红外气体传感器的工作原理

红外气体传感器是一种基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。 它与其他类别气体传感器如电化学式、催化燃烧式、半导体式等相比具有应用广泛、使用寿命长、灵敏度高、稳定性好、适合气体多、性价比高、维护成本低、可在线分析等一系列优点，广泛应用于石油化工、冶金工业、工矿开采、大气污染检测、农业、医疗卫生等领域。

分予中的电子总是处在某一种运动状态中，每一种状态都具有一定的能量，属于一定的能级。电子由于受到光、热、电的激发，从一个能级转移到另一个能级，称为跃迁。当这些电子吸收了外来辐射的能量，就从一个能量较低的能级跃迁到另一个能量较高的能级。由于分子内部运动所牵涉的能级变化比较复杂，分子吸收光谱也就比较复杂。在分子内部除了电子运动状态之外，还有核间的相对运动，即核的振动和分子绕重心的转动。而振动能和转动能，按量子力学计箅是不连续的，即具有量子化的性质。所以，一个分子吸收了外来辐射之后，它的能量变化AE为其振动能变化AEy、转动能变化AEr以及电f运动能量变化AEe的总和。

物质对不同波长的光线具有不同的吸收能力，物质也只能选择性地吸收那些能量相当于该分子振动能变化AE．、转动能变化AEr以及电子运动能量变化△最总和的辐射。

由于各种物质分子内部结构的不同，分子的能级也千差万别，各种能级之间的间隔也互不相同，这样就决定了它们对不同波长光线的选择吸收。

如果改变通过某一吸收物质的入射光的波长，并记录该物质在每一波长处的吸光度（A），然后以波长为横坐标、以吸光度为纵坐标作图，得到的谱图称为该物质的吸收光谱或吸收曲线。某物质的吸收光谱反映了它在不同的光谱区域内吸收能力的分布情况，可以从波形、波峰的强度和位置及其数目，研究物质的内部结构。分子的振动能量比转动能量大，当发生振动能级跃迁时，不可避免地伴随有转动能级的跃迁，所以无法测量纯粹的振动光谱，而只能得到分子的振动．转动光谱，这种光谱称为红外吸收光谱。红外吸收光谱是一种分子吸收光谱。当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收某些频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线，就得到红外光谱。

当红外线波长与被测气体吸收谱线相吻合时，红外能量被吸收。红外光线穿过被测气体后的光强衰减满足朗伯．比尔（ Lambert-Beer）定律。气体浓度越大，对光的衰减也越大。因此，可通过测量气体对红外光线的衰减来测量气体浓度。为了保证数呈线性关系，当待测组分浓度大时，分析器的测量气室较短，最短的为0.3mm;当浓度低时，测量气室较长，最长的大于200mm。经吸收后剩余的光能用红外检测器检测。

分光是指用棱镜或光栅进行分光，把光源发出的红外线分成完全对称的两束光：参考光束与样品光束。它们经半圆形调制镜调制，交替地进入单色仪的狭缝，通过棱镜或光栅分光后由热电偶检测两束光的强度差。当样品光束的光路中没有样品吸收时，热电偶不输出信号。一旦放入测试样品，样品吸收红外光，两束光有强度差产生，热电偶便有约10Hz的信号输出，经过放大后输至机，调节参考光束光路上的光楔，使两束光的强度重新达到平衡，由笔的记录位萱直接指出了某一波长的样品透射率，波数的连续变化就自动记录了样品的红外吸收光谱或透射光谱。基于这样原理的气体传感器就称为分光红外气体传感器。

随着红外光学材料及微电子封装技术的发展，红外探测器在其封装上固定安装有针对不同气体的窄带干涉滤光片。通过使用固定有不同波长滤光片的红外传感器，可以实现对不同气体的测量。

热释电材料是一种具有自发极化的电介质，它的自发极化强度随温度变化，可用热释电系数p来描述，p=dPldT （P为极化强度，F为温度）。在恒定温度下，材料的自发极化被体内的电荷和表面吸附电荷所中和。如果把热释电材料做成表面垂直于极化方向的平行薄片，当红外辐射入射到薄片表面时，薄片因吸收辐射而发生温度变化，引起极化强度的变化。而中和电荷由于材料的电阻率高跟不上

这一变化，其结果是薄片的两表面之间出现瞬态电压。若有外电阻跨接在两表面之间，电荷就通过外电路释放出来。电流的大小除与热释电系数成正比外，还与薄片的温度变化率成正比，可用来测量入射辐射的强弱。

热释电型红外探测器都是用硫酸三甘酞（TGS）和钽酸锂（LiTa03）等优质热释电材料（p的数量级为10-8C/Kcm2）的小薄片作为响应元，加上支架、管壳和窗口等构成。它在室温工作时，对波长没有选择性。

热电堆的结构辐射接收面分为若干块，每块接一个热电偶，把它们串联起来，就构成热电堆。按用途不同，实用的热电堆可以制成细丝型和薄膜型，亦可制成多通道型和阵列型器件。带红外带通滤波器的传感器应用于红外吸收气体探测。

热释电和热电堆型红外探测器的根本区别在于，后者利用响应元的温度升高值来测量红外辐射，响应时间取决于新的平衡温度的建立过程，时间比较长，不能测量快速变化的辐射信号。而热释电型探测器所利用的是温度变化率，因而能探测快速变化的辐射信号。这种探测器在室温工作时的探测率可达D：：1～2x109cm．Hz/W。20世纪70年代中期以来，这种探测器在实验室的光谱测量中逐步取代温差电型探测器和气动型探测器。

利用这些窗口滤波红外探测器，不用进行分光，从而可以直接测量对应滤波片波段也即相应气体

吸收波段的红外光强度，这样的气体传感器称为非分光红外（NDIR）气体传感器。

近红外C02传感器如图2-7所示。