气体传感器3

简介

    光学式气体传感器常用的有红外线气体传感器、紫外线气体传感器、光电比色式气体传感器、化学发光式气体传感器、光散射式气体传感器等。

    红外线气体传感器是利用被测气体的红外吸收光谱特征或热效应实现气体浓度测量的，分为DIR（色散红外线式）和 NDIR（非色散红外线式），常用的红外光谱范围1～25μm，可实现量程0-100ppm，精度0-1vol%。

紫外线气体传感器包括有不分光紫外线气体传感器和紫外荧光式气体传感器，前者与红外线气体传感器原理类似，通过光的选择吸收和比尔定律实现，使用光谱范围200～400nm。后者紫外荧光式是通过紫外的荧光效应实现，通过紫外激发气体分子产生特征荧光，检测特征荧光的强度获得气体的浓度。

NDIR气体传感器

    NDIR（非色散红外线式）气体传感器具有高精度、高选择性、高可靠性以及超长的使用寿命等优势，有取代传统的电化学传感器的趋势。理论上具有十年以上的寿命。

    但由于NDIR气体传感器基本原理所限，只对具有非对称分子结构的气体有较强的吸收。所以NDIR气体传感器只能用于测量SO2、NO、CO2、CO、CH4、N2O等气体。而对于O2、H2、N2等具有对称分子结构的气体则无能为力。

    构成NDIR气体传感器的三个核心元件是：红外光源、红外探测器和吸收气室。

    单通道NDIR气体传感器，内部集成了一个敏感元件及一个窄带滤波镜片。双通道NDIR气体传感器在单通道的基础上，增加了一个参考通道。

    目前市场上大部分NDIR气体传感器只针对某单一气体进行测量，技术比较成熟，如英国city的IRcel系列传感器。复合气体传感器是基于NDIR技术的最新一类，在一个红外探测器上集成多个通道的滤波镜片和敏感元件，可以同时测量多种气体。

    基于NDIR技术的气体传感器准确度指标总体上要高于电化学类的传感器，在全量程范围内精度可以到达±3%，而电化学传感器只能达到±5%。

    传感器所处的环境温度、气压对传感器的准确度会产生非常大的影响，所以为保证准确度需要进行一定的补偿；如在多个工作温度点进行温度补偿，使用金属材料的外壳改善温度性能。

    构成吸收气室的内表面必须对红外线有比较高的反射系数以提高光利用率。一款高性能的NDIR气体传感器，由于灯丝使用老化，发光效率衰减，为保证传感器的长期稳定性需要选择优秀的红外光源。

   光源在点亮的时候会产生热量，因为这个热量的存在，系统达到一个稳定的热平衡状态需要一定的时间，即需要在开机时有一个预热过程，通常在2分钟以内都是能够接受的，如果通过结构设计或电子辅助，可以将这个预热过程缩短到30s以内。

    NDIR气体传感器进气方式有强吸式和扩散式两种。强吸式气体传感器由气泵驱动，流量可以达到0.5~1.0L/m，响应速度比较快。对于扩散式气体传感器，响应速度与进气口的开口相关。

PID光离子化气体传感器

 光离子气体传感器（Photo Ionization Detector）可用于检测10ppb到10000ppm(1%)的挥发性有机化合物（VOC）和其它有毒气体。具有便携式、体积小、精度高（ppm级）高分辨、响应快、可以连续工作、实时性、安全性高等重要优点，同类还有火焰离子化检测器（FID）。

 光离子化技术就是利用光电离检测器来电离和检测特定的易挥发有机化合物。光电离检测器可探测那些气体电离势能在紫外光源辐射能量水平之下的气体，其高能紫外辐射可使空气中大多数有机物和部分无机物电离，但仍保持空气中的基本成分如N2、O2、CO2、H20不被电离（这些物质的电离电位大于11eV）。

 PID传感器由紫外灯光源和离子室等主要部分构成，离子室有正负电极，待测气体在紫外灯的照射下离子化，生成正负离子在电极间形成电流（电极间导通性），电流经放大处理为输出信号。

    光离子化一个最显著的特点就是气体离子可以重新复合成原来的气体和蒸气，也就是说对被检测物质不具破坏性。

 但是光离子化气体传感器通过电离电流检测信号，无法对物质进行分辨，需要与其他技术如离子迁移谱（IMS）搭配。离子迁移谱技术可看作带电粒子在电场力中运动，因为自身质量带电量等不同各自迁移速率不同，使得不同的离子得到分离，依据到达探测电极的时间上先后关系被分离确认。据悉在IMS基础上研制的高场非对称波形离子迁移谱技术（FAIMS）已经进入了技术实用化和商业化阶段。

 1974年前后PID取得了突破性进展，一种窗口材料把紫外灯与光离子化池分开，而成为两个互不干扰的独立空间，允许紫外灯在近真空的状态下进行放电，而灯的紫外辐射几乎无损失地进入电离室。用这种技术设计的PID传感器在检测能力上提高了几个数量级而进入了实用阶段。