红外吸收型气体传感器

红外吸收型气体传感器

1引言

众所周知，气体与我们的日常生活紧密相关，随着科学技术的进步和人民生活水平的不断提高，气体检测在人们日常生活、农作物种植、化工行业、资源开发以及环境保护等方面的作用越来越大。从而对气体检测方法的研究也越来越重要，基于红外吸收型原理的气体检测方法具有可检测多种气体、使用寿命长、体积小、安全性高、稳定性好等优点。因此对基于红外吸收原理的气体检测系统的研究具有重要的实际意义。

2原理分析

2.1红外光谱法

红外光谱法吸收法是利用不同气体具有自己独特的分子结构，对红外光具有特定吸收谱这一特性来实现的，也即是不同的气体对某一特定波段的红外光具有吸收能力。而这个特定波段红外光就称为该气体的红外吸收峰，不同的气体的红外吸收峰是不一样的，即使在混合气体环境中各气体之间的红外吸收也不会相互干扰。这种性质不会因外界条件的改变的改变而改变，某一待测气体吸收的能量大小与该气体在红外光区内的浓度有关，浓度越大吸收能量越多。可以利用这一特性来对物质进行定性和定量分析。因此，可以通过检测红外光的强度的变化来检测气体的浓度。

图1 不同气体的吸收光谱图

Fig.1 The absorption spectrum of different gases

2.3Lambert-Beer定律

当红外光通过气体时，在相应频率处就会产生能量衰减，而能量的衰减程度又与气体浓度大小有关，通过分析红外光的衰减程度，即可推算出待测气体浓度。待测气体对红外光的吸收服从Lamber--Beer定律。入射光强度I和出射光强度I’关系表达式如下：

I’(λ)=I(λ)exp(-KCL) (1)

I’(λ):出射光强度 I(λ):入射光强度

K:比例系数 C:待测气体浓度

L:红外光透过气体的厚度

对于一个固定的气体室来说，K和L的值是确定的。

其适用范围为：

(1)吸光质点之间无相互作用。

(2)吸光物质为均匀非散射体系。

(3)辐射与物质之间的作用仅限于光吸收，无荧光和光化学现象发生。

2.4 基本测量方法

红外光谱吸收气体浓度检测的基本方法主要分为：直接吸收检测法、差分检测法。差分检测法又分为：单波长双光路法和双波长单光路法。

直接吸收检测法：这是一种最简单的红外吸收检测方法，将待测气体直接通入气室内，当红外光源发出的红外光通过气室时，用红外探测器检测光强前后的变化，在没有通入待测气体时检测红外光的强度I ，通过待测气体时检测红外光的强度I ’，通过计算前后光强的差值来确定待测气体的浓度。基本检测流程框图如图2所示

图2 直接吸收检测法基本流程框图

Fig.2 The basic flow chart of direct absorption method

这种方法简单、易做。但是系统光路和电路中，光源的不稳定，环境(振动和温度)的影响，电路中元器件的漂移都会不同程度的降低系统的检测灵敏度。检测精度比较低。

单波长双光路法：基本原理如图3所示，红外光被分成两束光分别进入检测气室和参考气室。参考气体室内一般装入的是不含待测气体的空气。因为通入气体室的红外光来自同一光源，并且检测通过气体室后的红外光强的传感器特性相同，所以由于红外光源的波动、温度漂移、器件的漂移等因素对两路实验的影响是相同的，待测气体的浓度的大小与二者的比值成正比，这样以上因素对两路信号的影响就抵消掉了，降低了测量的误差，从而提高了检测结果的准确性。

图3 单波长双光路法基本流程框图

Fig.3 Single wavelength double beam method basic flow diagram

由Lamber-Beer 定律可知

)exp()()()

exp()()(''0201L KC I I KCL I I -=-=λλλλ (2)

C ’为参考气体室中待测气体的浓度，所以C ’=0.两个气体室的红外光由同一光源发出，并且通过气体室前的光强相同，即

)()('00λλI I = (3)

则由式(2)中两式相比可得

)

()(ln 1

12λλI I KL C = (4) 但是对于单波长双光路来说，必须保证两条光路严格的可参比性，对元器件的要求很高，两套光路、电路的差异无法真正消除，单波长光源的发光光谱带宽要小，中心波长会随温度升高而变化，要严格控制光源的外壳温度及内核温度，使光源波长与吸收峰对准，此方案的精度不高。

双波长单光路法：基本原理如图4所示，两种不同波长的红外光通过充满被测气体的气室。经过参考滤光片后的光气体不吸收，经过测量滤光片后的光为强吸收波长。由于两路光通过同一光路，所以外界影响相同，相对单波长双光路法更精确。

图4 双波长单光路法基本流程框图

Fig.4 Dual wavelength single beam method basic flow diagram

综合以上论述，我们采用双波长单光路法。

2.5 传感器结构设计

图5是传感器的结构简图。图中防尘罩主要作用是过滤气体中的颗粒物，以免影响测量结果。其中红外探测器分为参考端和测量端。

图5 传感器结构图

Fig.5 Sensor structure diagram

3 甲烷浓度检测仪

3.1 系统设计

1、气室长度

为了提高传感器的灵敏度，需要尽量增加气室的长度，以保证红外辐射被气体充分吸收，然而随着气室长度的增加，探测器输出的强度也逐渐减小。考虑到上述两方面的要求，气室的长度定为 4cm 。

2、光源选择

德国PerkinElmer 公司的IRL715中红外光源,是一种白炽灯泡，它发出的光覆盖可见光到4.4μm 的波段，由于甲烷在 3.3μm 附近存在强吸收峰，所以它适合作为红外甲烷气体传感器的红外辐射激励源。光源

参考滤光片 测量滤光片 气室 探测器 数据采集处理