吸收光譜型氣體紅外傳感器的研究

0紅外傳感器的分類氣體檢測的關鍵部分是氣體傳感器。氣體傳感器從原理上可分為4類:電學類、光學類、電化學類及其他類。利用氣體的光學特性來檢測氣體成分和濃度的傳感器為光學類氣體傳感器。根據具體的光學原理可分為紅外吸收式、可見光吸收光度式、光干涉式、化學發光式和試紙光電光度式、光離子化式等。常見的紅外傳感器有2類:熱探測器和光子探測器,后者也叫半導體傳感器。熱探測器是利用入射紅外輻射引起敏感元件的溫度變化,使其物理參數發生相應變化,通過測量有關物理參數的變化可確定探測器所吸收的紅外輻射。光子探測器是利用某些半導體材料在紅外輻射的照射下,產生光子效應,使材料的電學性質發生變化,通過測量電學性質的變化可以確定紅外輻射的強弱。文中的吸收光譜型氣體紅外傳感器是光學類氣體傳感器。1氣體吸收特性紅外光譜吸收法是利用雙原子分子對紅外光具有特定吸收峰這一特性來實現的,某種氣體只對應吸收某種波段處的紅外光能量,這個波段就稱為這一氣體的特定紅外吸收峰,它并不與其他氣體吸收峰干擾,而吸收的能量與氣體在紅外光區內的濃度有關,可以通過設計某種設備裝置來檢測氣體的濃度。紅外光由一系列處于紅外頻率的單色光組成。大部分非對稱雙原子和多原子分子(CH4,H2O,NH3CO,C2H2,SO2,NO和NO2等)在紅外區都有自己特征頻率的吸收頻率。氣體吸收紅外光最強的頻率為該氣體的特征吸收頻率。光穿過氣體時,特征頻率譜線光能就會被氣體吸收,從而使該頻率的光能量減弱。每種氣體在紅外輻射波段都有一條或若干條自己的特征吸收譜線。圖1為氣體吸收峰原理圖。當一定頻率強度為I0的入射紅外光穿過氣體時,氣體吸收自己特征頻率紅外光的能量后,使出射光能量減弱為I,即I=I0exp(-μcL)(1)式中:μ為氣體吸收系數;c為待測氣體濃度;L為光程長度。這就是lambert-beer定律。設入射光是平行光,其強度為I0,出射光的強度為I,氣體介質的厚度為L.當由氣體介質中的分子數dN的吸收所造成的光強減弱為dI時,根據lambert-beer吸收定律dI/I=-KdN式中K為比例常數。經積分得lnI=-KN+α(2)式中:N為吸收氣體介質的分子總數;α為積分常數。顯然有N∝c,c為氣體濃度,則式(1)可寫成I=exp(α)exp(-KN)=exp(α)exp(-μcL)=I0exp(-μcL)(3)式(3)表明,光強在氣體介質中隨濃度c及厚度L按指數規律衰減。吸收系數取決于氣體特性,各種氣體的吸收系數μ不同。對同一氣體,μ隨入射波長而變。若吸收介質中含i種吸收氣體,則式(2)應改為I=I0exp(-l∑μici)(4)因此對于多種混合氣體,為了分析特定組分,應該在傳感器或紅外光源前安裝1個適合分析氣體吸收波長的窄帶濾光片,使傳感器的信號變化只反映被測氣體濃度變化。為了計算方便,將式(1)化為直接求濃度的表達式c=A/(μL)(5)式中:A為吸收度,A=ln(I0/I).A數值大小只與氣體特性和入射光頻率有關,而對于固定好的氣室和確定好的被測氣體,μ、L都是固定的,因此只要通過測量光線入射前后能量的變化就可以求出吸收度,由式(5)計算氣體的濃度。2紅外探測裝置通常紅外探測器都是利用MEMS工藝以及先進的集成技術把探測元件和濾光片有序地集成在1個小腔內,雙通道分離排列,原理如圖2所示。簡單的紅外探測裝置由3個主要部分組成:紅外探測器、紅外LED、光學氣室。而檢測裝置的測量精度和準確度等特性則取決于這幾個方面的優化設計程度。圖3為氣體傳感器設計原理圖,由圖可見探測系統的構成和基本設計思路。3微封裝技術圖4為傳感器集成化示意圖,采用MEMS工藝將紅外雙路敏感元件及濾光片制作成探測頭,然后通過微封裝技術進行可靠性封裝,再利用微小集成技術將探測頭、紅外光源、過濾網集成在30mm×30mm的鍍膜氣室內,使其具備防塵、防爆等功能。圖5為熱釋電探頭等效電路圖。4結果圖6為實驗的氣體測試曲線。能看到檢測系統具有一定的一致性趨勢,滿足一定的曲線關系,具有很好的重復性。5氣體及液體制氫氣的檢測特點吸收光譜型氣體紅外傳感器具有以下優點:(1)選擇性好。在對混合氣體檢測時,各種氣體吸收各自對應的特征頻率光譜,互相獨立,互不干擾;(2)不易受有害氣體的影響而中毒、老化;(3)響應速度快,穩定性好。采用紅外吸收原理檢測氣體,在開機相對短的時間內就能正常工作,當濃度發生變化時,也比其他檢測方法能及時做出響應;(4)防爆性好。紅外吸收原理采用光信號作為檢測工作的信號,需要