一、什么是紅外氣體傳感器
紅外氣體傳感器是一種基于不同氣體分子的近紅外光譜選擇吸收特性，利用氣體濃度與吸收強(qiáng)度關(guān)系鑒別氣體組分并確定其濃度的氣體傳感裝置。
它與其他類別氣體傳感器如電化學(xué)式、催化燃燒式、半導(dǎo)體式等相比具有應(yīng)用廣泛、使用壽命長(zhǎng)、靈敏度高、穩(wěn)定性好、適合氣體多、性價(jià)比高、維護(hù)成本低、可在線分析等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金工業(yè)、工礦開采、大氣污染檢測(cè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。
二、紅外氣體傳感器的工作原理
紅外吸收光譜是一種分子吸收光譜。當(dāng)樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時(shí)，分子吸收某些頻率的輻射，并由其振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)引起偶極矩的凈變化，產(chǎn)生分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，使相應(yīng)于這些吸收區(qū)域的透射光強(qiáng)度減弱。記錄紅外光的百分透射比與波數(shù)或波長(zhǎng)關(guān)系曲線，就得到紅外光譜。
當(dāng)紅外線波長(zhǎng)與被測(cè)氣體吸收譜線相吻合時(shí)，紅外能量被吸收。紅外光線穿過被測(cè)氣體后的光強(qiáng)衰減滿足朗伯·比爾（ Lambert-Beer）定律。氣體濃度越大，對(duì)光的衰減也越大。因此，可通過測(cè)量氣體對(duì)紅外光線的衰減來測(cè)量氣體濃度。為了保證數(shù)呈線性關(guān)系，當(dāng)待測(cè)組分濃度大時(shí)，分析器的測(cè)量氣室較短，最短的為0.3mm；當(dāng)濃度低時(shí)，測(cè)量氣室較長(zhǎng)，最長(zhǎng)的大于200mm。經(jīng)吸收后剩余的光能用紅外檢測(cè)器檢測(cè)。
分光是指用棱鏡或光柵進(jìn)行分光，把光源發(fā)出的紅外線分成完全對(duì)稱的兩束光：參考光束與樣品光束。它們經(jīng)半圓形調(diào)制鏡調(diào)制，交替地進(jìn)入單色儀的狹縫，通過棱鏡或光柵分光后由熱電偶檢測(cè)兩束光的強(qiáng)度差。當(dāng)樣品光束的光路中沒有樣品吸收時(shí)，熱電偶不輸出信號(hào)。一旦放入測(cè)試樣品，樣品吸收紅外光，兩束光有強(qiáng)度差產(chǎn)生，熱電偶便有約10Hz的信號(hào)輸出，經(jīng)過放大后輸至機(jī)，調(diào)節(jié)參考光束光路上的光楔，使兩束光的強(qiáng)度重新達(dá)到平衡，由筆的記錄位萱直接指出了某一波長(zhǎng)的樣品透射率，波數(shù)的連續(xù)變化就自動(dòng)記錄了樣品的紅外吸收光譜或透射光譜。基于這樣原理的氣體傳感器就稱為分光紅外氣體傳感器。
隨著紅外光學(xué)材料及微電子封裝技術(shù)的發(fā)展，紅外探測(cè)器在其封裝上固定安裝有針對(duì)不同氣體的窄帶干涉濾光片。通過使用固定有不同波長(zhǎng)濾光片的紅外傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體的測(cè)量。
熱釋電材料是一種具有自發(fā)極化的電介質(zhì)，它的自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度變化，可用熱釋電系數(shù)p來描述，p=dPldT（P為極化強(qiáng)度，F(xiàn)為溫度）。在恒定溫度下，材料的自發(fā)極化被體內(nèi)的電荷和表面吸附電荷所中和。如果把熱釋電材料做成表面垂直于極化方向的平行薄片，當(dāng)紅外輻射入射到薄片表面時(shí)，薄片因吸收輻射而發(fā)生溫度變化，引起極化強(qiáng)度的變化。而中和電荷由于材料的電阻率高跟不上這一變化，其結(jié)果是薄片的兩表面之間出現(xiàn)瞬態(tài)電壓。若有外電阻跨接在兩表面之間，電荷就通過外電路釋放出來。電流的大小除與熱釋電系數(shù)成正比外，還與薄片的溫度變化率成正比，可用來測(cè)量入射輻射的強(qiáng)弱。
