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NDIR红外气体传感器的基本概述

关键词:NDIR,热释电传感器,红外气体传感器点击:
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(朗伯-比尔Lambert-Beer定律)鉴别)鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。

红外气体传感器与其它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、可在线分析等等一系列优点。其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。

NDIR红外气体传感器的原理

分子中的电子总是处在某一种运动状态中,每一种状态都具有一定的能量,属于一定的能级。 电子由于受到光、热、电的激发,从一个能级转移到另一个能级,称为跃迁。当这些电子吸收了外来辐射的能量,就从一个能量较低的能级跃迁到另一个能量较高的能级。由于分子内部运动所牵涉到的能级变化比较复杂,分子吸收光谱也就比较复杂。在分子内部除了电子运动状态之外,还有核间的相对运动,即核的振动和分子绕重心的转动。而振动能和转动能,按量子力学计算是不连续的,即具有量子化的性质。所以,一个分子吸收了外来辐射之后,它的能量变化△E为其振动能变化△Ev、转动能变化△Er以及电子运动能量变化△Ee的总和。
物质对不同波长的光线具有不同的吸收能力,物质也只能选择性地吸收那些能量相当于该分子振动能变化△Ev 、转动能变化△Er以及电子运动能量变化△Ee总和的辐射。
由于各种物质分子内部结构的不同,分子的能级也千差万别,各种能级之间的间隔也互不相同,这样就 决定了它们对不同波长光线的选择吸收。

NDIR红外气体传感器的原理
如果改变通过某一吸收物质的入射光的波长,并记录该物质在每一波长处的吸光度(A),然后以波长为横坐标,以吸光度为纵坐标作图,得到的谱图称为该物质的吸收光谱或吸收曲线。某物质的吸收光谱反映了它在不同的光谱区域内吸收能力的分布情况,可以从波形、波峰的强度和位置及其数目,研究物质的内部结构。分子的振动能量比转动能量大,当发生振动能级跃迁时,不可避免地伴随有转动能级的跃迁,所以无法测量纯粹的振动光谱,而只能得到 分子的振动-转动光谱,这种光谱称为红外吸收光谱。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。为了保证读数呈线性关系,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,最长的为>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,由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。它们经半圆型调制镜调制,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,经过放大后输至电机,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,由笔的记录位置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。
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=dP/dT(P为极化强度,T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 (LiTaO3)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。
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≈1~2×109厘米·赫/瓦。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,这样的气体传感器成为非分光红外(NDIR)气体传感器。


NDIR红外气体传感器的优缺点

红外传感器的应用很广,在检测很多种的气体中都使用到它,而且它的可靠性很高,选择性很好,精度也高,没有毒,受到环境的干扰较小,寿命比较长,对氧气不依赖等等的优点,在未来的市场中很可能会成为主流的。当然,它也有缺点,因为处在刚刚起步的阶段,技术不够精湛,而且市场上很少,制造的成本比较高,这些种种的缺点对它在市场上的使用都有一定的限制。但是,希望在未来的技术发展中,可以发现更多更好的技术让它变得更加成熟,更加实用,在市场上的占有位置更高。

 
NDIR红外气体传感器作为一种快速、准确的气体分析技术在实际应用中十分普遍。NDIR仪器市场份额中国外占有率在74%左右,早先国内NDIR气体分析仪的主要厂家大都采用八十年代初的红外气体分析方法,采用镍锘丝加电机机械调制红外光源,采用薄膜电容微音器或InSb等作为传感器。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。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,它无机械调制装置,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。
未来一段时间,使用半导体和催化原理的气体检测仪器仪表依靠着价格优势仍会占据部分低端市场。电化学传感器及检测仪器,在精度要求高的低浓度毒性气体、有机蒸汽、酒精气体、氧气监测领域综合优势突出。红外气体传感器及仪器适用于监测各种易燃易爆、二氧化碳气体,具有精度高、选择性好、可靠性高、不中毒、不依赖于氧气、受环境干扰因素较小、寿命长等显著优点。这些优点将导致电化学、红外原理的气体检测仪器占领更广泛的行业高端市场,并在未来逐步成为市场主流。

应用注意事项
 
1)供电电压超过规定工作电压将导致传感器永久性损坏;
 
2)电压低于规定工作电压传感器将不能正常工作。
 
3)长期处于高温、潮湿环境;
 
4)处于强电磁场环境;
 
5)电磁场对传感器输出紊乱信号的影响
 
6)高温环境对气体探测器造成涂覆材料熔化、焊点开化、弹性体内应力发生结构变化等问题
 
7)粉尘、潮湿环境。此环境对气体探测器造成短路的影响。在此环境条件下应选用密闭性很高的气体探测器
 
8)潮湿、酸性对气体探测器造成弹性体受损或产生短路等影响
 
发展趋势
 
红外气体传感器及仪器适用于监测各种易燃易爆、二氧化碳气体,具有精度高、选择性好、可靠性高、不中毒、不依赖于氧气、受环境干扰因素较小、寿命长等显著优点。这些优点将导致电化学、红外原理的气体检测仪器占领更广泛的行业高端市场,并在未来逐步成为市场主流。
 
NDIR的技术路线分为两条:
 
1)向低分辩率、长波长、多气种方向发展,主要市场是分析仪表。
 
2)向小体积,低成本方向发展,主要市场是室内空气质量IAQ检测,气种包含CO2和碳氢HC类气体,全球销量约几百万只。








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