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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(jià)比高、維護(hù)成本低、可在線分析等等一系列優(yōu)點(diǎn)。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(yùn)動(dòng)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(jí)。 電子由于受到光、熱、電的激發(fā),從一個(gè)能級(jí)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)能級(jí),稱為躍遷。當(dāng)這些電子吸收了外來輻射的能量,就從一個(gè)能量較低的能級(jí)躍遷到另一個(gè)能量較高的能級(jí)。由于分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)所牽涉到的能級(jí)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)之外,還有核間的相對運(yùn)動(dòng),即核的振動(dòng)和分子繞重心的轉(zhuǎn)動(dòng)。而振動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)能,按量子力學(xué)計(jì)算是不連續(xù)的,即具有量子化的性質(zhì)。所以,一個(gè)分子吸收了外來輻射之后,它的能量變化△E為其振動(dòng)能變化△Ev、轉(zhuǎn)動(dòng)能變化△Er以及電子運(yùn)動(dòng)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(dāng)于該分子振動(dòng)能變化△Ev 、轉(zhuǎn)動(dòng)能變化△Er以及電子運(yùn)動(dòng)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(jí)也千差萬別,各種能級(jí)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(biāo),以吸光度為縱坐標(biāo)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(qiáng)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(dòng)能量比轉(zhuǎn)動(dòng)能量大,當(dāng)發(fā)生振動(dòng)能級(jí)躍遷時(shí),不可避免地伴隨有轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷,所以無法測量純粹的振動(dòng)光譜,而只能得到 分子的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)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(dāng)樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時(shí),分子吸收某些頻率的輻射,并由其振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)引起偶極矩的凈變化,產(chǎn)生分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)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(qiáng)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(dāng)紅外線波長與被測氣體吸收譜線相吻合時(shí),紅外能量被吸收。紅外光線穿過被測氣體后的光強(qiáng)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(dāng)待測組分濃度大時(shí),分析器的測量氣室較短,最短的為0.3mm;當(dāng)濃度低時(shí),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(jìn)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(jìn)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(qiáng)度差。當(dāng)樣品光束的光路中沒有樣品吸收時(shí),熱電偶不輸出信號(hào)。一旦放入測試樣品,樣品吸收紅外光,兩束光有強(qiáng)度差產(chǎn)生,熱電偶便有約10Hz的信號(hào)輸出,經(jīng)過放大后輸至電機(jī),調(diào)節(jié)參考光束光路上的光楔,使兩束光的強(qiáng)度重新達(dá)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(dòng)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(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(dāng)紅外輻射入射到薄片表面時(shí),薄片因吸收輻射而發(fā)生溫度變化,引起極化強(qiáng)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(qiáng)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(jí)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(shí),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(gè)熱電偶,把它們串聯(lián)起來,就構(gòu)成熱電堆。按用途不同,實(shí)用的熱電堆可以制成細(xì)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(shí)間取決于新的平衡溫度的建立過程,時(shí)間比較長,不能測量快速變化的輻射信號(hào)。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(hào)。這種探測器在室溫工作時(shí)的探測率可達(dá) D≈1~2×109厘米·赫/瓦。70年代中期以來,這種探測器在實(shí)驗(yàn)室的光譜測量中逐步取代溫差電型探測器和氣動(dòng)型探測器。

利用這些窗口濾波紅外探測器,不用進(jìn)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(qiáng)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(diǎn),在未來的市場中很可能會(huì)成為主流的。當(dāng)然,它也有缺點(diǎn),因?yàn)樘幵趧倓偲鸩降碾A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(diǎn)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(shí)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(zhǔn)確的氣體分析技術(shù)在實(shí)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(jī)機(jī)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(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。采用薄膜電容微音器作為傳感使得儀器對震動(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,它無機(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。

未來一段時(shí)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(jià)格優(yōu)勢仍會(huì)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(jī)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?xì)怏w,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(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)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。