- 手機：15813803551
- 電話：15813803551
- 郵箱：info@reddot-instrument.com
- 地址：廣東省深圳市福田區(qū)宏威路67號城投青蓮B棟19F房
紅外連續(xù)氣體分析儀的光學系統(tǒng)部件
紅外氣體分析儀主要由發(fā)送器和測量電路兩大部分構成，發(fā)送器可算作紅外氣體分析儀的“心臟”，它將被測組分的濃度變化轉(zhuǎn)化為某種電參數(shù)的變化，再通過相應的測量電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。發(fā)送器又由光學系統(tǒng)和檢測器兩部分組成，光學系統(tǒng)的構成部件主要有：紅外輻射光源組件，包括紅外輻射光源、反射體和切光（頻率調(diào)制）裝置；氣室和濾光元件，包括測量氣室、參比氣室、濾波氣室和干涉濾光片。
按發(fā)光體的種類分，紅外輻射光源有合金絲光源、陶瓷光源、半導體光源等；按光能輸出形式分，有連續(xù)光源和斷續(xù)光源兩類；按輻射光譜的特征分，有廣譜（寬譜）光源和干涉光源兩類；從光路結(jié)構考慮，又有單光源和雙光源之分。
在不同發(fā)光體的紅外輻射光源中，合金絲光源多采用鎳鉻絲，繞制成螺旋形或錐形。鎳鉻絲被加熱到700℃左右，其輻射光譜的波長主要集中在2～12μm范圍內(nèi)。合金絲光源的優(yōu)點是光譜波長非常穩(wěn)定，能長時期高穩(wěn)定性工作。缺點是長期工作會產(chǎn)生微量氣體揮發(fā)。
陶瓷光源是通過對兩片陶瓷夾層之間印刷在上面的黃金加熱絲加熱，使得陶瓷片受熱后發(fā)射出紅外光。陶瓷光源的優(yōu)點是壽命長，物理性能特別穩(wěn)定，不產(chǎn)生微量氣體，是密封式安全隔爆的。缺點是易受溫度影響，對控制它的電氣參數(shù)敏感。
半導體光源包括紅外發(fā)光二極管（IRLED）和半導體激光光源兩類。半導體光源的譜線寬度很窄，可將其集束成焦平面陣列以形成多譜帶光譜，再使用二極管陣列檢測器檢測，發(fā)射波長與半導體材料有關。半導體光源的優(yōu)點是可以工業(yè)化生產(chǎn)，價格便宜。缺點是對溫度極為敏感，光譜波長穩(wěn)定性較差。
以光能輸出形式分類的光源中，連續(xù)光源是指其發(fā)出的光能量（輻射）是連續(xù)不斷的，即輻射光能量不隨時間發(fā)生變化。斷續(xù)光源是隨時間變化的，如脈沖光源。
以輻射光譜特征分類的光源中，廣譜光源的覆蓋波長是從1μm到15～20μm，寬譜光源通常在2～5μm。干涉光源以激光為典型，是一種高度單色性的相干光，其譜線寬度極小，通常只有幾個nm，優(yōu)點是背景干擾可以忽略不計。
以光路結(jié)構分類的光源中，單光源用于單光路和雙光路兩種光學系統(tǒng)，優(yōu)點是避免了雙光源性能不一致帶來的誤差，但缺點是要做到兩束光的能量基本相等，在安裝和調(diào)試上難度很大。雙光源僅用于雙光路系統(tǒng)，其優(yōu)缺點恰好與單光源相反，安裝、調(diào)試容易，但調(diào)整兩路光的平衡難度較大。
