采用非分散紅外(NDIR)技術的熱電堆氣體傳感器

簡介

非分散紅外氣體傳感器也被叫做NDIR氣體傳感器，一般被用于檢測氣體和測量碳氧化物氣體（例如一氧化碳和二氧化碳）的濃度。其工作原理是一個紅外光束穿過采樣腔，樣本中的各氣體組分吸收特定頻率的紅外線。通過測量相應頻率的紅外線吸收量，就可以確定該氣體組分的氣體濃度。而之所以說這種技術是非分散的，是因為穿過采樣腔的波長未經預先濾波；相反地，光濾波器位于檢波器之前，以便濾除選定氣體分子能夠吸收的波長之外的所有光線。

基于NDIR原理的熱電堆氣體傳感器的電路針對二氧化碳檢測優化，但采用不同濾光器的熱電堆之后亦可精確測量多種氣體的濃度。

熱電堆傳感器由通常串聯（或偶爾并聯）的大量熱電偶組成。串聯熱電偶的輸出電壓取決于熱電偶結與基準結之間的溫度差。該原理稱為塞貝克效應，以其發現者Thomas Johann Seebeck命名。

該電路使用運算放大器放大熱電堆傳感器輸出信號。熱電堆輸出電壓相對較小（從幾百微伏到幾毫伏），需要高增益和極低的失調與漂移，以避免直流誤差。熱電堆的高內阻特性（典型值為84 kΩ）需要低輸入偏置電流的放大器以最大程度地減少誤差，而運算放大器的偏置電流僅為30 pA（典型值）。該器件隨時間和溫度變化的漂移極低，在校準溫度測量后不會引入額外誤差。與ADC采樣速率同步的脈沖光源最大程度地減少低頻漂移和閃爍噪聲引起的誤差。

熱電堆檢測器工作原理

為了理解熱電堆，有必要回顧熱電偶的基本理論。

如果在絕對零度以上的任意溫度下連接兩種不同的金屬，則兩種金屬之間會產生電位差（熱電EMF或接觸電位），此電位差是結溫的函數。

如果兩根導線在兩處相連，則形成兩個結點。如果兩個結點的溫度不同，則電路中產生凈EMF，并有電流流過，電流由EMF和電路總電阻決定。如果其中一根導線斷開，則斷點處電壓等于電路的凈熱電EMF；并且如果該電壓可以測得，便可利用其計算兩個結點之間的溫度差。記住，熱電偶測量兩個結點之間的溫度差，而非一個結點處的絕對溫度。只有當另一個結點（通常稱為基準結點或冷結）已知的情況下，測量結點處的溫度才可測得。

但是，要測量熱電偶產生的電壓卻很困難。假設電壓表連接第一個熱電偶測量電路。連接電壓表的導線在連接處形成了更多的熱電偶。如果這些額外的結點溫度相同（無論溫度是多少），則中間金屬法則表明它們對系統的總EMF沒有凈貢獻。如果它們的溫度不同，則產生誤差。由于每一對不同的接觸金屬都會產生熱電EMF——包括銅片/焊點、可伐/銅片（可伐是一種用于IC引線框架的合金）和鋁/可伐（IC內的焊接）——在實際電路中，問題更為復雜，有必要極其謹慎地確保熱電偶周邊電路的所有結點對（除測量結點和基準結點本身）的溫度相同。

熱電堆由大量熱電偶串聯而成，與單個熱電偶相比，熱電堆產生的熱電電壓要高得多。

在NDIR應用中，經過濾波的脈沖紅外光施加于串聯有源結點；因此，結點加熱，產生較小的熱電電壓。基準結點的溫度由熱敏電阻測量。

很多氣體的正負電荷中心瞬態或穩態不重合。在紅外頻譜，氣體可吸收特定頻率，這種特性可以用來進行氣體分析。當紅外輻射射入氣體中，并且當分子的自諧振頻率與紅外波長相匹配時，氣體分子會根據原子的能級躍遷而與入射紅外線產生諧振。

對于大部分紅外氣體傳感器應用而言，目標氣體的成分是已知的，因此不需要氣相色譜分析。然而，如果不同氣體的吸收線重疊，那么系統就必須處理這些氣體之間的相互干擾。

紅外光源的輸出波長范圍和水的吸收頻譜同樣決定了檢測波長的選擇。在3000 nm以下，以及4500 nm和8000 nm之間，水具有較強的吸收性。如果目標氣體中有濕氣（濕度高），則在這些范圍內，檢測氣體會受到較強的干擾影響。

如果將紅外光施加在雙熱電堆傳感器上，并安裝一對濾光器，使其中一個濾光器中心波長在4260 nm，而另一個中心波長在3910 nm，則通過測量兩個熱電堆的電壓之比即可測得二氧化碳濃度。中心波長與二氧化碳吸收波長重疊的濾光器用作測量通道，中心波長在二氧化碳吸收波長以外的濾光器用作基準通道。使用基準通道后，可消除灰塵或輻射強度衰減引起的測量誤差。二氧化碳和水蒸汽對3910nm的紅外線幾乎都沒有吸收，注意這一點很重要；這使得該區域成為基準通道的理想地點。

NDIR檢測中使用的熱電堆具有相對較高的內阻，而50 Hz/60 Hz電源線噪聲會耦合進入信號路徑。熱電堆的內阻可能為100 kΩ左右，導致熱噪聲成為系統內的主要噪聲。例如，圖1系統中選用的熱電堆傳感器電壓噪聲密度為37 nV/√Hz。為了使系統擁有最好的性能，應該使傳感器輸出盡可能大的信號，并且在電路中使用較低的增益。

使來自熱電堆傳感器的信號最大化的最佳方法是使用具有高反射特性的腔室，這樣做可以確保盡可能多的輻射進入檢測器而不被腔室吸收。使用反射腔室來減少腔室吸收輻射量還可降低系統功耗，因為這樣可以使用小功率的輻射源。

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