熱釋電型紅外探測(cè)器都是用硫酸三甘酞（TGS）和鉭酸鋰（LiTa03）等優(yōu)質(zhì)熱釋電材料（p的數(shù)量級(jí)為10-8C/Kcm2）的小薄片作為響應(yīng)元，加上支架、管殼和窗口等構(gòu)成。它在室溫工作時(shí)，對(duì)波長(zhǎng)沒有選擇性。
熱電堆的結(jié)構(gòu)輻射接收面分為若干塊，每塊接一個(gè)熱電偶，把它們串聯(lián)起來，就構(gòu)成熱電堆。按用途不同，實(shí)用的熱電堆可以制成細(xì)絲型和薄膜型，亦可制成多通道型和陣列型器件。帶紅外帶通濾波器的傳感器應(yīng)用于紅外吸收氣體探測(cè)。
熱釋電和熱電堆型紅外探測(cè)器的根本區(qū)別在于，后者利用響應(yīng)元的溫度升高值來測(cè)量紅外輻射，響應(yīng)時(shí)間取決于新的平衡溫度的建立過程，時(shí)間比較長(zhǎng)，不能測(cè)量快速變化的輻射信號(hào)。而熱釋電型探測(cè)器所利用的是溫度變化率，因而能探測(cè)快速變化的輻射信號(hào)。這種探測(cè)器在室溫工作時(shí)的探測(cè)率可達(dá)D：：1～2x109cm．Hz/W。20世紀(jì)70年代中期以來，這種探測(cè)器在實(shí)驗(yàn)室的光譜測(cè)量中逐步取代溫差電型探測(cè)器和氣動(dòng)型探測(cè)器。
利用這些窗口濾波紅外探測(cè)器，不用進(jìn)行分光，從而可以直接測(cè)量對(duì)應(yīng)濾波片波段也即相應(yīng)氣體吸收波段的紅外光強(qiáng)度，這樣的氣體傳感器稱為非分光紅外（NDIR）氣體傳感器。
三、非分光紅外傳感器核心技術(shù)
NDIR紅外氣體分析儀作為一種快速、準(zhǔn)確的氣體分析技術(shù)，特別連續(xù)污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)以及機(jī)動(dòng)車尾氣檢測(cè)應(yīng)用中十分普遍。可以實(shí)現(xiàn)SO2、NO、CO2、CO、CH4、N2O等氣體的實(shí)時(shí)測(cè)量。
國(guó)內(nèi)NDIR氣體分析儀的主要廠家大都采用國(guó)際上八十年代初的紅外氣體分析方法，如采用鎳锘絲作為紅外光源、采用電機(jī)機(jī)械調(diào)制紅外光、采用薄膜電容微音器或InSb等作為傳感器等。由于采用電機(jī)機(jī)械調(diào)制，儀器功耗大，且穩(wěn)定性差，儀器造價(jià)也很高。同時(shí)采用薄膜電容微音器作為傳感使得儀器對(duì)震動(dòng)十分敏感，因此不適合便攜測(cè)量。
隨著紅外光源、傳感器及電子技術(shù)的發(fā)展，NDIR紅外氣體傳感器在國(guó)外得到了迅速的發(fā)展。主要表現(xiàn)在無機(jī)械調(diào)制裝置，采用新型紅外傳感器及電調(diào)制光源，在儀器電路上采用了低功耗嵌入式系統(tǒng)，使得儀器在體積、功耗、性能、價(jià)格上具有以往儀器無法比擬的優(yōu)勢(shì)。
NDIR氣體分析基本機(jī)理：
紅外光通過待測(cè)氣體時(shí),這些氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光有吸收,其吸收關(guān)系服從朗伯--比爾(Lambert-Beer)吸收定律。設(shè)入射光是平行光,其強(qiáng)度為I0,出射光的強(qiáng)度為I,氣體介質(zhì)的厚度為L(zhǎng)。當(dāng)由氣體介質(zhì)中的分子數(shù)dN的吸收所造成的光強(qiáng)減弱為dI時(shí),根據(jù)朗伯--比爾吸收定律: dI/I=-KdN，式中K為比例常數(shù)。經(jīng)積分得:lnI=-KN+α(1)，式中:N為吸收氣體介質(zhì)的分子總數(shù);α為積分常數(shù)。顯然有N∝cl,c為氣體濃度。則式(1)可寫成: I=exp(α)exp(-KN)=exp(α)exp(-μcL)=I0exp(-μcL) (2)式(2)表明，光強(qiáng)在氣體介質(zhì)中隨濃度c及厚度L按指數(shù)規(guī)律衰減。吸收系數(shù)取決于氣體特性，各種氣體的吸收系數(shù)μ互不相同。對(duì)同一氣體，μ則隨入射波長(zhǎng)而變。若吸收介質(zhì)中含i種吸收氣體，則式(2)應(yīng)改為:I=I0exp(-l∑μi ci) (3)因此對(duì)于多種混合氣體，為了分析特定組分，應(yīng)該在傳感器或紅外光源前安裝一個(gè)適合分析氣體吸收波長(zhǎng)的窄帶濾光片，使傳感器的信號(hào)變化只反映被測(cè)氣體濃度變化。以CO2分析為例，紅外光源發(fā)射出1-20um的紅外光，通過一定長(zhǎng)度的氣室吸收后，經(jīng)過一個(gè)4.26μm波長(zhǎng)的窄帶濾光片后，由紅外傳感器監(jiān)測(cè)透過4.26um波長(zhǎng)紅外光的強(qiáng)度，以此表示CO2氣體的濃度，電調(diào)制NDIR紅外氣體傳感器采用了以下關(guān)鍵技術(shù)：