在反射體和切光（頻率調(diào)制）裝置中，反射體主要是保證紅外光以平行光形式發(fā)射，減少因折射造成的能量損失。因此，對反射體的反射面要求很高，表面不易氧化且反射效率高。切光（頻率調(diào)制）裝置包括切光片和切光馬達，切光片由切光馬達帶動，其作用是把紅外光變成斷續(xù)的光，即對紅外光進行頻率調(diào)制。使的檢測器產(chǎn)生的信號成為交流信號，便于放大器放大。
在氣室和濾光元件中，測量氣室和參比氣室的結(jié)構基本相同，外形都是圓筒形，筒的兩端用晶片密封。測量氣室連續(xù)地通過待測氣體，參比氣室完全密封并充有中性氣體（多為N2）。氣室的主要技術參數(shù)有：長度、直徑和內(nèi)壁粗糙度。而氣室的窗口材料（晶片）通常安裝在氣室端頭，既要保證整個氣室的氣密性，同時要具有高的透光率，還能起到部分濾光的作用。因此要求晶片應有高的機械強度，對特定波長有高的“透明度”，還要耐腐蝕、潮濕，抗溫度變化等。窗口材料所使用的晶片材料有多種，如：ZnS（硫化鋅）、ZnSe（硒化鋅）、BaF2（氟化鋇）、CaF2（氟化鈣，螢石）、LiF2 （氟化鋰）、NaCl（氯化鈉）、KCl（氯化鉀）、SiO2（熔融石英）、藍寶石等。其中氟化鈣和熔融石英晶片使用最廣泛。
紅外線氣體分析儀中常用的濾光元件有兩種，一種是早期采用且現(xiàn)在仍在使用的濾波氣室，一種是現(xiàn)在普遍采用的干涉濾光片。濾波氣室的結(jié)構和參比氣室一樣，只是長度較短。濾波氣室內(nèi)部充有干擾組分氣體，吸收其相對應的紅外能量以抵消被測氣體中干擾組分的影響。濾光片則是一種形式簡單的波長選擇器，它是基于各種不同的光學現(xiàn)象（吸收、干涉、選擇性反射、偏振等）而工作的。從應用上看，濾光片是一種待測組分選擇器，而濾波氣室是一種干擾組分過濾器。
檢測器
薄膜電容檢測器又稱薄膜微音檢測器，由金屬薄膜片動極和定極組成電容器，當接收氣室內(nèi)的氣體壓力受紅外輻射能的影響而變化時，推動電容動片相對于定片移動，把被測組分濃度變化轉(zhuǎn)變成電容量變化。結(jié)構如圖3所示，薄膜電容檢測器結(jié)構簡圖。薄膜材料以前多為鋁鎂合金，厚度為5～8μm，近年來則多采用鈦膜，其厚度僅為3μm。定片與薄膜間的距離為0.1～0.03mm，電容量為40～100pF ，兩者之間的絕緣電阻＞105MΩ。
接收氣室的結(jié)構有并聯(lián)型（左、右氣室并聯(lián)）和串聯(lián)型（前、后氣室并聯(lián)）兩種，圖3所示為并聯(lián)型。薄膜電容檢測器是紅外線氣體分析儀長期使用的傳統(tǒng)檢測器。
優(yōu)點是溫度變化影響小、選擇性好、靈敏度高，但須密封并按交流調(diào)制方式工作。缺點是薄膜易受機械振動的影響，接收氣室漏氣即使有微漏也會導致檢測器失效，調(diào)制頻率不能提高，放大器制作比較困難，體積較大等。
微流量檢測器是一種利用敏感元件的熱敏特性測量微小氣體流量變化的檢測器。其傳感元件是兩個微型熱絲電阻，和另外兩個輔助電阻組成惠斯通電橋。
熱絲電阻通電加熱至一定溫度，當有氣體流過時，帶走部分熱量使熱絲元件冷卻，電阻變化，通過電橋轉(zhuǎn)變成電壓信號。
微流量傳感器中的熱絲元件有兩種，一種是柵狀鎳絲電阻，簡稱鎳格柵，它是把很細的鎳絲編織成柵欄狀制成的。這種鎳格柵垂直裝配于氣流通道中，微氣流從格柵中間穿過。另一種是鉑絲電阻，在云母片上用超微技術光刻上很細的鉑絲制成。這種鉑絲電阻平行裝配于氣流通道中，微氣流從其表面通過。
