非分光紅外(NDIR)氣體傳感器核心技術詳解

電調制非分光紅外(NDIR)氣體傳感器


本文介紹一種采用電調制紅外光源的新型紅外氣體傳感器。該傳感器通過采用電調制紅外光源，省卻了傳統方法中的機械調制部件；同時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技術，配合易拆卸的鍍金氣室及數據采集系統，可以實現SO2、NO、CO2、CO、CH4、N2O等氣體的實時測量。
一 前言
NDIR紅外氣體分析儀作為一種快速、準確的氣體分析技術，特別連續污染物監測系統（CEMS）以及機動車尾氣檢測應用中十分普遍。國內NDIR氣體分析儀的主要廠家大都采用國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、采用電機機械調制紅外光、采用薄膜電容微音器或InSb等作為傳感器等。由于采用電機機械調制，儀器功耗大，且穩定性差，儀器造價也很高。同時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、傳感器及電子技術的發展，NDIR紅外氣體傳感器在國外得到了迅速的發展。主要表現在無機械調制裝置，采用新型紅外傳感器及電調制光源，在儀器電路上采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。
二 NDIR氣體分析基本機理
當紅外光通過待測氣體時,這些氣體分子對特定波長的紅外光有吸收,其吸收關系服從朗伯--比爾(Lambert-Beer)吸收定律。設入射光是平行光,其強度為I0,出射光的強度為I,氣體介質的厚度為L。當由氣體介質中的分子數dN的吸收所造成的光強減弱為dI時,根據朗伯--比爾吸收定律: dI/I=-KdN，式中K為比例常數。經積分得:lnI=-KN+α (1) ， 式中:N為吸收氣體介質的分子總數;α為積分常數。顯然有N∝cl,c為氣體濃度。則式(1)可寫成:
I=exp(α)exp(-KN)=exp(α)exp(-μcL)=I0exp(-μcL) (2)
        式(2)表明,光強在氣體介質中隨濃
度c及厚度L按指數規律衰減。吸收系數取決于氣體特性,各種氣體的吸收系數μ互不相同。對同一氣體,μ則隨入射波長而變。若吸收介質中含i種吸收氣體,則式(2)應改為:
I=I0exp(-l∑μi ci)
(3) 因此對于多種混合氣體，為了分析特定組分，應該在傳感器或紅外光源前安裝一個適合分析氣體吸收波長的窄帶濾光片，使傳感器的信號變化只反映被測氣體濃度變化。
以CO2分析為例，紅外光源發射出1-20um的紅外光，通過一定長度的氣室吸收后，經過一個4.26μm波長的窄帶濾光片后，由紅外傳感器監測透過4.26um波長紅外光的強度，以此表示CO2氣體的濃度，        
三 電調制NDIR紅外氣體傳感器關鍵技術
在設計傳感器的光學系統部分時，為了減少紅外傳感器微弱信號的衰減以及外界信號干擾，將前置放大電路也一并放在光學部件上，并采取了一定的電磁屏蔽措施。為了使氣體紅外吸收信號具有較好的分辨率，在進行結構設計時,紅外光源、氣室、紅外探測器應設置在同一光軸上。此外為了使得信號足夠大，可以使用橢圓型或拋物線型反射鏡。紅外光源由穩流供電,供電電壓和電流根據使用的光源不同而不同。工作時,傳感器根據預先設定的調制頻率發出周期性的紅外光，紅外光源發出的紅外光通過窗口材料入射到測量氣室,測量氣室由采樣氣泵連續將被測氣體通入測量氣室,氣體吸收特定波長的紅外光,透過測量氣室的紅外光由紅外探測器探測。由于調制紅外光的作用紅外傳感器輸出交流的電信號，通過其后的前置放大電路放大后在一次經過高精密放大整流電路，得到一個與被測氣體濃度對應的直流信號送入測控系統處理。紅外傳感器內有溫度傳感器探測其工作環境溫度。紅外傳感器信號經過測控系統,并經數字濾波、線性插值及溫度補償等軟件處理后,給出氣體濃度測量值。
采用了以下關鍵技術：
1.紅外光源及其調制
pulsIR,reflectIR等新型電調制紅外光源等，升降溫速度很快.紅外光源發射窗口上安裝有透明窗,一方面可以保證發射的紅外光波長在特定范圍內,適合于對常規的氣體如CO2、CO、CH4、NO、SO2等氣體進行測量。此外也可以阻止外界環境對光源溫度的影響。
2.鍍膜氣室
采用氣室與外支撐分離的結構，安裝時只需將氣室固定安裝在支撐結構的中心即可。此種結構設計保證了該部件易于裝卸﹑更換；同時由于與外支撐分離，進一步減小了外界條件的影響，使儀器能適應復雜環境下工作。此外原來一些需要較長氣室的傳感器，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。傳統氣室采用了與外支撐一體化設計，具有制造容易﹑安裝方便等優點，但受外界溫度波動影響較大；其次，由于被分析氣體成分復雜，具有一定的腐蝕性，如SO2﹑NOx等，長時間使用后氣室極易被污染，直接影響測量精度。
3.紅外探測器
紅外探測器，NDIR氣體傳感器的核心部件，測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不同氣體的窄帶干涉濾光片,可以實現對不同氣體的測量。為了確保紅外探測器得到較強的穩定信號，可以設計一種紅外探測器定向軸，即使在前置放大板上焊接的紅外探測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中心軸上。
紅外探測器接收紅外光產生的信號十分微弱，極易受外界的干擾，因此穩定可靠的前置放大電路是關鍵，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、響應快的特點。前置放大出來的信號通過二級放大電路，直接輸出一個與氣體濃度對應信號，并送入測控系統，通過非線性校正和補償后得到氣體濃度。
4、 傳感器測控系統
為了實現NDIR氣體傳感器的測量、控制以及自動標定等功能，需要一個合適的微控制器來管理傳感器。傳感器測控系統 通過采集紅外輸出信號及測量標準氣體曲線，采用非線性校正算法可以直接得到測量氣體的濃度。
通過采用以上技術，NDIR紅外氣體傳感器的結構比以往儀器將大大簡化，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的1/4。此類傳感器可以實現模塊化和標準化，因此更加適合在我國廣泛使用。