传感器专家网：红外气体传感器技术详解

【传感器专家网：红外气体传感器技术详解】
一、什么是红外气体传感器？
红外气体传感器是一种基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。
它与其他类别气体传感器如电化学式、催化燃烧式、半导体式等相比具有应用广泛、使用寿命长、灵敏度高、稳定性好、适合气体多、性价比高、维护成本低、可在线分析等一系列优点，广泛应用于石油化工、冶金工业、工矿开采、大气污染检测、农业、医疗卫生等领域。
二、红外气体传感器的工作原理
红外吸收光谱是一种分子吸收光谱。当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收某些频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线，就得到红外光谱。
当红外线波长与被测气体吸收谱线相吻合时，红外能量被吸收。红外光线穿过被测气体后的光强衰减满足朗伯．比尔（ Lambert-Beer）定律。气体浓度越大，对光的衰减也越大。因此，可通过测量气体对红外光线的衰减来测量气体浓度。为了保证数呈线性关系，当待测组分浓度大时，分析器的测量气室较短，最短的为0.3mm;当浓度低时，测量气室较长，最长的大于200mm 。经吸收后剩余的光能用红外检测器检测。
分光是指用棱镜或光栅进行分光，把光源发出的红外线分成完全对称的两束光：参考光束与样品光束。它们经半圆形调制镜调制，交替地进入单色仪的狭缝，通过棱镜或光栅分光后由热电偶检测两束光的强度差。当样品光束的光路中没有样品吸收时，热电偶不输出信号。一旦放入测试样品，样品吸收红外光，两束光有强度差产生，热电偶便有约10Hz的信号输出，经过放大后输至机，调节参考光束光路上的光楔，使两束光的强度重新达到平衡，由笔的记录位萱直接指出了某一波长的样品透射率，波数的连续变化就自动记录了样品的红外吸收光谱或透射光谱。基于这样原理的气体传感器就称为分光红外气体传感器。

本文插图
随着红外光学材料及微电子封装技术的发展，红外探测器在其封装上固定安装有针对不同气体的窄带干涉滤光片。通过使用固定有不同波长滤光片的红外传感器，可以实现对不同气体的测量。
热释电材料是一种具有自发极化的电介质，它的自发极化强度随温度变化，可用热释电系数p来描述， p=dPldT （P为极化强度， F为温度）。在恒定温度下，材料的自发极化被体内的电荷和表面吸附电荷所中和。如果把热释电材料做成表面垂直于极化方向的平行薄片，当红外辐射入射到薄片表面时，薄片因吸收辐射而发生温度变化，引起极化强度的变化。而中和电荷由于材料的电阻率高跟不上这一变化，其结果是薄片的两表面之间出现瞬态电压。若有外电阻跨接在两表面之间，电荷就通过外电路释放出来。电流的大小除与热释电系数成正比外，还与薄片的温度变化率成正比，可用来测量入射辐射的强弱。
热释电型红外探测器都是用硫酸三甘酞（TGS）和钽酸锂（LiTa03）等优质热释电材料（p的数量级为10-8C/Kcm2）的小薄片作为响应元，加上支架、管壳和窗口等构成。它在室温工作时，对波长没有选择性。
热电堆的结构辐射接收面分为若干块，每块接一个热电偶，把它们串联起来，就构成热电堆。按用途不同，实用的热电堆可以制成细丝型和薄膜型，亦可制成多通道型和阵列型器件。带红外带通滤波器的传感器应用于红外吸收气体探测。分页标题
热释电和热电堆型红外探测器的根本区别在于，后者利用响应元的温度升高值来测量红外辐射，响应时间取决于新的平衡温度的建立过程，时间比较长，不能测量快速变化的辐射信号。而热释电型探测器所利用的是温度变化率，因而能探测快速变化的辐射信号。这种探测器在室温工作时的探测率可达D：：1～2x109cm．Hz/W 。 20世纪70年代中期以来，这种探测器在实验室的光谱测量中逐步取代温差电型探测器和气动型探测器。
利用这些窗口滤波红外探测器，不用进行分光，从而可以直接测量对应滤波片波段也即相应气体吸收波段的红外光强度，这样的气体传感器称为非分光红外（NDIR）气体传感器。
三、非分光红外(NDIR)气体传感器核心技术详解
NDIR红外气体分析仪作为一种快速、准确的气体分析技术，特别连续污染物监测系统(CEMS)以及机动车尾气检测应用中十分普遍。可以实现SO2、NO、CO2、CO、CH4、N2O等气体的实时测量。
