團隊進行紅外非分光氣體檢測模塊的研究與開發(fā)已經(jīng)有10年，這10年看過了國內(nèi)外90%以上紅外氣體檢測儀器的內(nèi)部結構、技術路線以及具體實現(xiàn)，對紅外非分光氣體檢測有了相對深入的了解。本文結合實際，對形式多樣的紅外氣體檢測設備的實現(xiàn)方式進行梳理和分析，使大家能在較短時間內(nèi)對紅外氣體分析技術有一個全面清晰的認識和判斷。
另外，如想實際了解各類紅外氣體分析技術方案的成本分析，可點擊本文頂部《氣體分析技術》關注本公眾號，回復NDIR，瀏覽干貨文章《紅外氣體檢測分析四大方案實際成本分析與比較》。
光學氣體檢測方法是氣體檢測領域最活躍的分支，相對其他方法，這是一種高大上的存在。在光學氣體檢測這個家族中，包括了不食人間煙火的腔衰蕩、拉曼等激光相關的氣體檢測技術、在環(huán)保領域當主力打頭陣的紫外差分光譜和紅外傅里葉光譜技術、逐漸走向平民的紅外非色散氣體檢測技術（NDIR）。
利用紅外光進行氣體分析檢測的方法包括進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（NDIR），盡管都采用了紅外光的吸收作用進行氣體分析檢測，但業(yè)界常說的紅外氣體檢測一般特指非分光氣體分析技術（NDIR）。
二、基本原理
紅外氣體檢測技術就是利用不同的氣體對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，紅外氣體檢測傳感器的基本組成結構如圖2所示。
圖2 紅外氣體檢測傳感器的基本組成結構
基本結構中包括紅外光源、紅外光檢測器、氣室、溫度壓力傳感器以及單片機控制系統(tǒng)。紅外光源發(fā)出紅外光，經(jīng)過氣室中的被測氣體被吸收后的光到達檢測器。由于光源發(fā)出的是寬譜光，待測氣體可能有多種氣體能吸收不同波長的光，因此要求檢測必須只能檢測待測氣體所在波長的光能，這樣通過光能比較就可進行氣體檢測。
為了提高信噪比，一般光源發(fā)出的光都需要進行調(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，我們就要對該技術所涉及的幾個關鍵部件有清晰的認識。根據(jù)NDIR的基本原理可知，其基本實現(xiàn)需要光源、紅外檢測器、氣室、單片機控制與檢測子系統(tǒng)、濾光片幾個部分。
按照檢測器實現(xiàn)方式不同包括薄膜微音檢測器、微流檢測器、熱釋電檢測器、熱電堆檢測器、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）可用檢測器
紅外氣體分析中可用的檢測器如表2所示。
表2 紅外氣體分析中可用的檢測器
（3）常見氣室結構
紅外氣體分析技術中常見的氣室結構見表3所示。
表3 常見紅外氣體分析技術中氣室結構
四、幾種不同組合方案的性能比較
從前面總結的各種核心部件看，NDIR技術可以多很多種組合，但由于種種原因（這里不再深入介紹，有興趣可關注作者公眾號進行探討），總結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器+雙通道氣室
該方案我們簡稱薄膜微音/微流方案，是一個經(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，這類光源制造時需要豐富的經(jīng)驗和仔細的篩選，可以達到很高的穩(wěn)定性和較長的壽命。但由于無法進行調(diào)制，因此必須采用一個電機帶動扇葉轉動，通過擋光和不擋光形成調(diào)制，提高信噪比，該方法稱為機械切光。
檢測器方面一般采用設計構思巧妙的薄膜微音器和微流。薄膜微音器是在檢測器中密封被測氣體，利用被測氣體吸收光能后的熱脹冷縮導致薄膜震動，產(chǎn)生有用信號。微流采用類似原理，在檢測器中密封進被測氣體，利用被測氣體吸收光能后的熱脹冷縮導致檢測器內(nèi)部氣體在兩個相通的小腔內(nèi)流動形成微流，從而帶走通道上發(fā)熱的電阻絲的熱量，導致電阻變化形成有用信號。
