电调制非分光红外(NDIR)气体传感器
方秋
武汉四方光电科技有限公司
[摘要]介绍一种采用电调制红外光源的新型非分光红外气体传感器.该传感器通过采用电调制红外光源,省却了传统方法中的机械调制部件;同时采用了高精度干涉滤光片一体化红外传感器以及单光束双波长技术,配合易拆卸的镀金气室及数据采集系统,可以实现SO2、NO、CO2、CO、CH4、N2O等气体的实时测量.
关键词:气体传感器, 红外光源, NDIR,电调制
一 前言
随着我国对环保的重视,气体分析仪器在我国具有很大的市场,特别是作为连续污染物监测系统(CEMS)以及机动车尾气检测仪器在国内需求广泛,也是国家"十五"期间需要重点解决的环境分析仪器技术.NDIR红外气体分析仪作为一种快速、准确的气体分析技术在实际应用中十分普遍.国外NDIR仪器占有率在70%左右,国内NDIR气体分析仪的主要厂家大都采用国际上八十年代初的红外气体分析方法,如采用镍锘丝作为红外光源、采用电机机械调制红外光、采用薄膜电容微音器或InSb等作为传感器等.由于采用电机机械调制,仪器功耗大,且稳定性差,仪器造价也很高.同时采用薄膜电容微音器作为传感使得仪器对震动十分敏感,因此不适合便携测量.此类仪器一般为合资生产,在我国价格在3-8万元左右,价格因素也限制了NDIR仪器在我国的广泛使用.随着红外光源、传感器及电子技术的发展,NDIR红外气体传感器在国外得到了迅速的发展.主要表现在无机械调制装置,采用新型红外传感器及电调制光源,在仪器电路上采用了低功耗嵌入式系统,使得仪器在体积、功耗、性能、价格上具有以往仪器无法比拟的优势.
二NDIR气体分析基本机理
当红外光通过待测气体时,这些气体分子对特定波长的红外光有吸收,其吸收关系服从朗伯--比尔(Lambert-Beer)吸收定律.设入射光是平行光,其强度为I0,出射光的强度为I,气体介质的厚度为L.当由气体介质中的分子数dN的吸收所造成的光强减弱为dI时,根据朗伯--比尔吸收定律: dI/I=-KdN,式中K为比例常数.经积分得:lnI=-KN+α (1) , 式中:N为吸收气体介质的分子总数;α为积分常数.显然有N∝cl,c为气体浓度.则式(1)可写成:
I=exp(α)exp(-KN)=exp(α)exp(-μcL)=I0exp(-μcL) (2)
式(2)表明,光强在气体介质中随浓
度c及厚度L按指数规律衰减.吸收系数
取决于气体特性,各种气体的吸收系数
μ互不相同.对同一气体,μ则随入射波
长而变.若吸收介质中含i种吸收气体,
则式(2)应改为:
I=I0exp(-l∑μi ci)3)
因此对于多种混合气体,为了分析特定
组分,应该在传感器或红外光源前安装
一个适合分析气体吸收波长的窄带滤光
片,使传感器的信号变化只反映被测气体浓度变化.
图1为NDIR红外气体分析原理图:以CO2分析为例,红外光源发射出1-20um的红外光,通过一定长度的气室吸收后,经过一个4.26μm波长的窄带滤光片后,由红外传感器监测透过4.26um波长红外光的强度,以此表示CO2气体的浓度,
三 电调制NDIR红外气体传感器关键技术
在设计传感器的光学系统部分时,为了减少红外传感器微弱信号的衰减以及外界信号干扰,将前置放大电路也一并放在光学部件上,并采取了一定的电磁屏蔽措施.为了使气体红外吸收信号具有较好的分辨率,在进行结构设计时,红外光源、气室、红外探测器应设置在同一光轴上.此外为了使得信号足够大,可以使用椭圆型或抛物线型反射镜.红外光源由稳流供电,供电电压和电流根据使用的光源不同而不同.工作时,传感器根据预先设定的调制频率发出周期性的红外光,红外光源发出的红外光通过窗口材料入射到测量气室,测量气室由采样气泵连续将被测气体通入测量气室,气体吸收特定波长的红外光,透过测量气室的红外光由红外探测器探测.由于调制红外光的作用红外传感器输出交流的电信号,通过其后的前置放大电路放大后在一次经过高精密放大整流电路,得到一个与被测气体浓度对应的直流信号送入测控系统处理.红外传感器内有温度传感器探测其工作环境温度,并在其外壳上有微型加热装置,通过测控系统控制传感器的温度.红外传感器信号经过测控系统,并经数字滤波、线性插值及温度补偿等软件处理后,给出气体浓度测量值,并将其浓度信号通过RS232串口输出.此外,在传感器的控制系统内,除RS232外,同时设计有液晶显示(支持240*128)、微型打印、键盘输入、气泵控制、报警输出等接口.因此本传感器也类似一个测量气体浓度的"主板",只须添加一些"外设"如液晶、打印机等,即可成为一个完整的气体分析仪.

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