測量管內(nèi)裝有兩個柵狀鎳絲電阻，和另外兩個輔助電阻組成惠斯通電橋。鎳絲電阻由恒流電源供電加熱至一定溫度。當流量為零時，相對于測量管中心的上下游是對稱的，電橋處于平衡狀態(tài)。當氣體流過時，氣流將上游的部分熱量帶給下游，導致溫度分布變化如實線所示，由電橋測出兩個鎳絲電阻阻值的變化，得到其溫度差ΔT，然后利用質(zhì)量流量與氣體含量的關系計算出被測
氣體的實際濃度。
當使用某一特定范圍的氣體時，質(zhì)量流量qm可理解為與鎳絲電阻之間的溫度差ΔT成正比，Oa段為儀表正常測量范圍，測量管出口處氣流不會帶走熱量；超過a點后，流量增大到有部分熱量被帶走時呈現(xiàn)非線性，流量超過b點時則大量熱量被帶走。
半導體檢測器是利用半導體的光電效應原理制成的，當紅外光照射到半導體元件上時，半導體元件會吸收光子能量后使非導電性的價電子躍遷至高能量的導電帶，從而降低半導體的電阻，引起電導率的改變，所以又稱其為光電導檢測器或光敏電阻檢測器。
半導體檢測器使用的材料主要有銻化銦（InSb）、硒化鉛（PbSe）、硫化鉛（PbS）、碲鎘汞（HgCdTe）等。紅外氣體分析儀大多采用銻化銦檢測器，也有采用硒化鉛、硫化鉛檢測器的。銻化銦檢測器在紅外波長3～7μm范圍內(nèi)具有高響應率，在此范圍內(nèi)CO、CO2、CH4、C2H2、NO、SO2、NH3等幾種氣體均有吸收帶，其響應時間僅為5×10－6 s 。
半導體檢測器的結(jié)構簡單、成本低、體積小、壽命長、響應迅速。與氣動檢測器相比，它采用更高的調(diào)制頻率，使信號的放大處理更為容易。它與窄帶干涉濾光片配合使用，可以制成通用性強、快速響應的紅外氣體分析儀。缺點是半導體元件受溫度變化影響大。
熱釋電檢測器是基于紅外輻射產(chǎn)生的熱效應為原理的檢測器，分為把多支熱電偶串聯(lián)在一起形成的熱電堆檢測器和以熱電晶體的熱釋電效應為原理的熱釋電檢測器兩類。熱電堆檢測器的優(yōu)點是長期穩(wěn)定性好，但它對溫度非常敏感，不適合作為精密儀器的檢測器，多用在紅外型可燃氣體檢測器。熱釋電檢測器的優(yōu)點是波長響應范圍廣、檢測精度較高、反應快，可在室溫的條件下工作。以前多用在傅里葉變換紅外分析儀中，響應速度很快，實現(xiàn)高速掃描?，F(xiàn)在也已廣泛用在紅外氣體分析儀中。
在晶體的兩個端面上加直流電場，晶體內(nèi)部的正負電荷向陰極和陽極表面移動，使得晶體的一個表面帶正電，另一個表面帶負電，出現(xiàn)極化現(xiàn)象。對大多數(shù)晶體來說，當去掉外加電場后，極化狀態(tài)就會消失，但有一類叫“鐵電體”的晶體例外，外加電場去掉后，它仍能保持原來的極化狀態(tài)。鐵電體的特性是溫度愈高則極化強度愈低，溫度愈低則極化強度愈高，當溫度升高到一定值時，極化狀態(tài)會突然消失。利用已極化的鐵電體，隨著溫度升高其表面積聚電荷降低，即相當于釋放電荷，利用極化強度隨溫度轉(zhuǎn)移這一現(xiàn)象制成的檢測器稱為熱釋電檢測器。
熱釋電檢測器常用的晶體材料是硫酸三苷肽（NH2CH2COOH）3H2SO4 （TGS）、氘化硫酸三苷肽（DTGS）和鉭酸鋰（LiTaO3 ）。為減小機械振蕩和熱傳導的損失，檢測器被封裝成管，管內(nèi)抽真空或充氪等氣體。
