團(tuán)隊(duì)進(jìn)行紅外非分光氣體檢測(cè)模塊的研究與開發(fā)已經(jīng)有10年，這10年看過了國內(nèi)外90%以上紅外氣體檢測(cè)儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、技術(shù)路線以及具體實(shí)現(xiàn)，對(duì)紅外非分光氣體檢測(cè)有了相對(duì)深入的了解。本文結(jié)合實(shí)際，對(duì)形式多樣的紅外氣體檢測(cè)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行梳理和分析，使大家能在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)紅外氣體分析技術(shù)有一個(gè)全面清晰的認(rèn)識(shí)和判斷。
另外，如想實(shí)際了解各類紅外氣體分析技術(shù)方案的成本分析，可點(diǎn)擊本文頂部《氣體分析技術(shù)》關(guān)注本公眾號(hào)，回復(fù)NDIR，瀏覽干貨文章《紅外氣體檢測(cè)分析四大方案實(shí)際成本分析與比較》。
光學(xué)氣體檢測(cè)方法是氣體檢測(cè)領(lǐng)域最活躍的分支，相對(duì)其他方法，這是一種高大上的存在。在光學(xué)氣體檢測(cè)這個(gè)家族中，包括了不食人間煙火的腔衰蕩、拉曼等激光相關(guān)的氣體檢測(cè)技術(shù)、在環(huán)保領(lǐng)域當(dāng)主力打頭陣的紫外差分光譜和紅外傅里葉光譜技術(shù)、逐漸走向平民的紅外非色散氣體檢測(cè)技術(shù)（NDIR）。
利用紅外光進(jìn)行氣體分析檢測(cè)的方法包括進(jìn)行分光的紅外傅里葉光譜法（FTIR）、采用單色光的激光吸收光譜法（TDLAS）、以及采用窄帶濾光片的非分光氣體分析技術(shù)（NDIR），盡管都采用了紅外光的吸收作用進(jìn)行氣體分析檢測(cè)，但業(yè)界常說的紅外氣體檢測(cè)一般特指非分光氣體分析技術(shù)（NDIR）。
二、基本原理
紅外氣體檢測(cè)技術(shù)就是利用不同的氣體對(duì)不同波長的光具有吸收作用這一特性制作而成。
如圖1就是常見氣體在不同波長的吸收譜線圖。
圖1 常見氣體在不同波長的吸收譜線圖
基于這一特性，紅外氣體檢測(cè)傳感器的基本組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 紅外氣體檢測(cè)傳感器的基本組成結(jié)構(gòu)
基本結(jié)構(gòu)中包括紅外光源、紅外光檢測(cè)器、氣室、溫度壓力傳感器以及單片機(jī)控制系統(tǒng)。紅外光源發(fā)出紅外光，經(jīng)過氣室中的被測(cè)氣體被吸收后的光到達(dá)檢測(cè)器。由于光源發(fā)出的是寬譜光，待測(cè)氣體可能有多種氣體能吸收不同波長的光，因此要求檢測(cè)必須只能檢測(cè)待測(cè)氣體所在波長的光能，這樣通過光能比較就可進(jìn)行氣體檢測(cè)。
為了提高信噪比，一般光源發(fā)出的光都需要進(jìn)行調(diào)制，即亮暗交替，可去除緩慢變化的一些干擾因素。
三、紅外氣體核心部件
要想全面理解紅外氣體分析技術(shù)，我們就要對(duì)該技術(shù)所涉及的幾個(gè)關(guān)鍵部件有清晰的認(rèn)識(shí)。根據(jù)NDIR的基本原理可知，其基本實(shí)現(xiàn)需要光源、紅外檢測(cè)器、氣室、單片機(jī)控制與檢測(cè)子系統(tǒng)、濾光片幾個(gè)部分。
按照檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)方式不同包括薄膜微音檢測(cè)器、微流檢測(cè)器、熱釋電檢測(cè)器、熱電堆檢測(cè)器、PD管；按照光源分為繞制鎳鮥絲和鉑金絲光源、可調(diào)制小白熾燈、MEMS黑體可調(diào)制光源、可高頻調(diào)制led光源。氣室根據(jù)是否設(shè)置參考通道分為單通道和雙通道。
