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紅外連續(xù)氣體分析儀的光學(xué)系統(tǒng)部件
紅外氣體分析儀主要由發(fā)送器和測(cè)量電路兩大部分構(gòu)成，發(fā)送器可算作紅外氣體分析儀的“心臟”，它將被測(cè)組分的濃度變化轉(zhuǎn)化為某種電參數(shù)的變化，再通過相應(yīng)的測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。發(fā)送器又由光學(xué)系統(tǒng)和檢測(cè)器兩部分組成，光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成部件主要有：紅外輻射光源組件，包括紅外輻射光源、反射體和切光（頻率調(diào)制）裝置；氣室和濾光元件，包括測(cè)量氣室、參比氣室、濾波氣室和干涉濾光片。
按發(fā)光體的種類分，紅外輻射光源有合金絲光源、陶瓷光源、半導(dǎo)體光源等；按光能輸出形式分，有連續(xù)光源和斷續(xù)光源兩類；按輻射光譜的特征分，有廣譜（寬譜）光源和干涉光源兩類；從光路結(jié)構(gòu)考慮，又有單光源和雙光源之分。
在不同發(fā)光體的紅外輻射光源中，合金絲光源多采用鎳鉻絲，繞制成螺旋形或錐形。鎳鉻絲被加熱到700℃左右，其輻射光譜的波長主要集中在2～12μm范圍內(nèi)。合金絲光源的優(yōu)點(diǎn)是光譜波長非常穩(wěn)定，能長時(shí)期高穩(wěn)定性工作。缺點(diǎn)是長期工作會(huì)產(chǎn)生微量氣體揮發(fā)。
陶瓷光源是通過對(duì)兩片陶瓷夾層之間印刷在上面的黃金加熱絲加熱，使得陶瓷片受熱后發(fā)射出紅外光。陶瓷光源的優(yōu)點(diǎn)是壽命長，物理性能特別穩(wěn)定，不產(chǎn)生微量氣體，是密封式安全隔爆的。缺點(diǎn)是易受溫度影響，對(duì)控制它的電氣參數(shù)敏感。
半導(dǎo)體光源包括紅外發(fā)光二極管（IRLED）和半導(dǎo)體激光光源兩類。半導(dǎo)體光源的譜線寬度很窄，可將其集束成焦平面陣列以形成多譜帶光譜，再使用二極管陣列檢測(cè)器檢測(cè)，發(fā)射波長與半導(dǎo)體材料有關(guān)。半導(dǎo)體光源的優(yōu)點(diǎn)是可以工業(yè)化生產(chǎn)，價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是對(duì)溫度極為敏感，光譜波長穩(wěn)定性較差。
以光能輸出形式分類的光源中，連續(xù)光源是指其發(fā)出的光能量（輻射）是連續(xù)不斷的，即輻射光能量不隨時(shí)間發(fā)生變化。斷續(xù)光源是隨時(shí)間變化的，如脈沖光源。
以輻射光譜特征分類的光源中，廣譜光源的覆蓋波長是從1μm到15～20μm，寬譜光源通常在2～5μm。干涉光源以激光為典型，是一種高度單色性的相干光，其譜線寬度極小，通常只有幾個(gè)nm，優(yōu)點(diǎn)是背景干擾可以忽略不計(jì)。
以光路結(jié)構(gòu)分類的光源中，單光源用于單光路和雙光路兩種光學(xué)系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是避免了雙光源性能不一致帶來的誤差，但缺點(diǎn)是要做到兩束光的能量基本相等，在安裝和調(diào)試上難度很大。雙光源僅用于雙光路系統(tǒng)，其優(yōu)缺點(diǎn)恰好與單光源相反，安裝、調(diào)試容易，但調(diào)整兩路光的平衡難度較大。
在反射體和切光（頻率調(diào)制）裝置中，反射體主要是保證紅外光以平行光形式發(fā)射，減少因折射造成的能量損失。因此，對(duì)反射體的反射面要求很高，表面不易氧化且反射效率高。切光（頻率調(diào)制）裝置包括切光片和切光馬達(dá)，切光片由切光馬達(dá)帶動(dòng)，其作用是把紅外光變成斷續(xù)的光，即對(duì)紅外光進(jìn)行頻率調(diào)制。使的檢測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)成為交流信號(hào)，便于放大器放大。