兩種檢測器都能達到很高的靈敏度，但需要較大功率的光源，且檢測器制作較復雜，且沒有通用性，需要專門為這類應用設計，因此門檻較高。至今，相比其他紅外氣體檢測方案，這一方案在微量氣體檢測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器一般都需采用雙通道氣室，一個氣室進行檢測，另一氣室密封氮氣等無吸收氣體，作為參比。當然也有比如日本富士就采用機械切光、單通道氣室加薄膜微音檢測器。
方案二：MEMS黑體光源或可調(diào)制白熾燈+熱釋電檢測器+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械切光，檢測器制作復雜，導致生產(chǎn)制造的門檻較高，無法大規(guī)模推廣應用。
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械切光，采用方波供電即可進行調(diào)制，大大簡化了結構。
圖4 熱釋電紅外氣體檢測模塊
由于這兩種光源功率較小，在檢測器方面熱釋電檢測器成為很好的選擇，而且現(xiàn)代封裝工藝可以在一個小型的結構中封裝兩個熱釋電檢測器，且兩路檢測器前采用兩種不同的窄帶濾光片，一種是被測氣體具有吸收的波長上，另一種不在吸收波長上，即一路測量一路參比。因此結構上可采用單通道氣室。
該方案總體具有結構簡單，合適大規(guī)模制造的有點，性能上除了在微量檢測方面弱于方案一以外，其他方面已經(jīng)達到方案一的水平。
方案三：可調(diào)制白熾燈+熱電堆檢測器+單通道氣室或開放光路
方案三我們簡稱熱電堆方案。在一些應用中，如農(nóng)業(yè)大棚和建筑通風系統(tǒng)中測量CO2，仍然認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）應運而生。
相比熱釋電檢測器，熱電堆檢測器擁有更明顯的成本優(yōu)勢，但相對而言穩(wěn)定性和響應速度略遜一籌。方案三和方案二具有類似的結構，且兩種檢測器封裝兼容，結構上可替換。只需采用不同的檢測電路。在這一應用中，為進一步降低成本，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。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CO2、CH4等常見氣體進行檢測。
方案四：Led光源+半導體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，以及中遠紅外PD管出現(xiàn)，采用LED光源加PD管檢測器成為一種新的選擇。
在低成本應用方面，由于led出射光是一種準窄帶光源，要求不高的條件下無需窄帶濾光片也可實現(xiàn)檢測。在大規(guī)模應用中，該方案甚至比方案三更有成本優(yōu)勢。
在高性能應用方面，由于led光源可實現(xiàn)幾千Hz的調(diào)制頻率，PD管檢測器具有極高的響應速度，可在幾千Hz調(diào)制下進行信號檢測，可達到很高的信噪比。配合高精度溫控以及雙窄帶濾光片，可實現(xiàn)優(yōu)于方案二的檢測性能。
表4 四種方案比較
五、未來展望
作為重要的氣體分析技術，NDIR法仍然具有較強的活力，我們認為薄膜微音/微流方案已經(jīng)達到該技術的檢測極限，數(shù)十年來，該方案沒有明顯變化，但它仍然是超微量檢測的首選，比如空分行業(yè)應中測量0~5ppm的CO2。
熱釋電方案仍處于發(fā)展過程中，其發(fā)展也朝著兩個方向進行，一個是降成本；另一個是提性能。由于熱電堆方案存在的性能上的缺陷，如何將MEMS檢測器加熱釋電方案應用于報警，提高響應速度和穩(wěn)定性是熱釋電方案的方向之一。另外，如何提高檢測靈敏度和穩(wěn)定性，從而在更多應用中替代薄膜微音/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，可以更容易的實現(xiàn)高靈敏度，在技術上有希望碾壓所有其他紅外氣體分析方案。
后記
紅外氣體分析技術經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，并且還在不斷發(fā)展，實現(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到理想效果，紅外多組分氣體同時分析如何實現(xiàn)等等，歡迎關注微信公眾號，深入探討。
