一、什麼是紅外氣體傳感器？

紅外氣體傳感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鑑別氣體組分並確定其濃度的氣體傳感裝置。

它與其他類別氣體傳感器如電化學式、催化燃燒式、半導體式等相比具有應用廣泛、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、可在線分析等一系列優點，廣泛應用於石油化工、冶金工業、工礦開採、大氣污染檢測、農業、醫療衛生等領域。

二、紅外氣體傳感器的工作原理

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。爲了保證數呈線性關係，當待測組分濃度大時，分析器的測量氣室較短，最短的爲0.3mm;當濃度低時，測量氣室較長，最長的大於200mm。經吸收後剩餘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，把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。它們經半圓形調製鏡調製，交替地進入單色儀的狹縫，通過棱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，由筆的記錄位萱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傳感器就稱爲分光紅外氣體傳感器。

隨着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紅外傳感器，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=dPldT （P爲極化強度，F爲溫度）。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（LiTa03）等優質熱釋電材料（p的數量級爲10-8C/Kcm2）的小薄片作爲響應元，加上支架、管殼和窗口等構成。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爲若干塊，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傳感器應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，後者利用響應元的溫度升高值來測量紅外輻射，響應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：：1～2x109cm．Hz/W。20世紀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，這樣的氣體傳感器稱爲非分光紅外（NDIR）氣體傳感器。

三、非分光紅外(NDIR)氣體傳感器核心技術詳解

NDIR紅外氣體分析儀作爲一種快速、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。可以實現SO2、NO、CO2、CO、CH4、N2O等氣體的實時測量。

國內NDIR氣體分析儀的主要廠家大都採用國際上八十年代初的紅外氣體分析方法，如採用鎳鍩絲作爲紅外光源、採用電機機械調製紅外光、採用薄膜電容微音器或InSb等作爲傳感器等。由於採用電機機械調製，儀器功耗大，且穩定性差，儀器造價也很高。同時採用薄膜電容微音器作爲傳感使得儀器對震動十分敏感，因此不適合便攜測量。

隨着紅外光源、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製裝置，採用新型紅外傳感器及電調製光源，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。

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,其吸收關係服從朗伯--比爾(Lambert-Beer)吸收定律。設入射光是平行光,其強度爲I0,出射光的強度爲I,氣體介質的厚度爲L。當由氣體介質中的分子數dN的吸收所造成的光強減弱爲dI時,根據朗伯--比爾吸收定律: dI/I=-KdN，式中K爲比例常數。經積分得:lnI=-KN+α(1)，式中:N爲吸收氣體介質的分子總數;α爲積分常數。顯然有N∝cl,c爲氣體濃度。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。吸收係數取決於氣體特性,各種氣體的吸收係數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)應改爲:I=I0exp(-l∑μi ci) (3)因此對於多種混合氣體，爲了分析特定組分，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分析爲例，紅外光源發射出1-20um的紅外光，通過一定長度的氣室吸收後，經過一個4.26μm波長的窄帶濾光片後，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，

電調製NDIR紅外氣體傳感器採用了以下關鍵技術：

1.紅外光源及其調製

pulsIR,reflectIR等新型電調製紅外光源等，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範圍內,適合於對常規的氣體如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

採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於裝卸﹑更換；同時由於與外支撐分離，進一步減小了外界條件的影響，使儀器能適應複雜環境下工作。此外原來一些需要較長氣室的傳感器，採用以往方法加工鍍膜工藝十分困難，採用此法後將十分容易，成本也將大大降低。傳統氣室採用了與外支撐一體化設計，具有製造容易﹑安裝方便等優點，但受外界溫度波動影響較大；其次，由於被分析氣體成分複雜，具有一定的腐蝕性，如SO2﹑NOx等，長時間使用後氣室極易被污染，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於傳感器的性能高低。本研究採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。爲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於同一光學中心軸上。

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，最好採用高精密、低飄移的模擬放大電路，並採用窄帶濾波電路。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，並送入測控系統，通過非線性校正和補償後得到氣體濃度。

4、傳感器測控系統

爲了實現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採集紅外輸出信號及測量標準氣體曲線，採用非線性校正算法可以直接得到測量氣體的濃度。

通過採用以上技術，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。