紅外氣體傳感器，更方便的氣體檢測(cè)工具

引言：紅外氣體傳感器是一種基于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(qiáng)度關(guān)系（朗伯-比爾Lambert-Beer定律）鑒別）鑒別氣體組分并確定其濃度的氣體傳感裝置。其廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金工業(yè)、工礦開(kāi)采、大氣污染檢測(cè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。

       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(zhǎng)、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)。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(chǎng)份額中國(guó)外占有率在74%左右，早先國(guó)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。

       原理及技術(shù)演化

       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(lái)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(duì)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(lái)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(duì)不同波長(zhǎng)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(wàn)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(duì)不同波長(zhǎng)光線的選擇吸收。

       如果改變通過(guò)某一吸收物質(zhì)的入射光的波長(zhǎng)，并記錄該物質(zhì)在每一波長(zhǎng)處的吸光度（A），然后以波長(zhǎng)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(wú)法測(cè)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(zhǎng)關(guān)系曲線，就得到紅外光譜。

       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(cè)器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。通過(guò)使用固定有不同波長(zhǎng)濾光片的的紅外傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體的測(cè)量。

       優(yōu)缺點(diǎn)

       首先，紅外傳感器的應(yīng)用很廣，在檢測(cè)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(méi)有毒，受到環(huán)境的干擾較小，壽命比較長(zhǎng)，對(duì)氧氣不依賴等等的優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)的市場(chǎng)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(chǎng)上很少，制造的成本比較高，這些種種的缺點(diǎn)對(duì)它在市場(chǎng)上的使用都有一定的限制。但是，希望在未來(lái)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(chǎng)上的占有位置更高。

       市場(chǎng)及動(dòng)態(tài)

       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(chǎng)份額中國(guó)外占有率在74%左右，早先國(guó)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(duì)震動(dòng)十分敏感，因此不適合便攜測(cè)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(guó)外得到了迅速的發(fā)展，它無(wú)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(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

       未來(lái)一段時(shí)間，使用半導(dǎo)體和催化原理的氣體檢測(cè)儀器儀表依靠著價(jià)格優(yōu)勢(shì)仍會(huì)占據(jù)部分低端市場(chǎng)。電化學(xué)傳感器及檢測(cè)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(cè)領(lǐng)域綜合優(yōu)勢(shì)突出。紅外氣體傳感器及儀器適用于監(jiān)測(cè)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(zhǎng)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(cè)儀器占領(lǐng)更廣泛的行業(yè)高端市場(chǎng)，并在未來(lái)逐步成為市場(chǎng)主流。