国内NDIR气体分析仪的主要厂家大都采用国际上八十年代初的红外气体分析方法，如采用镍锘丝作为红外光源、采用电机机械调制红外光、采用薄膜电容微音器或InSb等作为传感器等。由于采用电机机械调制，仪器功耗大，且稳定性差，仪器造价也很高。同时采用薄膜电容微音器作为传感使得仪器对震动十分敏感，因此不适合便携测量。
随着红外光源、传感器及电子技术的发展， NDIR红外气体传感器在国外得到了迅速的发展。主要表现在无机械调制装置，采用新型红外传感器及电调制光源，在仪器电路上采用了低功耗嵌入式系统，使得仪器在体积、功耗、性能、价格上具有以往仪器无法比拟的优势。
NDIR气体分析基本机理：
当红外光通过待测气体时,这些气体分子对特定波长的红外光有吸收,其吸收关系服从朗伯--比尔(Lambert-Beer)吸收定律。设入射光是平行光,其强度为I0,出射光的强度为I,气体介质的厚度为L 。当由气体介质中的分子数dN的吸收所造成的光强减弱为dI时,根据朗伯--比尔吸收定律: dI/I=-KdN ，式中K为比例常数。经积分得:lnI=-KN+α(1) ，式中:N为吸收气体介质的分子总数;α为积分常数。显然有N∝cl,c为气体浓度。则式(1)可写成:
I=exp(α)exp(-KN)=exp(α)exp(-μcL)=I0exp(-μcL) (2)
式(2)表明,光强在气体介质中随浓度c及厚度L按指数规律衰减。吸收系数取决于气体特性,各种气体的吸收系数μ互不相同。对同一气体,μ则随入射波长而变。若吸收介质中含i种吸收气体,则式(2)应改为:I=I0exp(-l∑μi ci) (3)因此对于多种混合气体，为了分析特定组分，应该在传感器或红外光源前安装一个适合分析气体吸收波长的窄带滤光片，使传感器的信号变化只反映被测气体浓度变化。以CO2分析为例，红外光源发射出1-20um的红外光，通过一定长度的气室吸收后，经过一个4.26μm波长的窄带滤光片后，由红外传感器监测透过4.26um波长红外光的强度，以此表示CO2气体的浓度，
电调制NDIR红外气体传感器采用了以下关键技术：
1.红外光源及其调制
pulsIR,reflectIR等新型电调制红外光源等，升降温速度很快.红外光源发射窗口上安装有透明窗,一方面可以保证发射的红外光波长在特定范围内,适合于对常规的气体如CO2、CO、CH4、NO、SO2等气体进行测量。此外也可以阻止外界环境对光源温度的影响。
2.镀膜气室
采用气室与外支撑分离的结构，安装时只需将气室固定安装在支撑结构的中心即可。此种结构设计保证了该部件易于装卸﹑更换；同时由于与外支撑分离，进一步减小了外界条件的影响，使仪器能适应复杂环境下工作。此外原来一些需要较长气室的传感器，采用以往方法加工镀膜工艺十分困难，采用此法后将十分容易，成本也将大大降低。传统气室采用了与外支撑一体化设计，具有制造容易﹑安装方便等优点，但受外界温度波动影响较大；其次，由于被分析气体成分复杂，具有一定的腐蚀性，如SO2﹑NOx等，长时间使用后气室极易被污染，直接影响测量精度。分页标题
3.红外探测器
红外探测器， NDIR气体传感器的核心部件，测量精度很大程度取决于传感器的性能高低。本研究采用高灵敏度红外传感器，例如TPS2534Gx/Gy,TPS4339Gw/Gx/Gy/Gz,在其封装上固定安装有针对不同气体的窄带干涉滤光片,可以实现对不同气体的测量。为了确保红外探测器得到较强的稳定信号，可以设计一种红外探测器定向轴，即使在前置放大板上焊接的红外探测器位置有一定的偏差，本传感器也可确保与红外光源和气室位于同一光学中心轴上。
红外探测器接收红外光产生的信号十分微弱，极易受外界的干扰，因此稳定可靠的前置放大电路是关键，最好采用高精密、低飘移的模拟放大电路，并采用窄带滤波电路。前置放大电路具有精度高、漂移小、响应快的特点。前置放大出来的信号通过二级放大电路，直接输出一个与气体浓度对应信号，并送入测控系统，通过非线性校正和补偿后得到气体浓度。
4、传感器测控系统
为了实现NDIR气体传感器的测量、控制以及自动标定等功能，需要一个合适的微控制器来管理传感器。传感器测控系统通过采集红外输出信号及测量标准气体曲线，采用非线性校正算法可以直接得到测量气体的浓度。
通过采用以上技术， NDIR红外气体传感器的结构比以往仪器将大大简化，仪器功耗也大幅度降低(只有以往的1/4) ，传感器的成本也不到以往技术的1/4 。此类传感器可以实现模块化和标准化，因此更加适合在我国广泛使用。