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)測系統(tǒng)（CEMS）以及機(jī)動(dòng)車尾氣檢測應(yīng)用中十分普遍。國內(nèi)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(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。主要表現(xiàn)在無機(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法比擬的優(yōu)勢。
二 NDIR氣體分析基本機(jī)理
當(dāng)紅外光通過待測氣體時(shí),這些氣體分子對(duì)特定波長的紅外光有吸收,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。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的窄帶濾光片，使傳感器的信號(hào)變化只反映被測氣體濃度變化。
以CO2分析為例，紅外光源發(fā)射出1-20um的紅外光，通過一定長度的氣室吸收后，經(jīng)過一個(gè)4.26μm波長的窄帶濾光片后，由紅外傳感器監(jiān)測透過4.26um波長紅外光的強(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)出的紅外光通過窗口材料入射到測量氣室,測量氣室由采樣氣泵連續(xù)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(diào)制紅外光的作用紅外傳感器輸出交流的電信號(hào)，通過其后的前置放大電路放大后在一次經(jīng)過高精密放大整流電路，得到一個(gè)與被測氣體濃度對(duì)應(yīng)的直流信號(hào)送入測控系統(tǒng)處理。紅外傳感器內(nèi)有溫度傳感器探測其工作環(huán)境溫度。紅外傳感器信號(hào)經(jīng)過測控系統(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(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，長時(shí)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(duì)不同氣體的窄帶干涉濾光片,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體的測量。為了確保紅外探測器得到較強(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(xué)中心軸上。
紅外探測器接收紅外光產(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)。前置放大出來的信號(hào)通過二級(jí)放大電路，直接輸出一個(gè)與氣體濃度對(duì)應(yīng)信號(hào)，并送入測控系統(tǒng)，通過非線性校正和補(bǔ)償后得到氣體濃度。
4、 傳感器測控系統(tǒng)
為了實(shí)現(xiàn)NDIR氣體傳感器的測量、控制以及自動(dòng)標(biāo)定等功能，需要一個(gè)合適的微控制器來管理傳感器。傳感器測控系統(tǒng) 通過采集紅外輸出信號(hào)及測量標(biāo)準(zhǔn)氣體曲線，采用非線性校正算法可以直接得到測量氣體的濃度。
通過采用以上技術(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廣泛使用。