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紅外吸收
非對(duì)稱分子（含有不同原子）可以在特定波長(zhǎng)吸收紅外線能,，這種特定的吸收定波長(zhǎng)吸收紅外線能,，這種特定的吸收帶對(duì)于某種分子是確定的,、標(biāo)準(zhǔn)的，稱為“物質(zhì)指紋”,。
紅外線通過(guò)介質(zhì)的能量變化服從比爾-朗伯定律：
Ea=E0（1-eKCL）
這里：Ea-吸收輻射能,；
E0-入射輻射能；
C-介質(zhì)濃度,；
L-氣室長(zhǎng)度；
K-消光系數(shù),。
紅外線是某一定波段范圍內(nèi)的電磁波,，當(dāng)它向周圍傳遞過(guò)程中遇到特定介質(zhì)時(shí),，將被介質(zhì)吸收或透射。對(duì)于同一種原子構(gòu)成的對(duì)稱雙原子分子,，如O2,、N2、H2等或單原子分子如He,、Ne等并不能產(chǎn)生吸收光譜,。但不同原子構(gòu)成，含有偶極矩分子夠能特定波長(zhǎng)的輻射波,。目前,，NDIR是*的檢查CO和CO2zui有效的分析手段。
CO對(duì)波長(zhǎng)為4.5-5.0μm范圍內(nèi)的紅外線具有吸收能力,，吸收峰約為4.6μm,。
CO2吸收波長(zhǎng)為4.0-4.5μm范圍內(nèi)的紅外線，吸收峰約為4.3μm,。
COCO,、、CO2 CO2 和水的紅外線吸收?qǐng)D譜如圖所示
http://sorrent.com.cn/st297106
包括：光源,、樣氣管,、探測(cè)器和電氣系統(tǒng),圖中，右側(cè)為充有NO2NO2的的對(duì)比氣體,，左側(cè)為對(duì)比氣體,，左側(cè)為樣氣。由于兩側(cè)氣體對(duì)紅外線的吸收不同,，樣氣,。由于兩側(cè)氣體對(duì)紅外線的吸收不同，因此會(huì)引起測(cè)試室（因此會(huì)引起測(cè)試室（DETECTOR CELL)DETECTOR CELL)中中所得到的紅外線的強(qiáng)度不同,。因此引起中間所得到的紅外線的強(qiáng)度不同,。因此引起中間隔膜發(fā)生變化。把隔膜曲度轉(zhuǎn)化成電信號(hào),，隔膜發(fā)生變化,。把隔膜曲度轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，采集電信號(hào)的強(qiáng)度,。然后反推出采集電信號(hào)的強(qiáng)度,。然后反推出CO/CO2CO/CO2的的濃度值。濾光片的作用就是把我們所要測(cè)量濃度值,。濾光片的作用就是把我們所要測(cè)量的氣體之外的光譜濾掉,。的氣體之外的光譜濾掉。
樣氣必須干燥而清潔,，以保證精度 樣氣必須干燥而清潔,，以保證精度,。因此。必須對(duì)樣氣進(jìn)行除濕,、除 ,。因此。必須對(duì)樣氣進(jìn)行除濕,、除塵處理,。塵處理。
在選用NDIR分析儀時(shí),，因注意以下問(wèn)題：
該儀器的原理決定了其線形范圍不大,，對(duì)儀器需作曲線標(biāo)定或者加用線形化電路；l
儀器另一關(guān)鍵問(wèn)題是背景氣體的干擾,，干擾問(wèn)題解決的好壞,，直接決定著儀器質(zhì)量的好壞。在內(nèi)燃機(jī)排氣測(cè)量中,，主要是lCO2和H2O成分對(duì)CO測(cè)定結(jié)果的干擾,。NDIR分析儀的抗干擾性能用抗干擾比（IR）來(lái)表示，是干擾氣體濃度與分析儀對(duì)干擾氣體的響應(yīng)所相當(dāng)?shù)拇郎y(cè)氣體濃度之比,。比值越大,，表征儀器抗干擾性能越好。解除干擾能力的方法有加濾光片50mm檢測(cè)器（抗干擾比為10000：1）和三檢測(cè)器法（抗干擾比為105：1）,。
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文介紹一種采用電調(diào)制紅外光源的新型紅外氣體傳感器,。該傳感器通過(guò)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(zhǎng)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(cè)量。
一 前言
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),，特別連續(xù)污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）以及機(jī)動(dòng)車尾氣檢測(cè)應(yīng)用中十分普遍。國(guó)內(nèi)NDIR氣體分析儀的主要廠家大都采用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(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,。主要表現(xiàn)在無(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*的優(yōu)勢(shì),。
二 NDIR氣體分析基本機(jī)理
當(dāng)紅外光通過(guò)待測(cè)氣體時(shí),這些氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)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(zhǎng),。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:lnI=-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(xiě)成:
