[摘要]介紹一種采用電調(diào)制紅外光源的新型非分光紅外氣體傳感器。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

      隨著我國對環(huán)保的重視，氣體分析儀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。在我國具有很大的市場，特別是作為連續(xù)污染物監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）以及機(jī)動(dòng)車尾氣檢測儀器在國內(nèi)需求廣泛，也是國家“十五”期間需要重點(diǎn)解決的環(huán)境分析儀器技術(shù)。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。國外NDIR儀器占有率在70%左右，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震動(dòng)十分敏感，因此不適合便攜測量。此類儀器一般為合資生產(chǎn)，在我國價(jià)格在3-8萬元左右，價(jià)格因素也限制了NDIR儀器在我國的廣泛使用。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

    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：nI=-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)
 

                       圖1 NDIR紅外氣體分析示意圖

                       

 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)

     圖1為NDIR紅外氣體分析原理圖：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，因此對于多種混合氣體，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。

    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，并在其外殼上有微型加熱裝置，通過測控系統(tǒng)控制傳感器的溫度。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，并將其濃度信號(hào)通過RS232串口輸出。此外，在傳感器的控制系統(tǒng)內(nèi)，除RS232外，同時(shí)設(shè)計(jì)有液晶顯示(支持240*128)、微型打印、鍵盤輸入、氣泵控制、報(bào)警輸出等接口。因此本傳感器也類似一個(gè)測量氣體濃度的“主板”，只須添加一些“外設(shè)”如液晶、打印機(jī)等，即可成為一個(gè)完整的氣體分析儀。

    本研究主要采用了以下關(guān)鍵技術(shù)：

    1.紅外光源及其調(diào)制

      傳統(tǒng)的氣體分析儀采用連續(xù)紅外熱輻射型光源，如鎳锘絲、硅碳棒等紅外加熱元件，由于其熱容量大，通常采用切光片對光源進(jìn)行調(diào)制。因此需要一個(gè)同步電機(jī)帶動(dòng)切光片旋轉(zhuǎn)，其缺點(diǎn)在于存在機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)?？拐裥圆?，攻耗大，不適合于便攜設(shè)備；其次為保證調(diào)制的頻率，還需要嚴(yán)格同步的電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電路，使得系統(tǒng)復(fù)雜化，成本也大大增加。

      本研究采用了國際上*新研制的一種電調(diào)制紅外光源。該光源采用導(dǎo)電不定型碳（CAC）多層鍍膜技術(shù)，熱容量很低，因此升降溫速度很快，其調(diào)制頻率*高可以達(dá)到100Hz。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)境對光源溫度的影響。

     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。本研究采用了氣室與外支撐分離結(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。

   3.紅外探測器

      紅外探測器是該分析儀的核心部件，NDIR氣體傳感器的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，并且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。為了確保紅外探測器得到較強(qiáng)的穩(wěn)定信號(hào)，本研究設(shè)計(jì)了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儀器的關(guān)鍵，本研究采用了高精密、低飄移的**級模擬放大電路，并采用了窄帶濾波電路。通過示波器的跟蹤表明，本研究采用的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)通過二級放大電路，直接輸出一個(gè)與氣體濃度對應(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，并通過測控系統(tǒng)的串口每1秒向外部設(shè)備發(fā)送測量濃度數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以根據(jù)傳感器測量量程和實(shí)際測量數(shù)據(jù)，通過測控系統(tǒng)的的D/A控制，輸出與濃度成正比的12位精度電壓信號(hào)。

      為便于采用此傳感器組成完整的氣體分析儀，在測控系統(tǒng)多余的數(shù)據(jù)線和地址線基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了液晶顯示驅(qū)動(dòng)模塊、打印驅(qū)動(dòng)模塊、鍵盤輸入模塊、氣泵控制、報(bào)警等接口，用戶可以通過安裝這些標(biāo)準(zhǔn)模塊，快速形成一套完整的氣體分析儀器。

      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。

    四、氣體傳感器性能測試

    為驗(yàn)證傳感器性能，作者對傳感器的進(jìn)行了長期的測試。以下分別介紹采用CO2和SO2傳感器測量的結(jié)果，CO2傳感器氣室長度8cm，內(nèi)經(jīng)8mm，傳感器的量程為2%。試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)鋼瓶配氣，濃度為0.98% CO2，平衡氣為N2，流量為1.5L/Min，通過采用PC采集測控系統(tǒng)串口數(shù)據(jù)，在PC上保存數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析，測量時(shí)間24小時(shí)。試驗(yàn)結(jié)果表明，測量準(zhǔn)確度可以達(dá)到2%以上；SO2傳感器氣室長度13cm，內(nèi)經(jīng)8mm，傳感器的量程為8000ppm。試驗(yàn)采用自行配置的SO2氣體，濃度為4200ppm，平衡氣為N2，流量為0.5L/Min，同樣通過采用PC采集傳感器串口數(shù)據(jù)，在PC上進(jìn)行分析，測量時(shí)間12小時(shí)（為**考慮，從晚8：00到**日早8：00）。試驗(yàn)結(jié)果表明，測量準(zhǔn)確度同樣可達(dá)到2%以上。對于傳感器的響應(yīng)時(shí)間，由于采用了較高的調(diào)制頻率，傳感器一般在同如氣體15秒左右就可以達(dá)到平衡，因此響應(yīng)速度很快。

    五、結(jié)論

  NDIR紅外氣體傳感器是一個(gè)典型的光、機(jī)、電一體化系統(tǒng),涉及環(huán)節(jié)較多。本研究通過使用了當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)，研制了新型的NDIR紅外氣體傳感器。

 （1）通過使用國際上*新發(fā)展的電調(diào)制紅外光源，省卻了以往NDIR儀器復(fù)雜和昂貴的電機(jī)調(diào)制系統(tǒng),大大降低了系統(tǒng)成本和功耗。

 （2）使用了新型的紅外氣室，工藝簡單、安裝更換方便，受環(huán)境的影響更小。

 （3）采用了新型一體化的紅外探測系統(tǒng)和高精密前置放大電路，并采用新型的微控制器測控系統(tǒng)，大大降低了NDIR儀器的成本，并可實(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