非色散红外气体传感器在消防设计中的应用

2014-12-17赵发军

水上消防 2014年3期

■ 赵发军

一、引言

非色散红外（NDIR）气体传感器是一种基于不同气体分子的红外光谱选择吸收特性、利用气体浓度与吸收强度关系（朗伯-比尔定律）鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。作为一种快速、准确的气体分析技术，它与其它类别气体传感器如电化学式、催化燃烧式、半导体式等相比，具有应用广泛、使用寿命长、灵敏度高、稳定性好、适合气体多、性价比高、维护成本低、可在线分析等等一系列优点。其广泛应用于石油化工、冶金工业、工矿开采、大气污染检测、农业、医疗卫生等领域，用于气体浓度的高精度测量，如瓦斯及可燃气检测、汽车尾气分析、煤气成分分析、医疗监护设备、污染物监测等。

近年来，NDIR气体传感器在国外得到了迅速的发展，其市场份额国外占有率在74 %左右。早先国内NDIR气体分析仪的主要厂家大都采用八十年代初的红外气体分析方法，采用镍铬丝加电机机械调制红外光源，采用薄膜电容微音器或InSb等作为传感器。采用电机机械调制，仪器功耗大，且稳定性差，仪器造价也很高。采用薄膜电容微音器作为传感使得仪器对震动十分敏感，因此不适合便携测量。随着红外光源、传感器及电子技术的发展，NDIR气体传感器也迅速发展，它无机械调制装置，采用新型红外传感器及电调制光源，仪器电路中采用了低功耗嵌入式系统，使仪器在体积、功耗、性能、价格上具有以往仪器无法比拟的优势。

二、NDIR气体传感器的原理

NDIR气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的。不同气体分子化学结构不同，对不同波长的红外辐射的吸收程度就不同。因此，不同波长的红外辐射依次照射到样品物质时，某些波长的辐射能被样品物质选择吸收而变弱，产生红外吸收光谱，当知道某种物质的红外吸收光谱时，便能从中获得该物质在红外区的吸收峰。同一种物质不同浓度时，在同一吸收峰位置有不同的吸收强度，吸收强度与浓度成正比关系。不同气体分子化学结构不同，对应于不同的吸收光谱，而每种气体在其光谱中，对特定波长的光有较强的吸收。通过检测气体对光的波长和强度的影响，便可以确定气体的浓度。

一些常见气体都有吸收峰，如果光源光谱覆盖1个或多个气体吸收线，光通过气体时就会发生衰减，基于朗伯-比尔定律，输出光强度（I）、输入光强度（I0）和待测气体浓度（C）之间的关系为公式1：

式中αm为摩尔分子吸收系数；L为光和气体的作用长度。

对公式1进行变换，得到公式2：

从公式2可以知道，当L、αm已经确定，则可以通过检测输入光强度（I0）和输出光强度（I）而可以确定被测气体的浓度C。同时可以根据特定波长的光谱强度的变化而判别气体分子的种类。

如图1所示，NDIR气体传感器由两个并列的结构相同的光学系统组成。一个叫参比腔，另一个叫测量腔。红外光源发出光的波长覆盖被测气体的特征波长，通过窄带滤光器的调节，在参比腔通道内，红外光源信号被调在待测气体无吸收的频带上。而测量腔通道内，红外光源被调在待测气体的吸收频带上。在测量腔内，被测气体吸收了部分特定波长的光，探测器检测出特定波长的信号强度与参比腔内出来的信号强度相比较，经过系统处理后即可得出各种气体的浓度。

图1 NDIR红外气体传感器工作结构示意图

三、NDIR气体传感器在消防中的应用

传统的火灾探测器如感温探测器、感烟探测器、感火焰探测器，其探测原理多是基于火灾中的温度变化或者利用火灾烟雾、火焰的电学、光学等物理特性来进火灾识别，这种识别模式很难可靠地发现早期火灾，往往会引起误报警。而通过检测燃烧过程中生成的化学物可以在很大程度上改善探测性能，实现早期火灾探测，尽量减少火警的误报。

在火灾现场，燃烧生成的气体主要有CO、CO2、NOx、CH4、SO2、NH3等。Jackson、William以及Daniel等在实验室对火灾早期的特征气体进行了详尽的试验研究。指出CO和CO2是绝大多数火灾早期的特征产物，是实现火灾早期探测的理想参数，尤其是在火灾阴燃初期CO的体积分数就开始直线上升。国内学者利用傅立叶变换红外光谱技术的研究也得到类似结论。而红外气体传感器是目前最精确的实现对这些火灾现场燃烧生成气体的定性及定量分析的气体探测技术之一。它具有良好的气体选择性和极低的误报警，能连续测试分析气体并有高的灵敏度和良好的稳定性，这些优势使红外探测技术在火灾探测中正逐步引起广泛重视，并且逐步在医疗、企业等场所投入使用。

20年来，针对制约红外气体传感器广泛应用的成本高、功耗大等缺陷，科研工作者开展了大量的工作。Wong等人在美国专利US 5163332提出采用一种叫“波导”盒的扩散型气室结构，不仅提高了光路的穿透效率，而且能够有效降低烟雾粉尘等大于0.1μm的颗粒进入气室，影响传感器的探测。这一设计不仅保留并提升了NDIR所具有的优异探测性能，而且能够将NDIR气体传感器的体积缩小，降低成本。

美国专利US 7335885中提供了一种超低功耗NDIR传感器，它是基于多种选择性气体的吸收光谱带来判别火灾的发生，主要针对的是CO2、H2O和CO三种气体。它利用CO2气体在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处的特征吸收峰。几个检测特征峰的往长波移动，有效降低了对红外光源的温度要求，从而实现了对红外气体传感器功耗降低的目标。

复旦大学的纪新明等人利用直接电调制的红外辐射源、窄带滤光片和高灵敏度的TGS热释电红外探测器自行设计并组装了一种用于火灾探测的NDIR气体传感器，很大程度上降低了系统的成本和体积，提高了探测灵敏度，可以达到几十个微量级的探测极限，而响应时间均小于20 s，具有较好的稳定性。

JongSeon Park等利用温度补偿器很好的提高了NDIR CO2气体传感器的温度稳定性。不同温度条件下，在CO2浓度为1 000 ppm和2 000 ppm时，测量误差分别仅有±30ppm和±50 ppm。结合温度补偿器的应用，在很大程度上为NDIR气体传感器稳定性的进一步提高提供一种技术手段。