紅外氣體傳感器的工作原理

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、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。

分予中的電子總是處在某一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，每一種狀態(tài)都具有一定的能量，屬于一定的能級(jí)。電子由于受到光、熱、電的激發(fā)，從一個(gè)能級(jí)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)能級(jí)，稱為躍遷。當(dāng)這些電子吸收了外來輻射的能量，就從一個(gè)能量較低的能級(jí)躍遷到另一個(gè)能量較高的能級(jí)。由于分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)所牽涉的能級(jí)變化比較復(fù)雜，分子吸收光譜也就比較復(fù)雜。在分子內(nèi)部除了電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之外，還有核間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即核的振動(dòng)和分子繞重心的轉(zhuǎn)動(dòng)。而振動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)能，按量子力學(xué)計(jì)箅是不連續(xù)的，即具有量子化的性質(zhì)。所以，一個(gè)分子吸收了外來輻射之后，它的能量變化AE為其振動(dòng)能變化AEy、轉(zhuǎn)動(dòng)能變化AEr以及電f運(yùn)動(dòng)能量變化AEe的總和。

物質(zhì)對(duì)不同波長的光線具有不同的吸收能力，物質(zhì)也只能選擇性地吸收那些能量相當(dāng)于該分子振動(dòng)能變化AE．、轉(zhuǎn)動(dòng)能變化AEr以及電子運(yùn)動(dòng)能量變化△最總和的輻射。

由于各種物質(zhì)分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，分子的能級(jí)也千差萬別，各種能級(jí)之間的間隔也互不相同，這樣就決定了它們對(duì)不同波長光線的選擇吸收。

如果改變通過某一吸收物質(zhì)的入射光的波長，并記錄該物質(zhì)在每一波長處的吸光度（A），然后以波長為橫坐標(biāo)、以吸光度為縱坐標(biāo)作圖，得到的譜圖稱為該物質(zhì)的吸收光譜或吸收曲線。某物質(zhì)的吸收光譜反映了它在不同的光譜區(qū)域內(nèi)吸收能力的分布情況，可以從波形、波峰的強(qiáng)度和位置及其數(shù)目，研究物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。分子的振動(dòng)能量比轉(zhuǎn)動(dòng)能量大，當(dāng)發(fā)生振動(dòng)能級(jí)躍遷時(shí)，不可避免地伴隨有轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，所以無法測(cè)量純粹的振動(dòng)光譜，而只能得到分子的振動(dòng)．轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，這種光譜稱為紅外吸收光譜。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)或波長關(guān)系曲線，就得到紅外光譜。

當(dāng)紅外線波長與被測(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，最長的大于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?；谶@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，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。

近紅外C02傳感器如圖2-7所示。