I=exp(α)exp(-KN)=exp(α)exp(-μcL)=I0exp(-μcL) (2)
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(duì)同一氣體,μ則隨入射波長(zhǎng)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)
因此對(duì)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(zhǎng)的窄帶濾光片，使傳感器的信號(hào)變化只反映被測(cè)氣體濃度變化,。
以CO2分析為例,，紅外光源發(fā)射出1-20um的紅外光，通過(guò)一定長(zhǎng)度的氣室吸收后,，經(jīng)過(guò)一個(gè)4.26μm波長(zhǎng)的窄帶濾光片后,，由紅外傳感器監(jiān)測(cè)透過(guò)4.26um波長(zhǎng)紅外光的強(qiáng)度，以此表示CO2氣體的濃度,，
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(cè)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(guò)窗口材料入射到測(cè)量氣室,測(cè)量氣室由采樣氣泵連續(xù)將被測(cè)氣體通入測(cè)量氣室,氣體吸收特定波長(zhǎng)的紅外光,透過(guò)測(cè)量氣室的紅外光由紅外探測(cè)器探測(cè),。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(guò)其后的前置放大電路放大后在一次經(jīng)過(guò)高精密放大整流電路，得到一個(gè)與被測(cè)氣體濃度對(duì)應(yīng)的直流信號(hào)送入測(cè)控系統(tǒng)處理,。紅外傳感器內(nèi)有溫度傳感器探測(cè)其工作環(huán)境溫度,。紅外傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)測(cè)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(cè)量值,。采用了以下關(guān)鍵技術(shù)：
1.紅外光源及其調(diào)制
pulsIR,reflectIR等新型電調(diào)制紅外光源等,，升降溫速度很快.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(zhǎng)在特定范圍內(nèi),適合于對(duì)常規(guī)的氣體如CO2、CO,、CH4,、NO、SO2等氣體進(jìn)行測(cè)量,。此外也可以阻止外界環(huán)境對(duì)光源溫度的影響,。
2.鍍膜氣室
采用氣室與外支撐分離的結(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(lái)一些需要較長(zhǎng)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。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(zhǎng)時(shí)間使用后氣室極易被污染,，直接影響測(cè)量精度,。
3.紅外探測(cè)器
紅外探測(cè)器，NDIR氣體傳感器的核心部件,，測(cè)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，例如TPS2534Gx/Gy,TPS4339Gw/Gx/Gy/Gz,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,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體的測(cè)量,。為了確保紅外探測(cè)器得到較強(qiáng)的穩(wěn)定信號(hào),，可以設(shè)計(jì)一種紅外探測(cè)器定向軸，即使在前置放大板上焊接的紅外探測(cè)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(cè)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關(guān)鍵，采用高精密,、低飄移的模擬放大電路,，并采用窄帶濾波電路。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(lái)的信號(hào)通過(guò)二級(jí)放大電路,，直接輸出一個(gè)與氣體濃度對(duì)應(yīng)信號(hào),，并送入測(cè)控系統(tǒng)，通過(guò)非線性校正和補(bǔ)償后得到氣體濃度,。
4,、 傳感器測(cè)控系統(tǒng)
為了實(shí)現(xiàn)NDIR氣體傳感器的測(cè)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(lái)管理傳感器,。傳感器測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)采集紅外輸出信號(hào)及測(cè)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(cè)量氣體的濃度,。
通過(guò)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(jiǎn)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(guó)廣泛使用,。