紅外氣體感測器是一種基於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度關係（朗伯-比爾Lambert-Beer定律）鑑別）鑑別氣體組分並確定其濃度的氣體感測裝置。
基本介紹
- 中文名：紅外氣體感測器
- 基於：近紅外光譜選擇吸收特性
- 利用：氣體濃度與吸收強度關係
概述,原理及技術演化,優缺點,市場及動態,
概述
它與其它類彆氣體感測器如電化學式、催化燃燒式、半導體式等相比具有套用廣泛、使用壽命長、靈敏度高、穩定性好、適合氣體多、性價比高、維護成本低、可線上分析等等一系列優點。其廣泛套用於石油化工、冶金工業、工礦開採、大氣污染檢測、農業、醫療衛生等領域。
原理及技術演化
分子中的電子總是處在某一種運動狀態中，每一種狀態都具有一定的能量，屬於一定的能級。 電子由於受到光、熱、電的激發，從一個能級轉移到另一個能級，稱為躍遷。當這些電子吸收了外來輻射的能量，就從一個能量較低的能級躍遷到另一個能量較高的能級。由於分子內部運動所牽涉到的能級變化比較複雜，分子吸收光譜也就比較複雜。在分子內部除了電子運動狀態之外，還有核間的相對運動，即核的振動和分子繞重心的轉動。而振動能和轉動能，按量子力學計算是不連續的，即具有量子化的性質。所以，一個分子吸收了外來輻射之後，它的能量變化△E為其振動能變化△Ev、轉動能變化△Er以及電子運動能量變化△Ee的總和。
物質對不同波長的光線具有不同的吸收能力，物質也只能選擇性地吸收那些能量相當於該分子振動能變化△Ev 、轉動能變化△Er以及電子運動能量變化△Ee總和的輻射。
由於各種物質分子內部結構的不同，分子的能級也千差萬別，各種能級之間的間隔也互不相同，這樣就 決定了它們對不同波長光線的選擇吸收。
如果改變通過某一吸收物質的入射光的波長，並記錄該物質在每一波長處的吸光度（A），然後以波長為橫坐標，以吸光度為縱坐標作圖，得到的譜圖稱為該物質的吸收光譜或吸收曲線。某物質的吸收光譜反映了它在不同的光譜區域內吸收能力的分布情況，可以從波形、波峰的強度和位置及其數目，研究物質的內部結構。分子的振動能量比轉動能量大，當發生振動能級躍遷時，不可避免地伴隨有轉動能級的躍遷，所以無法測量純粹的振動光譜，而只能得到 分子的振動-轉動光譜，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。當樣品受到頻率連續變化的紅外光照射時，分子吸收某些頻率的輻射，並由其振動或轉動運動引起偶極矩的淨變化，產生分子振動和轉動能級從基態到激發態的躍遷，使相應於這些吸收區域的透射光強度減弱。記錄紅外光的百分透射比與波數或波長關係曲線，就得到紅外光譜。
當紅外線波長與被測氣體吸收譜線相吻合時，紅外能量被吸收。紅外光線穿過被測氣體後的光強衰減滿足朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律。氣體濃度越大，對光的衰減也越大。因此，可通過測量氣體對紅外光線的衰減來測量氣體濃度。為了保證讀數呈線性關係，當待測組分濃度大時，分析器的測量氣室較短，最短的為0.3mm；當濃度低時，測量氣室較長，最長的為>200mm。經吸收後剩餘的光能用紅外檢測器檢測。
分光是指用稜鏡或光柵進行分光，由光源發出的紅外線分成完全對稱的兩束光：參考光束與樣品光束。它們經半圓型調製鏡調製，交替地進入單色儀的狹縫，通過稜鏡或光柵分光後由熱電偶檢測兩束光的強度差。當樣品光束的光路中沒有樣品吸收時，熱電偶不輸出信號。一旦放入測試樣品，樣品吸收紅外光，兩束光有強度差產生，熱電偶便有約10Hz的信號輸出，經過放大後輸至電機，調節參考光束光路上的光楔，使兩束光的強度重新達到平衡，由筆的記錄位置直接指出了某一波長的樣品透射率，波數的連續變化就自動記錄了樣品的紅外吸收光譜或透射光譜。基於這樣原理的氣體感測器就稱為分光紅外氣體感測器。
