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分解
紅外氣體傳感器知識
03
紅外氣體傳感器
定義：紅外氣體傳感器是一種基於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係(朗伯-比爾Lambert-Beer定律)鑑別氣體組分並確定其濃度的氣體傳感裝置。
原理：由不同原子構成的分子會有獨特的振動、轉動頻率，當其受到相同頻率的紅外線照射時,就會發生紅外吸收，從而引起紅外光強的變化，通過測量紅外線強度的變化就可以測得氣體濃度。
需要說明的是，振動、轉動是兩種不同的運動形態，這兩種運動形態會對應不同的紅外吸收峰，振動和轉動本身也有多樣性，因此一般情況下一種氣體分子會有多個紅外吸收峰。
根據單一的紅外吸收峰位置只能判定氣體分子中有什麼基團，精確判定氣體種類需要看氣體在中紅外區所有的吸收峰位置即氣體的紅外吸收指紋。
在已知環境條件下，根據單一紅外吸收峰的位置可以大致判定氣體的種類。由於在零下273攝氏度即絕對零度以上的一切物質都會產生紅外幅射，紅外幅射與溫度正相關，因此，同催化元件一樣，為消除環境溫度變化引起的紅外幅射的變化，紅外氣體傳感器中會由一對紅外探測器構成。
一個完整的紅外氣體傳感器由紅外光源、光學腔體、紅外探測器和信號調理電路構成。
紅外吸收原理只能測不同原子構成的分子。由於同一分子內部運動的多樣性使其具有多種不同的振動頻率和轉動頻率，因此，對紅外吸收的分子會有不同個吸收峰。另外，具有相同化學鍵的分子(如水和酒精分子中的氫氧鍵)會有相近的吸收峰，干擾由此產生。
為什麼紅外氣體傳感器不能測量氧氣、氫氣、氮氣等由相同原子構成的氣體分子?
舉例： 月亮和地球、地球和太陽靠萬有引力連接，分子內部原子間靠化學鍵連接。如果二者是理想球體而且沒有其它萬有引力干擾則地球軌道將是圓的，實際上上面兩個條件都不成立，因此其軌道是橢圓的，也就是地球和太陽之間的距離不停地在短半徑和長半徑之間轉換，即振動，只是振動週期長達一年，在這個過程中，地球處於短半徑點和長半徑點時，它和太陽之間的引力是不同的，即能量級別不同。
同理，在分子內部原子間靠化學鍵連接，原子間的空間距離、角度、方向由於電子分佈的不均衡而不停發生變化，即振動、轉動，而且不同的分子會有獨特的振動、轉動頻率,當遇到相同頻率的紅外線照射時會產生諧振、原子間距離和電子分佈發生變化即偶極距發生變化，紅外吸收就是這樣產生的(紫外吸收同理)。
以上內容中包含紅外吸收的兩個基本條件：諧振、偶極距變化，這兩個條件同時滿足才能產生紅外吸收。
氧氣、氫氣、氮氣等由同一種原子構成的分子為什麼沒有紅外吸收峰？兩個基本條件：一是氣體分子振動頻率與照射的紅外線頻率相同，二是偶極距變化。不難理解，第一個條件容易滿足，第二個條件無可能性。
相同原子構成的分子正負電荷中心完全重疊，即偶極距為零，其結果是電子在分子中的分佈是均衡的，以紅外光本身的低能量密度特徵，其照射不會改變這種均衡，更不可能使分子電離，即不會導致能量變化。而不同原子構成的分子：以水(蒸氣)分子為例，分子中電子的分佈偏向氧這端，即微觀上水分子中氫那一端呈正電性,氧那一端呈負電性，正負電荷中心是不重疊的，即偶極矩不為零，這是因為氧吸引電子的能力比氫強的緣故。
在與水分子振動、轉動頻率相同的紅外線照射時，會使電子在水分子中的分佈更偏向氧一端，導致氫和氧的平均距離變短，即偶極距變短，能量變高，即水分子受到紅外照射時會從低能級躍遷到高能級，紅外吸收就是這樣產生的。