（1）紅外光源
紅外氣體分析中可用的光源如表1所示。
表1 紅外氣體分析可用光源
（2）可用檢測(cè)器
紅外氣體分析中可用的檢測(cè)器如表2所示。
表2 紅外氣體分析中可用的檢測(cè)器
（3）常見氣室結(jié)構(gòu)
紅外氣體分析技術(shù)中常見的氣室結(jié)構(gòu)見表3所示。
表3 常見紅外氣體分析技術(shù)中氣室結(jié)構(gòu)
四、幾種不同組合方案的性能比較
從前面總結(jié)的各種核心部件看，NDIR技術(shù)可以多很多種組合，但由于種種原因（這里不再深入介紹，有興趣可關(guān)注作者公眾號(hào)進(jìn)行探討），總結(jié)起來主要有以下四種類型的方案。
方案一：鎳锘絲/鉑金絲光源+薄膜微音或微流檢測(cè)器+雙通道氣室
該方案我們簡稱薄膜微音/微流方案，是一個(gè)經(jīng)典方案，代表廠家如西門子、北分麥哈克、橫河、ABB等老牌廠家。
圖3 西門子微流紅外檢測(cè)模塊
90年代以前由于MEMS工藝、led光源尚未得到很好的發(fā)展，因此在光源方面采用鎳锘絲或鉑金絲繞制光源成為唯一選擇，這類光源制造時(shí)需要豐富的經(jīng)驗(yàn)和仔細(xì)的篩選，可以達(dá)到很高的穩(wěn)定性和較長的壽命。但由于無法進(jìn)行調(diào)制，因此必須采用一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)，通過擋光和不擋光形成調(diào)制，提高信噪比，該方法稱為機(jī)械切光。
檢測(cè)器方面一般采用設(shè)計(jì)構(gòu)思巧妙的薄膜微音器和微流。薄膜微音器是在檢測(cè)器中密封被測(cè)氣體，利用被測(cè)氣體吸收光能后的熱脹冷縮導(dǎo)致薄膜震動(dòng)，產(chǎn)生有用信號(hào)。微流采用類似原理，在檢測(cè)器中密封進(jìn)被測(cè)氣體，利用被測(cè)氣體吸收光能后的熱脹冷縮導(dǎo)致檢測(cè)器內(nèi)部氣體在兩個(gè)相通的小腔內(nèi)流動(dòng)形成微流，從而帶走通道上發(fā)熱的電阻絲的熱量，導(dǎo)致電阻變化形成有用信號(hào)。
兩種檢測(cè)器都能達(dá)到很高的靈敏度，但需要較大功率的光源，且檢測(cè)器制作較復(fù)雜，且沒有通用性，需要專門為這類應(yīng)用設(shè)計(jì)，因此門檻較高。至今，相比其他紅外氣體檢測(cè)方案，這一方案在微量氣體檢測(cè)中仍具有不可替代的地位。
氣室方面采用薄膜微音和微流檢測(cè)器一般都需采用雙通道氣室，一個(gè)氣室進(jìn)行檢測(cè)，另一氣室密封氮?dú)獾葻o吸收氣體，作為參比。當(dāng)然也有比如日本富士就采用機(jī)械切光、單通道氣室加薄膜微音檢測(cè)器。
方案二：MEMS黑體光源或可調(diào)制白熾燈+熱釋電檢測(cè)器+單通道氣室
方案二我們簡稱熱釋電方案。由于薄膜微音/微流方案需要采用機(jī)械切光，檢測(cè)器制作復(fù)雜，導(dǎo)致生產(chǎn)制造的門檻較高，無法大規(guī)模推廣應(yīng)用。
隨著MEMS黑體光源和可調(diào)制白熾燈的出現(xiàn)，使得紅外光源可以不用機(jī)械切光，采用方波供電即可進(jìn)行調(diào)制，大大簡化了結(jié)構(gòu)。
圖4 熱釋電紅外氣體檢測(cè)模塊
由于這兩種光源功率較小，在檢測(cè)器方面熱釋電檢測(cè)器成為很好的選擇，而且現(xiàn)代封裝工藝可以在一個(gè)小型的結(jié)構(gòu)中封裝兩個(gè)熱釋電檢測(cè)器，且兩路檢測(cè)器前采用兩種不同的窄帶濾光片，一種是被測(cè)氣體具有吸收的波長上，另一種不在吸收波長上，即一路測(cè)量一路參比。因此結(jié)構(gòu)上可采用單通道氣室。
該方案總體具有結(jié)構(gòu)簡單，合適大規(guī)模制造的有點(diǎn)，性能上除了在微量檢測(cè)方面弱于方案一以外，其他方面已經(jīng)達(dá)到方案一的水平。
