一、前言

    非對(duì)稱分子（含有不同原子）可以在特非對(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，稱帶對(duì)于某種分子是確定的、標(biāo)準(zhǔn)的，稱為“物質(zhì)指紋物質(zhì)指紋”。

    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*的檢測(cè)CO和CO2zui有效的分析手段。

    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)，在連續(xù)污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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。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幚砗螅o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。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。

• 注意事項(xiàng)

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、除塵處理。

    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；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CO2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*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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