，数十年来，该方案没有明显变化，但它仍然是超微量检测的首选，比如空分行业应中测量0~5ppm的CO2。
热释电方案仍处于发展过程中，其发展也朝着两个方向进行，一个是降成本；另一个是提性能。由于热电堆方案存在的性能上的缺陷，如何将MEMS检测器加热释电方案应用于报警，提高响应速度和稳定性是热释电方案的方向之一。另外，如何提高检测灵敏度和稳定性，从而在更多应用中替代薄膜微音/微流方案，也是热释电方案的发展方向之一。
热电堆方案已经得到广泛应用，但其性能存在的缺陷难以克服，因此发展前景不被看好。
Led方案以一种很有前景的方案，基于高速调制基础，可以更容易的实现高灵敏度，在技术上有希望碾压所有其他红外气体分析方案。
后记
红外气体分析技术经过半个多世纪的发展，并且还在不断发展，实现形式多样，很多问题无法在一篇文章中深入探讨，比如除了文中所述四类方案外，其他的组合是否可以达到理想效果，红外多组分气体同时分析如何实现等等，欢迎关注微信公众号，深入探讨。