方案三：可調(diào)制白熾燈+熱電堆檢測(cè)器+單通道氣室或開放光路
方案三我們簡稱熱電堆方案。在一些應(yīng)用中，如農(nóng)業(yè)大棚和建筑通風(fēng)系統(tǒng)中測(cè)量CO2，仍然認(rèn)為熱釋電方案成本太高，因此一種更低成本的方案（即熱電堆方案）應(yīng)運(yùn)而生。
相比熱釋電檢測(cè)器，熱電堆檢測(cè)器擁有更明顯的成本優(yōu)勢(shì)，但相對(duì)而言穩(wěn)定性和響應(yīng)速度略遜一籌。方案三和方案二具有類似的結(jié)構(gòu)，且兩種檢測(cè)器封裝兼容，結(jié)構(gòu)上可替換。只需采用不同的檢測(cè)電路。在這一應(yīng)用中，為進(jìn)一步降低成本，氣室可采用塑料注塑成型，然后表面鍍金屬的方式。因此，目前該方案具有最好的成本優(yōu)勢(shì)。但該方案由于白熾燈只能有5微米的最大波長，因此只能對(duì)CO2、CH4等常見氣體進(jìn)行檢測(cè)。
方案四：Led光源+半導(dǎo)體PD管+單通道氣室或開放光路
方案四我們簡稱Led方案。隨著LED光源的發(fā)展，以及中遠(yuǎn)紅外PD管出現(xiàn)，采用LED光源加PD管檢測(cè)器成為一種新的選擇。
在低成本應(yīng)用方面，由于led出射光是一種準(zhǔn)窄帶光源，要求不高的條件下無需窄帶濾光片也可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。在大規(guī)模應(yīng)用中，該方案甚至比方案三更有成本優(yōu)勢(shì)。
在高性能應(yīng)用方面，由于led光源可實(shí)現(xiàn)幾千Hz的調(diào)制頻率，PD管檢測(cè)器具有極高的響應(yīng)速度，可在幾千Hz調(diào)制下進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，可達(dá)到很高的信噪比。配合高精度溫控以及雙窄帶濾光片，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于方案二的檢測(cè)性能。
表4 四種方案比較
五、未來展望
作為重要的氣體分析技術(shù)，NDIR法仍然具有較強(qiáng)的活力，我們認(rèn)為薄膜微音/微流方案已經(jīng)達(dá)到該技術(shù)的檢測(cè)極限，數(shù)十年來，該方案沒有明顯變化，但它仍然是超微量檢測(cè)的首選，比如空分行業(yè)應(yīng)中測(cè)量0~5ppm的CO2。
熱釋電方案仍處于發(fā)展過程中，其發(fā)展也朝著兩個(gè)方向進(jìn)行，一個(gè)是降成本；另一個(gè)是提性能。由于熱電堆方案存在的性能上的缺陷，如何將MEMS檢測(cè)器加熱釋電方案應(yīng)用于報(bào)警，提高響應(yīng)速度和穩(wěn)定性是熱釋電方案的方向之一。另外，如何提高檢測(cè)靈敏度和穩(wěn)定性，從而在更多應(yīng)用中替代薄膜微音/微流方案，也是熱釋電方案的發(fā)展方向之一。
熱電堆方案已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但其性能存在的缺陷難以克服，因此發(fā)展前景不被看好。
Led方案以一種很有前景的方案，基于高速調(diào)制基礎(chǔ)，可以更容易的實(shí)現(xiàn)高靈敏度，在技術(shù)上有希望碾壓所有其他紅外氣體分析方案。
后記
紅外氣體分析技術(shù)經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，并且還在不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)形式多樣，很多問題無法在一篇文章中深入探討，比如除了文中所述四類方案外，其他的組合是否可以達(dá)到理想效果，紅外多組分氣體同時(shí)分析如何實(shí)現(xiàn)等等，歡迎關(guān)注微信公眾號(hào)，深入探討。
