非色散红外Non-Dispersive InfraRed（NDIR）传感器是一种由红外光源（IR source）、光路（Optics Cell）、红外探测器（IR Detector）、电路（Electronics）和软件算法（Algorithm）组成的光学气体传感器。它主要用于测化合物，例如: CH4、C2H2、C2H4、CO2、N2O、CO、CO2、NH3、VCM、CF4、SF6、乙醇、氟利昂等，并包含绝大多数有机物，包括有机挥发性混合物（VOC）。
NDIR（非色散红外）技术的原理是气体对特征红外波长的吸收符合朗伯比尔（Lambert-Beer）定律。其基本原理是红外光源发射一道红外光束穿过采样气室，样本中的各气体组分吸收特定频率的红外线。通过探测器接收和测量相应频率的红外线吸收量，结合嵌入式软件中设置的算法分析，可确定该气体组分的浓度。之所以说这种技术是非分光的，系因穿过采样气室的波长未经预先滤波。
不同气体由于其分子结构、浓度和能量分布的差异，而有各自不同的吸收光谱。如果不同气体的吸收峰重叠，就必须处理这些气体之间的相互干扰。此外， 在特定波长范围内，气体检测还将受到水分的干扰。因此，使用非分光红外技术进行气体测量，需要解决不同气体之间的交叉干扰、高低温影响、湿度影响、元器件噪声影响等问题，这就需要气路、电路、光路设计及软件算法的综合配合。
NDIR传感器为什么可以测量CO2浓度，不能测量N2和O2浓度，这需要了解现代气体传感器背后的物理核心：光谱学选律（Selection Rules）。
如果不理解这个原理，你可能会觉得红外传感器是“玄学”：空气里 99% 都是氮气和氧气，为什么红外光能精准地“无视”它们，却唯独对含量极低的二氧化碳（CO2）“情有独钟”？
答案归结为一个词：对称性（Symmetry）。
这篇文章将带你从微观分子的视角，彻底搞懂 NDIR（非色散红外）传感器的工作原理。
在工业监测、环境科学甚至你的呼吸机里，测量浓度是一项基础工作。我们最常用的手段是红外光谱吸收。
但你有没有想过：空气的主要成分是氮气（N2，约78%）和氧气（O2，约21%），它们为什么不会干扰红外传感器？
要回答这个问题，我们需要深入分子的微观世界，聊聊一个物理概念，偶极矩（Dipole Moment）。
并不是所有的分子都会吸收红外光。在光谱学中，有一条至高无上的“选律”（Selection Rule）：
只有当分子的振动导致其“偶极矩”发生变化时，它才会吸收红外光。这一类振动被称为“红外活性”（IR Active）。
什么是偶极矩？ 简单来说，就是正电荷中心和负电荷中心的不重合度。如果分子内部的正负电荷中心没有分开，或者分开的距离和方向不发生变化，它对红外光就是“隐形”的。
红外光是什么？ 红外光是一种电磁波，本质上是振荡的电场。
- 分子要想“抓住”红外光的能量，它自己的电场（偶极矩）必须也能跟着红外光的频率一起“摇摆”。
- 如果分子在振动时电场不变化，红外光就会直接穿透它，就像光穿过透明玻璃一样。
然而无论红外光怎么照射，N2和O2的偶极矩都不变。它们对红外光完全透明。
这就是为什么在空气中用红外传感器检测二氧化碳时，我们根本不需要担心“背景噪声”。
氮气（N2）和氧气（O2）属于同核双原子分子（Homonuclear Diatomic Molecules）。
- 结构特点： 它们由两个完全相同的原子组成（N=N或O=O）。
- 拔河效应： 想象一对双胞胎在拔河。因为两个人力气（电负性）一模一样，电荷是完美对称分布的。
- 振动无效： 即使分子在伸缩振动（原子忽远忽近），电荷分布依然保持完美对称，正负电荷中心始终重合，偶极矩永远为零。
二氧化碳（CO2）是线形三原子分子，结构是 O=C=O。
你可能会问：“等一下，CO2左右也是对称的啊，静止的时候偶极矩也是 0，为什么它能吸收红外光？”
问得好！静止时它确实没有偶极矩。但分子永远在振动。
有几种特殊的振动模式，正是这些振动模式打破了对称性。
CO2（三原子线性分子）的振动模式及其红外/拉曼活性
A：不对称伸缩（Asymmetric Stretch）：红外活性！
在这个模式下，一个氧原子靠近碳原子，另一个氧原子远离碳原子。
- 结果： 电荷平衡瞬间被打破！负电荷中心偏向一边，产生了临时的偶极矩。
- 吸收峰： 这个动作让CO2吸收能量约为 2350cm⁻¹（对应波长 4.26 µm）的红外光。
B：弯曲振动（Bending）：红外活性！
在这个模式下，分子像弓一样弯曲。碳原子向上，两个氧原子向下。
- 结果： 产生了一个垂直方向的偶极矩。
- 吸收峰： 这个动作对应能量约为 667cm⁻¹（对应波长 15 µm）的红外光。
(注：其实CO2还有一个“对称伸缩”模式，两个氧同时向外拉，依然保持对称，偶极矩不变，所以那个模式也是红外“隐形”的！)
NDIR二氧化碳传感器
了解了原理，我们来看看实际应用。工业界最常用的 NDIR（非色散红外）传感器 利用的就是这个原理。
但在设计传感器时，工程师面临一个选择：CO2有两个吸收峰（2350 和 667），选哪个？
答案是：选2350cm⁻¹(即 4.26 µm)。
为什么？因为水蒸气（H2O）空气中通常含有湿度，水分子也是红外活性的，它在很多波段都有强吸收。
- 667 cm-1 (15 µm) 处： 水蒸气的吸收干扰非常大，如果选这个波段，潮湿天气的读数会飘忽不定。
- 2350 cm-1 (4.26 µm) 处： 这是一个相对干净的“窗口”，水蒸气在这里几乎不吸收。
所以工程师会在探测器前加一个 4.26 µm 的窄带滤光片。
这就好比给传感器戴上了一副特制的“墨镜”，这副墨镜过滤掉了所有其他光，只允许 CO2的特征光通过。因为N2和O2本来就不吸收，唯一的变量就是CO2。光强一旦减弱，我们就知道：CO2浓度升高了。
这就是为什么哪怕空气成分极其复杂，我们依然能用红外传感器，精准地测出空气中微量二氧化碳的原因。
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