1.紅外光源及其調(diào)制pulsIR,reflectIR等新型電調(diào)制紅外光源等，升降溫速度很快.紅外光源發(fā)射窗口上安裝有透明窗,一方面可以保證發(fā)射的紅外光波長(zhǎng)在特定范圍內(nèi),適合于對(duì)常規(guī)的氣體如CO2、CO、CH4、NO、SO2等氣體進(jìn)行測(cè)量。此外也可以阻止外界環(huán)境對(duì)光源溫度的影響。
2.鍍膜氣室采用氣室與外支撐分離的結(jié)構(gòu)，安裝時(shí)只需將氣室固定安裝在支撐結(jié)構(gòu)的中心即可。此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了該部件易于裝卸﹑更換；同時(shí)由于與外支撐分離，進(jìn)一步減小了外界條件的影響，使儀器能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下工作。此外原來一些需要較長(zhǎng)氣室的傳感器，采用以往方法加工鍍膜工藝十分困難，采用此法后將十分容易，成本也將大大降低。傳統(tǒng)氣室采用了與外支撐一體化設(shè)計(jì)，具有制造容易﹑安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，但受外界溫度波動(dòng)影響較大；其次，由于被分析氣體成分復(fù)雜，具有一定的腐蝕性，如SO2﹑NOx等，長(zhǎng)時(shí)間使用后氣室極易被污染，直接影響測(cè)量精度。
3.紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器，NDIR氣體傳感器的核心部件，測(cè)量精度很大程度取決于傳感器的性能高低。在其封裝上固定安裝有針對(duì)不同氣體的窄帶干涉濾光片,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體的測(cè)量。為了確保紅外探測(cè)器得到較強(qiáng)的穩(wěn)定信號(hào)，可以設(shè)計(jì)一種紅外探測(cè)器定向軸，即使在前置放大板上焊接的紅外探測(cè)器位置有一定的偏差，本傳感器也可確保與紅外光源和氣室位于同一光學(xué)中心軸上。 紅外探測(cè)器接收紅外光產(chǎn)生的信號(hào)十分微弱，極易受外界的干擾，因此穩(wěn)定可靠的前置放大電路是關(guān)鍵，最好采用高精密、低飄移的模擬放大電路，并采用窄帶濾波電路。前置放大電路具有精度高、漂移小、響應(yīng)快的特點(diǎn)。前置放大出來的信號(hào)通過二級(jí)放大電路，直接輸出一個(gè)與氣體濃度對(duì)應(yīng)信號(hào)，并送入測(cè)控系統(tǒng)，通過非線性校正和補(bǔ)償后得到氣體濃度。
4.傳感器測(cè)控系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)NDIR氣體傳感器的測(cè)量、控制以及自動(dòng)標(biāo)定等功能，需要一個(gè)合適的微控制器來管理傳感器。傳感器測(cè)控系統(tǒng)通過采集紅外輸出信號(hào)及測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)氣體曲線，采用非線性校正算法可以直接得到測(cè)量氣體的濃度。
通過采用以上技術(shù)，NDIR紅外氣體傳感器的結(jié)構(gòu)比以往儀器將大大簡(jiǎn)化，儀器功耗也大幅度降低(只有以往的1/4)，傳感器的成本也不到以往技術(shù)的1/4。此類傳感器可以實(shí)現(xiàn)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，因此更加適合在我國(guó)廣泛使用。
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