2. CO2监测的物理与光学基础

CO₂分子在红外波段的吸收特性，是几乎所有现代CO₂传感器赖以工作的物理起点。理解这一点，才能明白为什么NDIR（非色散红外）和PAS（光声光谱）会走上两条不同的技术路线，也才能在实际选型、标定和排障时判断问题出在光学、气室还是信号链上。

一、吸收光谱：CO₂的“指纹”

CO₂分子由两个C=O键构成，其对称伸缩振动不产生偶极矩变化，因而不吸收红外；但反对称伸缩振动（约2349 cm⁻¹，对应4.26 μm）和弯曲振动（约667 cm⁻¹，对应15 μm）会改变偶极矩，形成强吸收带。工程上最常用的是4.26 μm主吸收带，因为它与CH₄、CO等常见气体吸收峰重叠少，且对应光源和滤光片成熟。

吸收强度遵循朗伯-比尔定律：

A = ln(I₀/I) = σ · N · L

其中I₀为无吸收气体时的光强，I为透过气室后的光强，σ为分子吸收截面（cm²/molecule），N为CO₂数密度（molecules/cm³），L为有效光程（cm）。在常温常压下，N与体积浓度C（ppm）成正比，因此A ≈ k·C·L。这意味着：光程越长、浓度越高，吸收越强；但吸收过强会导致信号饱和，过弱则信噪比不足。典型NDIR气室光程在1～10 cm之间，而PAS的声学腔等效光程可做得更短，靠的是声学共振放大而非单纯延长光路。

二、NDIR与PAS的原理对比

NDIR的核心是“测光”：红外光源发出宽带光，经气室后被CO₂吸收，再由窄带滤光片+探测器测量剩余光强。探测器输出与I成正比，浓度越高，输出越小。它需要稳定的光源、干净的光学窗口和可靠的探测器，结构相对直观，但光程长、体积大，且探测器易受温漂和污染影响。

PAS的核心是“测声”：调制后的红外光被CO₂吸收后，分子通过非辐射弛豫将能量转化为局部热量，引起气体周期性热膨胀，产生声压波。这个声波由麦克风或MEMS声学传感器拾取，其幅值与吸收能量成正比。PAS不需要长光程，气室可以很小，且对光源功率波动的敏感度低于NDIR，但麦克风易受环境噪声和振动干扰，对调制频率和声学腔设计有较高要求。

三、红外光源与探测器

NDIR常用光源有三类：白炽灯（如微型钨丝灯）光谱宽、成本低，但寿命短、热惯性大；红外LED（如LED426）调制速度快、寿命长，但输出功率和波长纯度有限；MEMS热辐射源（如薄膜加热器）体积小、功耗低，适合便携设备。选择时需权衡调制频率、功率和光谱匹配度。

探测器方面，热释电探测器响应宽、成本低，但需要斩波或调制；热电堆输出与温差成正比，适合连续测量；光电导探测器（如PbSe）灵敏度高，但常需制冷。PAS则用MEMS麦克风或专用声学传感器，其关键指标是信噪比和抗环境噪声能力。

四、信号调制与解调基础

无论NDIR还是PAS，都面临一个共同问题：如何从强背景中提取微弱的CO₂信号。调制与解调是核心手段。

常见调制方式有两种：幅度调制（AM）——光源以固定频率f_mod开关或正弦变化，探测器输出中携带f_mod分量的幅值即反映吸收强度；频率调制（FM）——改变调制频率，通过谐振曲线偏移测量浓度，多用于PAS。工程上AM更常见，f_mod通常选在几十Hz到几kHz，需避开1/f噪声和机械共振。

解调的核心是锁相放大（Lock-in）：将探测器信号与参考信号（同频同相）相乘并低通滤波，只保留f_mod分量，抑制宽带噪声。对于PAS，还需注意声学腔的共振频率应与f_mod匹配，以最大化声压幅值。典型PAS调制频率在20～100 Hz，而NDIR可在1～10 Hz以降低探测器噪声。

五、工程选型与标定要点

选型时，若追求小体积、低功耗（如室内空气质量监测），PAS更合适；若需要高精度、宽量程（如工业过程控制），NDIR更成熟。标定方面，NDIR通常用两点标定（零气和跨度气），PAS则需注意声学腔的温度补偿，因为声速随温度变化会影响共振频率。

一个实用的标定检查表如下：