这篇文档属于类型a，是一篇关于NDIR（非色散红外）气体传感技术的原创研究论文。以下为详细的学术报告：

主要作者与机构
本研究由Songsong Zhang（第一作者）、Haitao Wu（共同第一作者）、Qing Li（通讯作者）等团队完成，作者来自杭州高等研究院（中国科学院大学）和上海技术物理研究所（中国科学院红外物理国家重点实验室）。研究成果发表于Sensors & Actuators: B. Chemical，2025年1月9日在线发表，卷号428，论文编号137242。

学术背景
研究领域为光学气体传感，重点解决传统NDIR（非色散红外）技术在混合气体检测中的局限性。NDIR技术因高稳定性、选择性和快速响应，被广泛应用于温室气体检测，但其传统架构需为每种气体配对带通滤波器和探测器，导致系统体积大、成本高。此外，光谱重叠导致的交叉干扰问题也降低了检测精度。
本研究目标：
1. 设计一种基于旋转多通道积分球（integrating sphere）的NDIR气体传感器，实现多气体低成本、高灵敏度检测；
2. 开发浓度重构算法，解决光谱重叠引起的交叉干扰问题。

研究流程与方法

1. 积分球结构设计与理论分析
- 结构设计：积分球作为气体腔体，内壁镀漫反射金膜，轴上设5个探测器端口，每个端口安装特定中心波长的带通滤波器（覆盖CO₂、C₂H₂、CH₄、N₂O、CO的吸收峰）。通过旋转积分球切换通道，避免机械更换滤波器。
- 光学路径优化：通过TracePro软件模拟光路，验证光强均匀性。理论推导等效光程公式：
[ l = \frac{2\rho d}{3\left(1-\rho\left(1-\frac{a}{4\pi r^2}\right)\right)} ]
其中，( \rho )为反射率，( d )为球径，( a )为端口面积。实验证明，10 cm直径积分球可实现66 cm有效光程，兼顾小型化与长光程需求。

2. 非混合目标气体测试
- 实验系统：宽谱黑体光源（450–5500 nm）照射积分球，气体通过进样口进入腔体，探测器（InAsSb）接收信号，经锁相放大器处理。
- 结果：在25℃下，测得CO₂、C₂H₂、CH₄、N₂O和CO的检测限分别为1.87 ppm、8.52 ppm、23.4 ppm、3.64 ppm和40.66 ppm。通过Allan方差分析，CO₂在积分时间288 s时信噪比最高，C₂H₂为153 s。

3. 混合气体测试与浓度重构
- 多通道检测：旋转积分球依次切换至CH₄、N₂O、C₂H₂通道，测量混合气体（CH₄/N₂O/C₂H₂）的相对电压信号，验证多气体同步检测能力。
- 算法开发：针对CO与N₂O光谱重叠问题，建立二维浓度重构模型：
[ z = z_0 + b \exp\left(-\frac{x}{c} - \frac{y}{d}\right) ]
通过训练集数据拟合曲面，结合测试集信号差值（( \delta z )）最小化，实现浓度反演，误差%。

主要结果与逻辑关系
1. 积分球性能：5通道设计使系统体积缩小至105 cm³，光程达66 cm，灵敏度较传统NDIR提升显著。
2. 单一气体检测限：CO₂检测限低至1.87 ppm，得益于积分球的长光程和漫反射均匀性。
3. 混合气体测试：通过旋转多通道设计避免机械误差，N₂O检测限最低（3.64 ppm），因其吸收峰与滤波器匹配最佳。
4. 算法验证：浓度重构误差%，证明该方法可有效解决交叉干扰问题，无需窄带滤波器。

研究结论与价值
1. 科学价值：
- 提出旋转积分球NDIR架构，为多气体检测提供新方法；
- 理论推导光程公式，量化端口数量对光程的影响（5孔时光程损失可忽略）。
2. 应用价值：
- 小型化（10 cm球径）、低成本（省去探测器阵列）的高灵敏度传感器，适用于工业过程、环境监测等领域；
- 浓度重构算法为光谱重叠问题提供通用解决方案。

亮点
1. 创新设计：首次将旋转多通道与积分球结合，实现“一球多检”；
2. 高灵敏度：ppb级检测限（如CO₂ 1.87 ppm），优于传统NDIR；
3. 算法贡献：二维浓度重构模型通过数学方法替代硬件优化，降低复杂度。

其他价值
- 实验数据公开，支持后续研究；
- 提出深度学习进一步优化的方向，预示未来可开发便携式智能传感器。

（注：全文基于论文内容提炼，未添加额外观点）