隨著紅外光學材料及微電子封裝技術的發展，紅外探測器在其封裝上固定安裝有針對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的紅外感測器，可以實現對不同氣體的測量。
熱釋電材料是一種具有自發極化的電介質,它的自發極化強度隨溫度變化,可用熱釋電係數p來描述,p=dP/dT（P為極化強度，T為溫度）。在恆定溫度下，材料的自發極化被體內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於極化方向的平行薄片，當紅外輻射入射到薄片表面時，薄片因吸收輻射而發生溫度變化，引起極化強度的變化。而中和電荷由於材料的電阻率高跟不上這一變化，其結果是薄片的兩表面之間出現瞬態電壓。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係數成正比外，還與薄片的溫度變化率成正比，可用來測量入射輻射的強弱。
熱釋電型紅外探測器都是用硫酸三甘酞(TGS)和鉭酸鋰 (LiTaO3)等優質熱釋電材料(p的數量級為10-8C/Kcm2)的小薄片作為回響元，加上支架、管殼和視窗等構成。它在室溫工作時，對波長沒有選擇性。
熱電堆的結構輻射接收面分為若干塊，每塊接一個熱電偶，把它們串聯起來，就構成熱電堆。按用途不同，實用的熱電堆可以製成細絲型和薄膜型，亦可製成多通道型和陣列型器件。帶紅外帶通濾波器的感測器套用於紅外吸收氣體探測。
熱釋電和熱電堆型紅外探測器的根本區別在於，後者利用回響元的溫度升高值來測量紅外輻射，回響時間取決於新的平衡溫度的建立過程，時間比較長，不能測量快速變化的輻射信號。而熱釋電型探測器所利用的是溫度變化率，因而能探測快速變化的輻射信號。這種探測器在室溫工作時的探測率可達 D≈1～2×109厘米·赫/瓦。70年代中期以來,這種探測器在實驗室的光譜測量中逐步取代溫差電型探測器和氣動型探測器。
利用這些視窗濾波紅外探測器，不用進行分光，從而可以直接測量對應濾波片波段也即相應氣體吸收波段的紅外光強度，這樣的氣體感測器成為非分光紅外（NDIR）氣體感測器。
優缺點
首先，紅外感測器的套用很廣，在檢測很多種的氣體中都使用到它，而且它的可靠性很高，選擇性很好，精度也高，沒有毒，受到環境的干擾較小，壽命比較長，對氧氣不依賴等等的優點，在未來的市場中很可能會成為主流的。當然，它也有缺點，因為處在剛剛起步的階段，技術不夠精湛，而且市場上很少，製造的成本比較高，這些種種的缺點對它在市場上的使用都有一定的限制。但是，希望在未來的技術發展中，可以發現更多更好的技術讓它變得更加成熟，更加實用，在市場上的占有位置更高。
市場及動態
NDIR紅外氣體分析儀作為一種快速、準確的氣體分析技術在實際套用中十分普遍。NDIR儀器市場份額中國外占有率在74%左右，早先國內NDIR氣體分析儀的主要廠家大都採用八十年代初的紅外氣體分析方法，採用鎳鍩絲加電機機械調製紅外光源，採用薄膜電容微音器或InSb等作為感測器。採用電機機械調製，儀器功耗大，且穩定性差，儀器造價也很高。採用薄膜電容微音器作為感測使得儀器對震動十分敏感，因此不適合便攜測量。隨著紅外光源、感測器及電子技術的發展，NDIR紅外氣體感測器在國外得到了迅速的發展，它無機械調製裝置，採用新型紅外感測器及電調製光源，在儀器電路上採用了低功耗嵌入式系統，使得儀器在體積、功耗、性能、價格上具有以往儀器無法比擬的優勢。
未來一段時間，使用半導體和催化原理的氣體檢測儀器儀表依靠著價格優勢仍會占據部分低端市場。電化學感測器及檢測儀器，在精度要求高的低濃度毒性氣體、有機蒸汽、酒精氣體、氧氣監測領域綜合優勢突出。紅外氣體感測器及儀器適用於監測各種易燃易爆、二氧化碳氣體，具有精度高、選擇性好、可靠性高、不中毒、不依賴於氧氣、受環境干擾因素較小、壽命長等顯著優點。這些優點將導致電化學、紅外原理的氣體檢測儀器占領更廣泛的行業高端市場，並在未來逐步成為市場主流。
