非色散紅外氣體傳感器在消防設計中的應用

■ 趙發軍

一、引言

非色散紅外（NDIR）氣體傳感器是一種基于不同氣體分子的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-比爾定律）鑒別氣體組分并確定其濃度的氣體傳感裝置。作為一種快速、準確的氣體分析技術，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。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，用于氣體濃度的高精度測量，如瓦斯及可燃氣檢測、汽車尾氣分析、煤氣成分分析、醫療監護設備、污染物監測等。

近年來，NDIR氣體傳感器在國外得到了迅速的發展，其市場份額國外占有率在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，采用鎳鉻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氣體傳感器也迅速發展，它無機械調制裝置，采用新型紅外傳感器及電調制光源，儀器電路中采用了低功耗嵌入式系統，使儀器在體積、功耗、性能、價格上具有以往儀器無法比擬的優勢。

二、NDIR氣體傳感器的原理

NDIR氣體傳感器是基于氣體的吸收光譜隨物質的不同而存在差異的原理制成的。不同氣體分子化學結構不同，對不同波長的紅外輻射的吸收程度就不同。因此，不同波長的紅外輻射依次照射到樣品物質時，某些波長的輻射能被樣品物質選擇吸收而變弱，產生紅外吸收光譜，當知道某種物質的紅外吸收光譜時，便能從中獲得該物質在紅外區的吸收峰。同一種物質不同濃度時，在同一吸收峰位置有不同的吸收強度，吸收強度與濃度成正比關系。不同氣體分子化學結構不同，對應于不同的吸收光譜，而每種氣體在其光譜中，對特定波長的光有較強的吸收。通過檢測氣體對光的波長和強度的影響，便可以確定氣體的濃度。

一些常見氣體都有吸收峰，如果光源光譜覆蓋1個或多個氣體吸收線，光通過氣體時就會發生衰減，基于朗伯-比爾定律，輸出光強度（I）、輸入光強度（I0）和待測氣體濃度（C）之間的關系為公式1：

式中αm為摩爾分子吸收系數；L為光和氣體的作用長度。

對公式1進行變換，得到公式2：

從公式2可以知道，當L、αm已經確定，則可以通過檢測輸入光強度（I0）和輸出光強度（I）而可以確定被測氣體的濃度C。同時可以根據特定波長的光譜強度的變化而判別氣體分子的種類。

如圖1所示，NDIR氣體傳感器由兩個并列的結構相同的光學系統組成。一個叫參比腔，另一個叫測量腔。紅外光源發出光的波長覆蓋被測氣體的特征波長，通過窄帶濾光器的調節，在參比腔通道內，紅外光源信號被調在待測氣體無吸收的頻帶上。而測量腔通道內，紅外光源被調在待測氣體的吸收頻帶上。在測量腔內，被測氣體吸收了部分特定波長的光，探測器檢測出特定波長的信號強度與參比腔內出來的信號強度相比較，經過系統處理后即可得出各種氣體的濃度。

圖1 NDIR紅外氣體傳感器工作結構示意圖

三、NDIR氣體傳感器在消防中的應用

傳統的火災探測器如感溫探測器、感煙探測器、感火焰探測器，其探測原理多是基于火災中的溫度變化或者利用火災煙霧、火焰的電學、光學等物理特性來進火災識別，這種識別模式很難可靠地發現早期火災，往往會引起誤報警。而通過檢測燃燒過程中生成的化學物可以在很大程度上改善探測性能，實現早期火災探測，盡量減少火警的誤報。

在火災現場，燃燒生成的氣體主要有CO、CO2、NOx、CH4、SO2、NH3等。Jackson、William以及Daniel等在實驗室對火災早期的特征氣體進行了詳盡的試驗研究。指出CO和CO2是絕大多數火災早期的特征產物，是實現火災早期探測的理想參數，尤其是在火災陰燃初期CO的體積分數就開始直線上升。國內學者利用傅立葉變換紅外光譜技術的研究也得到類似結論。而紅外氣體傳感器是目前最精確的實現對這些火災現場燃燒生成氣體的定性及定量分析的氣體探測技術之一。它具有良好的氣體選擇性和極低的誤報警，能連續測試分析氣體并有高的靈敏度和良好的穩定性，這些優勢使紅外探測技術在火災探測中正逐步引起廣泛重視，并且逐步在醫療、企業等場所投入使用。

20年來，針對制約紅外氣體傳感器廣泛應用的成本高、功耗大等缺陷，科研工作者開展了大量的工作。Wong等人在美國專利US 5163332提出采用一種叫“波導”盒的擴散型氣室結構，不僅提高了光路的穿透效率，而且能夠有效降低煙霧粉塵等大于0.1μm的顆粒進入氣室，影響傳感器的探測。這一設計不僅保留并提升了NDIR所具有的優異探測性能，而且能夠將NDIR氣體傳感器的體積縮小，降低成本。

美國專利US 7335885中提供了一種超低功耗NDIR傳感器，它是基于多種選擇性氣體的吸收光譜帶來判別火災的發生，主要針對的是CO2、H2O和CO三種氣體。它利用CO2氣體在15.1μm的吸收峰取代常用的4.26μm的吸收峰、利用H2O在6.27μm的吸收取代常用的2.67μm的吸收，保持CO在4.67μm處的特征吸收峰。幾個檢測特征峰的往長波移動，有效降低了對紅外光源的溫度要求，從而實現了對紅外氣體傳感器功耗降低的目標。

復旦大學的紀新明等人利用直接電調制的紅外輻射源、窄帶濾光片和高靈敏度的TGS熱釋電紅外探測器自行設計并組裝了一種用于火災探測的NDIR氣體傳感器，很大程度上降低了系統的成本和體積，提高了探測靈敏度，可以達到幾十個微量級的探測極限，而響應時間均小于20 s，具有較好的穩定性。

JongSeon Park等利用溫度補償器很好的提高了NDIR CO2氣體傳感器的溫度穩定性。不同溫度條件下，在CO2濃度為1 000 ppm和2 000 ppm時，測量誤差分別僅有±30ppm和±50 ppm。結合溫度補償器的應用，在很大程度上為NDIR氣體傳感器穩定性的進一步提高提供一種技術手段。

四、總結

以往，由于人們對NDIR氣體傳感器缺乏了解，加上早期的傳感器產品探測靈敏度低、功耗高、成本高等，NDIR氣體傳感器的應用受到了限制。近年來，NDIR氣體探測技術有了一定的突破，功耗顯著降低，靈敏度有所提高，傳感器的壽命可以能達到10年以上，能夠為火災早期預警及探測提供足夠的性能保障。