非分光紅外(NDIR)氣體傳感器核心技術(shù)詳解

電調(diào)制非分光紅外(NDIR)氣體傳感器


本文介紹一種采用電調(diào)制紅外光源的新型紅外氣體傳感器。該傳感器通過(guò)采用電調(diào)制紅外光源，省卻了傳統(tǒng)方法中的機(jī)械調(diào)制部件；同時(shí)采用了高精度干涉濾光片一體化紅外傳感器以及單光束雙波長(zhǎng)技術(shù)，配合易拆卸的鍍金氣室及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)SO2、NO、CO2、CO、CH4、N2O等氣體的實(shí)時(shí)測(cè)量。
一 前言
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(chē)尾氣檢測(cè)應(yīng)用中十分普遍。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(wú)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(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。
二 NDIR氣體分析基本機(jī)理
當(dāng)紅外光通過(guò)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(xiě)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(guò)一定長(zhǎng)度的氣室吸收后，經(jīng)過(guò)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(guò)4.26um波長(zhǎng)紅外光的強(qiáng)度，以此表示CO2氣體的濃度，        
三 電調(diào)制NDIR紅外氣體傳感器關(guān)鍵技術(shù)
在設(shè)計(jì)傳感器的光學(xué)系統(tǒng)部分時(shí)，為了減少紅外傳感器微弱信號(hào)的衰減以及外界信號(hào)干擾，將前置放大電路也一并放在光學(xué)部件上，并采取了一定的電磁屏蔽措施。為了使氣體紅外吸收信號(hào)具有較好的分辨率，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),紅外光源、氣室、紅外探測(cè)器應(yīng)設(shè)置在同一光軸上。此外為了使得信號(hào)足夠大，可以使用橢圓型或拋物線型反射鏡。紅外光源由穩(wěn)流供電,供電電壓和電流根據(jù)使用的光源不同而不同。工作時(shí),傳感器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的調(diào)制頻率發(fā)出周期性的紅外光，紅外光源發(fā)出的紅外光通過(guò)窗口材料入射到測(cè)量氣室,測(cè)量氣室由采樣氣泵連續(xù)將被測(cè)氣體通入測(cè)量氣室,氣體吸收特定波長(zhǎng)的紅外光,透過(guò)測(cè)量氣室的紅外光由紅外探測(cè)器探測(cè)。由于調(diào)制紅外光的作用紅外傳感器輸出交流的電信號(hào)，通過(guò)其后的前置放大電路放大后在一次經(jīng)過(guò)高精密放大整流電路，得到一個(gè)與被測(cè)氣體濃度對(duì)應(yīng)的直流信號(hào)送入測(cè)控系統(tǒng)處理。紅外傳感器內(nèi)有溫度傳感器探測(cè)其工作環(huán)境溫度。紅外傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)測(cè)控系統(tǒng),并經(jīng)數(shù)字濾波、線性插值及溫度補(bǔ)償?shù)溶浖幚砗?給出氣體濃度測(cè)量值。
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(lái)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。本研究采用高靈敏度紅外傳感器，例如TPS2534Gx/Gy,TPS4339Gw/Gx/Gy/Gz,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(lái)的信號(hào)通過(guò)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(guò)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(lái)管理傳感器。傳感器測(cè)控系統(tǒng) 通過(guò)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(guò)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(lèi)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。