红外气体传感器的工作原理解析

定义：红外光学原理的气体传感器是一种基于不同气体分子的近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Lambert-Beer定律）鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。

原理：由不同原子构成的分子会有独特的振动、转动频率，当其受到相同频率的红外线照射时，就会发生红外吸收，从而引起红外光强的变化，通过测量红外线强度的变化就可以测得气体浓度。

需要说明的是，振动、转动是两种不同的运动形态，这两种运动形态会对应不同的红外吸收峰，振动和转动本身也有多样性，因此一般情况下一种气体分子会有多个红外吸收峰。

根据单一的红外吸收峰位置只能判定气体分子中有什么基团，精确判定气体种类需要看气体在中红外区所有的吸收峰位置即气体的红外吸收指纹。

在已知环境条件下，根据单一红外吸收峰的位置可以大致判定气体的种类。由于在零下273摄氏度即绝对零度以上的一切物质都会产生红外幅射，红外幅射与温度正相关，因此，同催化元件一样，为消除环境温度变化引起的红外幅射的变化，红外气体传感器中会由一对红外探测器构成。

一个完整的红外气体传感器由红外光源、光学腔体、红外探测器和信号调理电路构成。

红外吸收原理只能测不同原子构成的分子。由于同一分子内部运动的多样性使其具有多种不同的振动频率和转动频率，因此，对红外吸收的分子会有不同个吸收峰。另外，具有相同化学键的分子（如水和酒精分子中的氢氧键）会有相近的吸收峰，干扰由此产生。

为什么红外气体传感器不能测量氧气、氢气、氮气等由相同原子构成的气体分子？

举例： 月亮和地球、地球和太阳靠万有引力连接，分子内部原子间靠化学键连接。如果二者是理想球体而且没有其它万有引力干扰则地球轨道将是圆的，实际上上面两个条件都不成立，因此其轨道是椭圆的，也就是地球和太阳之间的距离不停地在短半径和长半径之间转换，即振动，只是振动周期长达一年，在这个过程中，地球处于短半径点和长半径点时，它和太阳之间的引力是不同的，即能量级别不同。

同理，在分子内部原子间靠化学键连接，原子间的空间距离、角度、方向由于电子分布的不均衡而不停发生变化，即振动、转动，而且不同的分子会有独特的振动、转动频率，当遇到相同频率的红外线照射时会产生谐振、原子间距离和电子分布发生变化即偶极距发生变化，红外吸收就是这样产生的（紫外吸收同理）。

以上内容中包含红外吸收的两个基本条件：谐振、偶极距变化，这两个条件同时满足才能产生红外吸收。

氧气、氢气、氮气等由同一种原子构成的分子为什么没有红外吸收峰？两个基本条件：一是气体分子振动频率与照射的红外线频率相同，二是偶极距变化。不难理解，第一个条件容易满足，第二个条件无可能性。

相同原子构成的分子正负电荷中心完全重叠，即偶极距为零，其结果是电子在分子中的分布是均衡的，以红外光本身的低能量密度特征，其照射不会改变这种均衡，更不可能使分子电离，即不会导致能量变化。而不同原子构成的分子：以水（蒸气）分子为例，分子中电子的分布偏向氧这端，即微观上水分子中氢那一端呈正电性，氧那一端呈负电性，正负电荷中心是不重叠的，即偶极矩不为零，这是因为氧吸引电子的能力比氢强的缘故。

在与水分子振动、转动频率相同的红外线照射时，会使电子在水分子中的分布更偏向氧一端，导致氢和氧的平均距离变短，即偶极距变短，能量变高，即水分子受到红外照射时会从低能级跃迁到高能级，红外吸收就是这样产生的。

可以简单理解：红外线与相同原子组成的分子相遇时，由于相同原子组成的分子是理想的弹性球体，两者的相互作用是完全弹性碰撞，只有能量交换，没有能量转移。不同原子组成的分子与红外线相互作用则有能量转移。因此，红外吸收原理不能测相同原子构成的分子。

非色散红外吸收气体传感器

非色散：白光通过三棱镜会被分为七色光即赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫，这个三棱镜就是一个分光系统，能把七色光分开。

有分光系统的光学系统即色散型光学系统，无分光系统的光学系统即非色散性。

非色散系统简易、可靠、小巧、廉价。平时我们感受到的白光、紫外、紅外光都是不同频率、波长混合成的光，而单频率、单波长的光即单色光。

前面讲到只有红外线的频率和气体分子振动、转动频率相同时才会产生红外吸收，理论上在设计气体传感器时，我们希望用单色光去照射气体或者照射后我们用设置光栅（滤光片）的办法获得单色光。

非色散红外气体传感器通常由光源、光学腔体、滤光片（光栅）、探测器和信号调理电路构成，在传感器中滤光片和探测器是一体的。

红外气体传感器优点：

1、除了相同原子組成的气体，所有气体都可以测。

2、全量程。

3、传感过程本身不会干扰传感。

红外气体传感器缺点：

1、昂贵。红外气体传感器本质上是红外幅射导致探测器温度变化进而是电性能变化的温度传感器，传感过程复杂。

要求系统有如下特征：

光源必须有稳定的红外幅射；光学腔体物理化学性质稳定；滤光片及红外探测器稳定。

这些问题，合理的工艺技术本身能较好的解决，但是制造成本高，导致价格昂贵。

2、选择性弱。在普通的以宽频红外光源加滤光片加探测器设计中，滤光片本身不能实现理想的选择性滤光，因此干扰尤其是水的干扰一直存在。

选择性的问题深层原因在于很多不同的气体分子会有相同的化学键，即有相近甚至重叠的红外吸收。

3、粉尘、背景幅射、强吸附及气、液、固易发生转换的检测对象都会对检测结果造成影响。

常识补充：

近红外波长：0.7um~2.0um；

中红外波长：2.0um~15um。

气体吸收峰：每一种气体的吸收峰不止一个，如：甲烷在近红外1.3um，1.65um；中红外2.6um、3.31um，3.43um，6.5um等处都有吸收峰。

激光光源：最接近单色光的光源。

我们大概容易想到，同一气体分子的振动、转动的多样性导致其有多个吸收峰；含有相同化学键的分子会有相近的吸收峰。因此红外传感器的技术发展路径很清楚，单色光源、集成化、微型化、低功耗。

目前最大的问题：近红外区只有个别波长有较廉价的激光器做单色光，而且在近红外区气体吸收较弱。在气体对红外的强吸收区中红外区，激光器制造工艺复杂，激光材料、理论及器件未有商业价值突破，导致中红外激光器极昂贵，这严重限制了红外气体传感器在复杂环境下的应用。

在常见的气体中目前二氧化碳是红外原理最强的应用，也是基于节能的最具商业前景的应用，其次是甲烷。

红外气体传感器与其它类别气体传感器如半导体式、电化学式、催化燃烧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。