做環(huán)保檢測(cè)、職業(yè)衛(wèi)生的朋友，選氣體分析儀的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)看到 "非分散紅外法"、"NDIR 原理" 這些詞。很多人只看參數(shù)、比價(jià)格，對(duì)儀器怎么工作的不太關(guān)心。其實(shí)懂點(diǎn)工作原理，選設(shè)備的時(shí)候心里更有底，也能避開(kāi)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。

先說(shuō)結(jié)論：非分散紅外法，簡(jiǎn)稱 NDIR，是目前氣體檢測(cè)領(lǐng)域用得比較多的一種技術(shù)。它的理論基礎(chǔ)是朗伯 - 比爾定律，簡(jiǎn)單說(shuō)就是不同的氣體分子會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的紅外光，吸收的多少和氣體濃度有關(guān)系。

舉個(gè)例子，一氧化碳分子會(huì)吸收 4.65 微米波長(zhǎng)的紅外光，二氧化碳分子會(huì)吸收 4.26 微米波長(zhǎng)的紅外光。每種氣體都有自己的 "特征吸收波長(zhǎng)"，就像每個(gè)人的指紋不一樣。

那 "非分散" 是什么意思呢？就是紅外光源發(fā)出的光，不經(jīng)過(guò)棱鏡或者光柵分光，直接通過(guò)濾光片來(lái)選擇需要的波長(zhǎng)。這樣做的好處是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本可控，適合做成便攜式設(shè)備，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)用得很多。

一臺(tái)紅外氣體分析儀，拆開(kāi)來(lái)看，核心部件就那么幾個(gè)：

1. 紅外光源就是發(fā)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(huì)發(fā)出連續(xù)波長(zhǎng)的紅外光。光源的穩(wěn)定性很重要，直接影響檢測(cè)的基線和重復(fù)性。

2. 氣室也叫樣品池，就是氣體流過(guò)的地方。紅外光從氣室的一端進(jìn)去，另一端出來(lái)。氣室的長(zhǎng)度有講究，測(cè)低濃度的氣體，氣室要長(zhǎng)一些，這樣光和氣體接觸的時(shí)間長(zhǎng)，吸收更明顯，檢測(cè)下限就能做得更低。

3. 濾光片這是 "非分散" 的關(guān)鍵。濾光片只允許特定波長(zhǎng)的紅外光通過(guò)，其他波長(zhǎng)都擋住。測(cè)什么氣體，就用對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的濾光片。比如測(cè)一氧化碳用 4.65 微米的濾光片，測(cè)二氧化碳用 4.26 微米的濾光片。

4. 紅外探測(cè)器就是接收紅外光、把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的部件。常用的有熱電堆探測(cè)器、微流探測(cè)器等。探測(cè)器的靈敏度越高，儀器的分辨率和檢測(cè)下限就越好。

5. 采樣泵便攜式的儀器一般都帶內(nèi)置泵，把氣體抽進(jìn)氣室。泵的流量穩(wěn)定性也會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果，流量忽大忽小的話，讀數(shù)就容易飄。

明白了基本結(jié)構(gòu)，檢測(cè)過(guò)程就好理解了。

檢測(cè)的時(shí)候，氣泵把待測(cè)氣體抽進(jìn)氣室。紅外光源發(fā)出的光，穿過(guò)氣室里的氣體，然后經(jīng)過(guò)濾光片，最后到達(dá)探測(cè)器。

如果氣室里沒(méi)有目標(biāo)氣體（比如通的是零點(diǎn)氣），紅外光被吸收得少，探測(cè)器接收到的光就強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的電信號(hào)就大。這時(shí)候的信號(hào)值就是零點(diǎn)。

如果氣室里有目標(biāo)氣體，比如一氧化碳，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的紅外光就會(huì)被一氧化碳分子吸收一部分，到達(dá)探測(cè)器的光就變?nèi)趿耍娦盘?hào)也就變小了。

根據(jù)信號(hào)減弱的程度，再結(jié)合之前標(biāo)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(hào)變化就越大。

一氧化碳和二氧化碳的檢測(cè)原理是一樣的，只是用的濾光片波長(zhǎng)不同，對(duì)應(yīng)的標(biāo)定曲線也不一樣。

有人可能會(huì)問(wèn)，一臺(tái)儀器怎么同時(shí)測(cè)一氧化碳和二氧化碳呢？

常見(jiàn)的做法有兩種：

一種是雙光路雙探測(cè)器就是一套光源和氣室，但有兩個(gè)濾光片和兩個(gè)探測(cè)器，分別對(duì)應(yīng)一氧化碳和二氧化碳的波長(zhǎng)。兩個(gè)通道同時(shí)工作，各自測(cè)各自的，互不干擾。這種方式的好處是響應(yīng)快，兩個(gè)參數(shù)能同時(shí)出數(shù)。

另一種是單光路切換用一個(gè)探測(cè)器，通過(guò)機(jī)械或者光學(xué)的方式切換不同的濾光片，輪流測(cè)一氧化碳和二氧化碳。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單一些，但兩個(gè)參數(shù)的讀數(shù)會(huì)有時(shí)間差，不能同步輸出。

現(xiàn)在市面上的二合一紅外分析儀，用雙光路的比較多，檢測(cè)效率更高，用起來(lái)也方便。

懂了原理，就知道哪些因素會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果了，平時(shí)用的時(shí)候可以注意一下：

1. 溫度溫度變化會(huì)影響光源的強(qiáng)度、探測(cè)器的靈敏度，還會(huì)影響氣體分子的活性。所以好一點(diǎn)的儀器都會(huì)做溫度補(bǔ)償，或者把關(guān)鍵部件恒溫控制。現(xiàn)場(chǎng)用的時(shí)候，盡量不要在溫差太大的環(huán)境里直接開(kāi)機(jī)檢測(cè)，預(yù)熱一會(huì)兒再用。

2. 交叉干擾就是其他氣體對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。比如測(cè)一氧化碳的時(shí)候，如果環(huán)境里有其他吸收相近波長(zhǎng)的氣體，就可能干擾讀數(shù)。好的儀器會(huì)在光學(xué)設(shè)計(jì)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(huán)境濕度太大，可能會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果。有些儀器會(huì)做水汽補(bǔ)償，或者配干燥裝置。

4. 零點(diǎn)漂移儀器用久了，零點(diǎn)可能會(huì)慢慢飄。所以定期調(diào)零還是有必要的，尤其是在季節(jié)交替、溫差大的時(shí)候。現(xiàn)在很多儀器都有自動(dòng)零點(diǎn)校正功能，用起來(lái)方便不少。

總的來(lái)說(shuō)，非分散紅外法（NDIR）的原理并不復(fù)雜，就是利用氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)紅外光的吸收特性來(lái)測(cè)濃度。核心部件就是光源、氣室、濾光片、探測(cè)器這幾樣。

選紅外氣體分析儀的時(shí)候，除了看量程、精度這些參數(shù)，也可以多了解一下用的什么探測(cè)器、有沒(méi)有溫度補(bǔ)償、交叉干擾做得怎么樣。懂點(diǎn)原理，跟廠家溝通的時(shí)候也能問(wèn)到點(diǎn)子上，不容易被忽悠。

像 TZ-3020 這類(lèi)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(tái)儀器能同時(shí)測(cè)兩個(gè)參數(shù)，在公共場(chǎng)所衛(wèi)生檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、職業(yè)衛(wèi)生檢測(cè)這些場(chǎng)景用起來(lái)都比較方便。