紅外氣體傳感器，更方便的氣體檢測工具

引言：紅外氣體傳感器是一種基于不同氣體分子的近紅外光譜選擇吸收特性，利用氣體濃度與吸收強度關系（朗伯-比爾Lambert-Beer定律）鑒別）鑒別氣體組分并確定其濃度的氣體傳感裝置。其廣泛應用于石油化工、冶金工業、工礦開采、大氣污染檢測、農業、醫療衛生等領域。

       它與其它類別氣體傳感器如電化學式、催化燃燒式、半導體式等相比具有應用廣泛、使用壽命長、靈敏度高、穩定性好、適合氣體多、性價比高、維護成本低、可在線分析等等一系列優點。NDIR紅外氣體分析儀作為一種快速、準確的氣體分析技術在實際應用中十分普遍。NDIR儀器市場份額中國外占有率在74%左右，早先國內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，采用鎳锘絲加電機機械調制紅外光源，采用薄膜電容微音器或InSb等作為傳感器。采用電機機械調制，儀器功耗大，且穩定性差，儀器造價也很高。

       原理及技術演化

       分子中的電子總是處在某一種運動狀態中，每一種狀態都具有一定的能量，屬于一定的能級。 電子由于受到光、熱、電的激發，從一個能級轉移到另一個能級，稱為躍遷。當這些電子吸收了外來輻射的能量，就從一個能量較低的能級躍遷到另一個能量較高的能級。由于分子內部運動所牽涉到的能級變化比較復雜，分子吸收光譜也就比較復雜。在分子內部除了電子運動狀態之外，還有核間的相對運動，即核的振動和分子繞重心的轉動。而振動能和轉動能，按量子力學計算是不連續的，即具有量子化的性質。所以，一個分子吸收了外來輻射之后，它的能量變化△E為其振動能變化△Ev、轉動能變化△Er以及電子運動能量變化△Ee的總和。

       物質對不同波長的光線具有不同的吸收能力，物質也只能選擇性地吸收那些能量相當于該分子振動能變化△Ev 、轉動能變化△Er以及電子運動能量變化△Ee總和的輻射。由于各種物質分子內部結構的不同，分子的能級也千差萬別，各種能級之間的間隔也互不相同，這樣就 決定了它們對不同波長光線的選擇吸收。

       如果改變通過某一吸收物質的入射光的波長，并記錄該物質在每一波長處的吸光度（A），然后以波長為橫坐標，以吸光度為縱坐標作圖，得到的譜圖稱為該物質的吸收光譜或吸收曲線。某物質的吸收光譜反映了它在不同的光譜區域內吸收能力的分布情況，可以從波形、波峰的強度和位置及其數目，研究物質的內部結構。分子的振動能量比轉動能量大，當發生振動能級躍遷時，不可避免地伴隨有轉動能級的躍遷，所以無法測量純粹的振動光譜，而只能得到 分子的振動-轉動光譜，這種光譜稱為紅外吸收光譜。紅外吸收光譜是一種分子吸收光譜。當樣品受到頻率連續變化的紅外光照射時，分子吸收某些頻率的輻射，并由其振動或轉動運動引起偶極矩的凈變化，產生分子振動和轉動能級從基態到激發態的躍遷，使相應于這些吸收區域的透射光強度減弱。記錄紅外光的百分透射比與波數或波長關系曲線，就得到紅外光譜。

       隨著紅外光學材料及微電子封裝技術的發展，紅外探測器在其封裝上固定安裝有針對不同氣體的窄帶干涉濾光片。通過使用固定有不同波長濾光片的的紅外傳感器，可以實現對不同氣體的測量。

       優缺點

       首先，紅外傳感器的應用很廣，在檢測很多種的氣體中都使用到它，而且它的可靠性很高，選擇性很好，精度也高，沒有毒，受到環境的干擾較小，壽命比較長，對氧氣不依賴等等的優點，在未來的市場中很可能會成為主流的。當然，它也有缺點，因為處在剛剛起步的階段，技術不夠精湛，而且市場上很少，制造的成本比較高，這些種種的缺點對它在市場上的使用都有一定的限制。但是，希望在未來的技術發展中，可以發現更多更好的技術讓它變得更加成熟，更加實用，在市場上的占有位置更高。

       市場及動態

       NDIR紅外氣體分析儀作為一種快速、準確的氣體分析技術在實際應用中十分普遍。NDIR儀器市場份額中國外占有率在74%左右，早先國內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，采用鎳锘絲加電機機械調制紅外光源，采用薄膜電容微音器或InSb等作為傳感器。采用電機機械調制，儀器功耗大，且穩定性差，儀器造價也很高。采用薄膜電容微音器作為傳感使得儀器對震動十分敏感，因此不適合便攜測量。隨著紅外光源、傳感器及電子技術的發展，NDIR紅外氣體傳感器在國外得到了迅速的發展，它無機械調制裝置，采用新型紅外傳感器及電調制光源，在儀器電路上采用了低功耗嵌入式系統，使得儀器在體積、功耗、性能、價格上具有以往儀器無法比擬的優勢。

       未來一段時間，使用半導體和催化原理的氣體檢測儀器儀表依靠著價格優勢仍會占據部分低端市場。電化學傳感器及檢測儀器，在精度要求高的低濃度毒性氣體、有機蒸汽、酒精氣體、氧氣監測領域綜合優勢突出。紅外氣體傳感器及儀器適用于監測各種易燃易爆、二氧化碳氣體，具有精度高、選擇性好、可靠性高、不中毒、不依賴于氧氣、受環境干擾因素較小、壽命長等顯著優點。這些優點將導致電化學、紅外原理的氣體檢測儀器占領更廣泛的行業高端市場，并在未來逐步成為市場主流。