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它與其它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、性價比高、維護成本低、可在線分析等等一系列優(yōu)點。其廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金工業(yè)、工礦開采、大氣污染檢測、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。

分子中的電子總是處在某一種運動狀態(tài)中,每一種狀態(tài)都具有一定的能量,屬于一定的能級。 電子由于受到光、熱、電的激發(fā),從一個能級轉(zhuǎn)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。由于分子內(nèi)部運動所牽涉到的能級變化比較復(fù)雜,分子吸收光譜也就比較復(fù)雜。在分子內(nèi)部除了電子運動狀態(tài)之外,還有核間的相對運動,即核的振動和分子繞重心的轉(zhuǎn)動。而振動能和轉(zhuǎn)動能,按量子力學(xué)計算是不連續(xù)的,即具有量子化的性質(zhì)。所以,一個分子吸收了外來輻射之后,它的能量變化△E為其振動能變化△Ev、轉(zhuǎn)動能變化△Er以及電子運動能量變化△Ee的總和。

物質(zhì)對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于該分子振動能變化△Ev 、轉(zhuǎn)動能變化△Er以及電子運動能量變化△Ee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(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,以吸光度為縱坐標作圖,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)。分子的振動能量比轉(zhuǎn)動能量大,當發(fā)生振動能級躍遷時,不可避免地伴隨有轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xù)變化的紅外光照射時,分子吸收某些頻率的輻射,并由其振動或轉(zhuǎn)動運動引起偶極矩的凈變化,產(chǎn)生分子振動和轉(zhuǎn)動能級從基態(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后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(shù)呈線性關(guān)系,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(jīng)吸收后剩余的光能用紅外檢測器檢測。

分光是指用棱鏡或光柵進行分光,由光源發(fā)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(jīng)半圓型調(diào)制鏡調(diào)制,交替地進入單色儀的狹縫,通過棱鏡或光柵分光后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(chǎn)生,熱電偶便有約10Hz的信號輸出,經(jīng)過放大后輸至電機,調(diào)節(jié)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(shù)的連續(xù)變化就自動記錄了樣品的紅外吸收光譜或透射光譜。基于這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傳感器,可以實現(xiàn)對不同氣體的測量。

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)極化強度隨溫度變化,可用熱釋電系數(shù)p來描述,p=dP/dT(P為極化強度,T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,當紅外輻射入射到薄片表面時,薄片因吸收輻射而發(fā)生溫度變化,引起極化強度的變化。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(yōu)質(zhì)熱釋電材料(p的數(shù)量級為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,對波長沒有選擇性。

熱電堆的結(jié)構(gòu)輻射接收面分為若干塊,每塊接一個熱電偶,把它們串聯(lián)起來,就構(gòu)成熱電堆。按用途不同,實用的熱電堆可以制成細絲型和薄膜型,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。

熱釋電和熱電堆型紅外探測器的根本區(qū)別在于,后者利用響應(yīng)元的溫度升高值來測量紅外輻射,響應(yīng)時間取決于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。

利用這些窗口濾波紅外探測器,不用進行分光,從而可以直接測量對應(yīng)濾波片波段也即相應(yīng)氣體吸收波段的紅外光強度,這樣的氣體傳感器成為非分光紅外(NDIR)氣體傳感器。

首先,紅外傳感器的應(yīng)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(huán)境的干擾較小,壽命比較長,對氧氣不依賴等等的優(yōu)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(shù)不夠精湛,而且市場上很少,制造的成本比較高,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(shù)發(fā)展中,可以發(fā)現(xiàn)更多更好的技術(shù)讓它變得更加成熟,更加實用,在市場上的占有位置更高。

NDIR紅外氣體分析儀作為一種快速、準確的氣體分析技術(shù)在實際應(yīng)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(nèi)NDIR氣體分析儀的主要廠家大都采用八十年代初的紅外氣體分析方法,采用鎳锘絲加電機機械調(diào)制紅外光源,采用薄膜電容微音器或InSb等作為傳感器。采用電機機械調(diào)制,儀器功耗大,且穩(wěn)定性差,儀器造價也很高。采用薄膜電容微音器作為傳感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、傳感器及電子技術(shù)的發(fā)展,NDIR紅外氣體傳感器在國外得到了迅速的發(fā)展,它無機械調(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、價格上具有以往儀器無法比擬的優(yōu)勢。

未來一段時間,使用半導(dǎo)體和催化原理的氣體檢測儀器儀表依靠著價格優(yōu)勢仍會占據(jù)部分低端市場。電化學(xué)傳感器及檢測儀器,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(jiān)測領(lǐng)域綜合優(yōu)勢突出。紅外氣體傳感器及儀器適用于監(jiān)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、不依賴于氧氣、受環(huán)境干擾因素較小、壽命長等顯著優(yōu)點。這些優(yōu)點將導(dǎo)致電化學(xué)、紅外原理的氣體檢測儀器占領(lǐng)更廣泛的行業(yè)高端市場,并在未來逐步成為市場主流。