■ 趙發(fā)軍

一、引言

非色散紅外（NDIR）氣體傳感器是一種基于不同氣體分子的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-比爾定律）鑒別氣體組分并確定其濃度的氣體傳感裝置。作為一種快速、準(zhǔn)確的氣體分析技術(shù)，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、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)。其廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金工業(yè)、工礦開采、大氣污染檢測(cè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域，用于氣體濃度的高精度測(cè)量，如瓦斯及可燃?xì)鈾z測(cè)、汽車尾氣分析、煤氣成分分析、醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備、污染物監(jiān)測(cè)等。

近年來，NDIR氣體傳感器在國外得到了迅速的發(fā)展，其市場(chǎng)份額國外占有率在74 %左右。早先國內(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，采用鎳鉻絲加電機(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氣體傳感器也迅速發(fā)展，它無機(jī)械調(diào)制裝置，采用新型紅外傳感器及電調(diào)制光源，儀器電路中采用了低功耗嵌入式系統(tǒng)，使儀器在體積、功耗、性能、價(jià)格上具有以往儀器無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

二、NDIR氣體傳感器的原理

NDIR氣體傳感器是基于氣體的吸收光譜隨物質(zhì)的不同而存在差異的原理制成的。不同氣體分子化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，對(duì)不同波長的紅外輻射的吸收程度就不同。因此，不同波長的紅外輻射依次照射到樣品物質(zhì)時(shí)，某些波長的輻射能被樣品物質(zhì)選擇吸收而變?nèi)?，產(chǎn)生紅外吸收光譜，當(dāng)知道某種物質(zhì)的紅外吸收光譜時(shí)，便能從中獲得該物質(zhì)在紅外區(qū)的吸收峰。同一種物質(zhì)不同濃度時(shí)，在同一吸收峰位置有不同的吸收強(qiáng)度，吸收強(qiáng)度與濃度成正比關(guān)系。不同氣體分子化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，對(duì)應(yīng)于不同的吸收光譜，而每種氣體在其光譜中，對(duì)特定波長的光有較強(qiáng)的吸收。通過檢測(cè)氣體對(duì)光的波長和強(qiáng)度的影響，便可以確定氣體的濃度。

一些常見氣體都有吸收峰，如果光源光譜覆蓋1個(gè)或多個(gè)氣體吸收線，光通過氣體時(shí)就會(huì)發(fā)生衰減，基于朗伯-比爾定律，輸出光強(qiáng)度（I）、輸入光強(qiáng)度（I0）和待測(cè)氣體濃度（C）之間的關(guān)系為公式1：

式中αm為摩爾分子吸收系數(shù)；L為光和氣體的作用長度。

對(duì)公式1進(jìn)行變換，得到公式2：

從公式2可以知道，當(dāng)L、αm已經(jīng)確定，則可以通過檢測(cè)輸入光強(qiáng)度（I0）和輸出光強(qiáng)度（I）而可以確定被測(cè)氣體的濃度C。同時(shí)可以根據(jù)特定波長的光譜強(qiáng)度的變化而判別氣體分子的種類。

如圖1所示，NDIR氣體傳感器由兩個(gè)并列的結(jié)構(gòu)相同的光學(xué)系統(tǒng)組成。一個(gè)叫參比腔，另一個(gè)叫測(cè)量腔。紅外光源發(fā)出光的波長覆蓋被測(cè)氣體的特征波長，通過窄帶濾光器的調(diào)節(jié)，在參比腔通道內(nèi)，紅外光源信號(hào)被調(diào)在待測(cè)氣體無吸收的頻帶上。而測(cè)量腔通道內(nèi)，紅外光源被調(diào)在待測(cè)氣體的吸收頻帶上。在測(cè)量腔內(nèi)，被測(cè)氣體吸收了部分特定波長的光，探測(cè)器檢測(cè)出特定波長的信號(hào)強(qiáng)度與參比腔內(nèi)出來的信號(hào)強(qiáng)度相比較，經(jīng)過系統(tǒng)處理后即可得出各種氣體的濃度。

圖1 NDIR紅外氣體傳感器工作結(jié)構(gòu)示意圖

三、NDIR氣體傳感器在消防中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的火災(zāi)探測(cè)器如感溫探測(cè)器、感煙探測(cè)器、感火焰探測(cè)器，其探測(cè)原理多是基于火災(zāi)中的溫度變化或者利用火災(zāi)煙霧、火焰的電學(xué)、光學(xué)等物理特性來進(jìn)火災(zāi)識(shí)別，這種識(shí)別模式很難可靠地發(fā)現(xiàn)早期火災(zāi)，往往會(huì)引起誤報(bào)警。而通過檢測(cè)燃燒過程中生成的化學(xué)物可以在很大程度上改善探測(cè)性能，實(shí)現(xiàn)早期火災(zāi)探測(cè)，盡量減少火警的誤報(bào)。