可以簡單理解：紅外線與相同原子組成的分子相遇時，由於相同原子組成的分子是理想的彈性球體，兩者的相互作用是完全彈性碰撞，只有能量交換，沒有能量轉移。不同原子組成的分子與紅外線相互作用則有能量轉移。因此，紅外吸收原理不能測相同原子構成的分子。
延伸 ：
非色散紅外吸收氣體傳感器
非色散：白光通過三稜鏡會被分為七色光即赤、橙、黃、綠、青、藍、紫，這個三稜鏡就是一個分光系統，能把七色光分開。
有分光系統的光學系統即色散型光學系統,無分光系統的光學系統即非色散性。
非色散系統簡易、可靠、小巧、廉價。平時我們感受到的白光、紫外、紅外光都是不同頻率、波長混合成的光，而單頻率、單波長的光即單色光。
前面講到只有紅外線的頻率和氣體分子振動、轉動頻率相同時才會產生紅外吸收，理論上在設計氣體傳感器時，我們希望用單色光去照射氣體或者照射後我們用設置光柵(濾光片)的辦法獲得單色光。
非色散紅外氣體傳感器通常由光源、光學腔體、濾光片(光柵)、探測器和信號調理電路構成，在傳感器中濾光片和探測器是一體的。
紅外氣體傳感器優點：
1、除了相同原子組成的氣體，所有氣體都可以測。
2、全量程。
3、傳感過程本身不會干擾傳感。
紅外氣體傳感器缺點：
1、昂貴。紅外氣體傳感器本質上是紅外幅射導致探測器溫度變化進而是電性能變化的溫度傳感器，傳感過程複雜。
要求系統有如下特徵:
光源必須有穩定的紅外幅射；光學腔體物理化學性質穩定；濾光片及紅外探測器穩定。
這些問題，合理的工藝技術本身能較好的解決，但是製造成本高，導致價格昂貴。
2、選擇性弱。在普通的以寬頻紅外光源加濾光片加探測器設計中，濾光片本身不能實現理想的選擇性濾光，因此干擾尤其是水的干擾一直存在。
選擇性的問題深層原因在於很多不同的氣體分子會有相同的化學鍵，即有相近甚至重疊的紅外吸收。
3、粉塵、背景幅射、強吸附及氣、液、固易發生轉換的檢測對象都會對檢測結果造成影響。
PS常識補充：
近紅外波長：0.7um~2.0um；
中紅外波長：2.0um~15um。
氣體吸收峰:每一種氣體的吸收峰不止一個，如：甲烷在近紅外1.3um，1.65um；中紅外2.6um、3.31um，3.43um，6.5um等處都有吸收峰。
激光光源：最接近單色光的光源。
我們大概容易想到，同一氣體分子的振動、轉動的多樣性導致其有多個吸收峰；含有相同化學鍵的分子會有相近的吸收峰。因此紅外傳感器的技術發展路徑很清楚，單色光源、集成化、微型化、低功耗。
目前最大的問題：近紅外區只有個別波長有較廉價的激光器做單色光，而且在近紅外區氣體吸收較弱。在氣體對紅外的強吸收區中紅外區，激光器製造工藝複雜，激光材料、理論及器件未有商業價值突破，導致中紅外激光器極昂貴，這嚴重限制了紅外氣體傳感器在複雜環境下的應用。
在常見的氣體中目前二氧化碳是紅外原理最強的應用，也是基於節能的最具商業前景的應用，其次是甲烷。
煒盛 MH-Z19B紅外CO2傳感器
紅外氣體傳感器與其它類別氣體傳感器如半導體式、電化學式、催化燃燒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、性價比高等一系列優點。其廣泛應用於石油化工、冶金工業、工礦開採、大氣汙染檢測、農業、醫療衛生等領域。
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