在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，燃燒生成的氣體主要有CO、CO2、NOx、CH4、SO2、NH3等。Jackson、William以及Daniel等在實(shí)驗(yàn)室對(duì)火災(zāi)早期的特征氣體進(jìn)行了詳盡的試驗(yàn)研究。指出CO和CO2是絕大多數(shù)火災(zāi)早期的特征產(chǎn)物，是實(shí)現(xiàn)火災(zāi)早期探測(cè)的理想?yún)?shù)，尤其是在火災(zāi)陰燃初期CO的體積分?jǐn)?shù)就開始直線上升。國內(nèi)學(xué)者利用傅立葉變換紅外光譜技術(shù)的研究也得到類似結(jié)論。而紅外氣體傳感器是目前最精確的實(shí)現(xiàn)對(duì)這些火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)燃燒生成氣體的定性及定量分析的氣體探測(cè)技術(shù)之一。它具有良好的氣體選擇性和極低的誤報(bào)警，能連續(xù)測(cè)試分析氣體并有高的靈敏度和良好的穩(wěn)定性，這些優(yōu)勢(shì)使紅外探測(cè)技術(shù)在火災(zāi)探測(cè)中正逐步引起廣泛重視，并且逐步在醫(yī)療、企業(yè)等場(chǎng)所投入使用。

20年來，針對(duì)制約紅外氣體傳感器廣泛應(yīng)用的成本高、功耗大等缺陷，科研工作者開展了大量的工作。Wong等人在美國專利US 5163332提出采用一種叫“波導(dǎo)”盒的擴(kuò)散型氣室結(jié)構(gòu)，不僅提高了光路的穿透效率，而且能夠有效降低煙霧粉塵等大于0.1μm的顆粒進(jìn)入氣室，影響傳感器的探測(cè)。這一設(shè)計(jì)不僅保留并提升了NDIR所具有的優(yōu)異探測(cè)性能，而且能夠?qū)DIR氣體傳感器的體積縮小，降低成本。

美國專利US 7335885中提供了一種超低功耗NDIR傳感器，它是基于多種選擇性氣體的吸收光譜帶來判別火災(zāi)的發(fā)生，主要針對(duì)的是CO2、H2O和CO三種氣體。它利用CO2氣體在15.1μm的吸收峰取代常用的4.26μm的吸收峰、利用H2O在6.27μm的吸收取代常用的2.67μm的吸收，保持CO在4.67μm處的特征吸收峰。幾個(gè)檢測(cè)特征峰的往長波移動(dòng)，有效降低了對(duì)紅外光源的溫度要求，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅外氣體傳感器功耗降低的目標(biāo)。

復(fù)旦大學(xué)的紀(jì)新明等人利用直接電調(diào)制的紅外輻射源、窄帶濾光片和高靈敏度的TGS熱釋電紅外探測(cè)器自行設(shè)計(jì)并組裝了一種用于火災(zāi)探測(cè)的NDIR氣體傳感器，很大程度上降低了系統(tǒng)的成本和體積，提高了探測(cè)靈敏度，可以達(dá)到幾十個(gè)微量級(jí)的探測(cè)極限，而響應(yīng)時(shí)間均小于20 s，具有較好的穩(wěn)定性。

JongSeon Park等利用溫度補(bǔ)償器很好的提高了NDIR CO2氣體傳感器的溫度穩(wěn)定性。不同溫度條件下，在CO2濃度為1 000 ppm和2 000 ppm時(shí)，測(cè)量誤差分別僅有±30ppm和±50 ppm。結(jié)合溫度補(bǔ)償器的應(yīng)用，在很大程度上為NDIR氣體傳感器穩(wěn)定性的進(jìn)一步提高提供一種技術(shù)手段。

四、總結(jié)

以往，由于人們對(duì)NDIR氣體傳感器缺乏了解，加上早期的傳感器產(chǎn)品探測(cè)靈敏度低、功耗高、成本高等，NDIR氣體傳感器的應(yīng)用受到了限制。近年來，NDIR氣體探測(cè)技術(shù)有了一定的突破，功耗顯著降低，靈敏度有所提高，傳感器的壽命可以能達(dá)到10年以上，能夠?yàn)榛馂?zāi)早期預(yù)警及探測(cè)提供足夠的性能保障。