在氣室和濾光元件中，測(cè)量氣室和參比氣室的結(jié)構(gòu)基本相同，外形都是圓筒形，筒的兩端用晶片密封。測(cè)量氣室連續(xù)地通過待測(cè)氣體，參比氣室完全密封并充有中性氣體（多為N2）。氣室的主要技術(shù)參數(shù)有：長度、直徑和內(nèi)壁粗糙度。而氣室的窗口材料（晶片）通常安裝在氣室端頭，既要保證整個(gè)氣室的氣密性，同時(shí)要具有高的透光率，還能起到部分濾光的作用。因此要求晶片應(yīng)有高的機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)特定波長有高的“透明度”，還要耐腐蝕、潮濕，抗溫度變化等。窗口材料所使用的晶片材料有多種，如：ZnS（硫化鋅）、ZnSe（硒化鋅）、BaF2（氟化鋇）、CaF2（氟化鈣，螢石）、LiF2 （氟化鋰）、NaCl（氯化鈉）、KCl（氯化鉀）、SiO2（熔融石英）、藍(lán)寶石等。其中氟化鈣和熔融石英晶片使用最廣泛。
紅外線氣體分析儀中常用的濾光元件有兩種，一種是早期采用且現(xiàn)在仍在使用的濾波氣室，一種是現(xiàn)在普遍采用的干涉濾光片。濾波氣室的結(jié)構(gòu)和參比氣室一樣，只是長度較短。濾波氣室內(nèi)部充有干擾組分氣體，吸收其相對(duì)應(yīng)的紅外能量以抵消被測(cè)氣體中干擾組分的影響。濾光片則是一種形式簡單的波長選擇器，它是基于各種不同的光學(xué)現(xiàn)象（吸收、干涉、選擇性反射、偏振等）而工作的。從應(yīng)用上看，濾光片是一種待測(cè)組分選擇器，而濾波氣室是一種干擾組分過濾器。
檢測(cè)器
薄膜電容檢測(cè)器又稱薄膜微音檢測(cè)器，由金屬薄膜片動(dòng)極和定極組成電容器，當(dāng)接收氣室內(nèi)的氣體壓力受紅外輻射能的影響而變化時(shí)，推動(dòng)電容動(dòng)片相對(duì)于定片移動(dòng)，把被測(cè)組分濃度變化轉(zhuǎn)變成電容量變化。結(jié)構(gòu)如圖3所示，薄膜電容檢測(cè)器結(jié)構(gòu)簡圖。薄膜材料以前多為鋁鎂合金，厚度為5～8μm，近年來則多采用鈦膜，其厚度僅為3μm。定片與薄膜間的距離為0.1～0.03mm，電容量為40～100pF ，兩者之間的絕緣電阻＞105MΩ。
接收氣室的結(jié)構(gòu)有并聯(lián)型（左、右氣室并聯(lián)）和串聯(lián)型（前、后氣室并聯(lián)）兩種，圖3所示為并聯(lián)型。薄膜電容檢測(cè)器是紅外線氣體分析儀長期使用的傳統(tǒng)檢測(cè)器。
優(yōu)點(diǎn)是溫度變化影響小、選擇性好、靈敏度高，但須密封并按交流調(diào)制方式工作。缺點(diǎn)是薄膜易受機(jī)械振動(dòng)的影響，接收氣室漏氣即使有微漏也會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)器失效，調(diào)制頻率不能提高，放大器制作比較困難，體積較大等。
微流量檢測(cè)器是一種利用敏感元件的熱敏特性測(cè)量微小氣體流量變化的檢測(cè)器。其傳感元件是兩個(gè)微型熱絲電阻，和另外兩個(gè)輔助電阻組成惠斯通電橋。
熱絲電阻通電加熱至一定溫度，當(dāng)有氣體流過時(shí)，帶走部分熱量使熱絲元件冷卻，電阻變化，通過電橋轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。
微流量傳感器中的熱絲元件有兩種，一種是柵狀鎳絲電阻，簡稱鎳格柵，它是把很細(xì)的鎳絲編織成柵欄狀制成的。這種鎳格柵垂直裝配于氣流通道中，微氣流從格柵中間穿過。另一種是鉑絲電阻，在云母片上用超微技術(shù)光刻上很細(xì)的鉑絲制成。這種鉑絲電阻平行裝配于氣流通道中，微氣流從其表面通過。
測(cè)量管內(nèi)裝有兩個(gè)柵狀鎳絲電阻，和另外兩個(gè)輔助電阻組成惠斯通電橋。鎳絲電阻由恒流電源供電加熱至一定溫度。當(dāng)流量為零時(shí)，相對(duì)于測(cè)量管中心的上下游是對(duì)稱的，電橋處于平衡狀態(tài)。當(dāng)氣體流過時(shí)，氣流將上游的部分熱量帶給下游，導(dǎo)致溫度分布變化如實(shí)線所示，由電橋測(cè)出兩個(gè)鎳絲電阻阻值的變化，得到其溫度差ΔT，然后利用質(zhì)量流量與氣體含量的關(guān)系計(jì)算出被測(cè)
氣體的實(shí)際濃度。
當(dāng)使用某一特定范圍的氣體時(shí)，質(zhì)量流量qm可理解為與鎳絲電阻之間的溫度差ΔT成正比，Oa段為儀表正常測(cè)量范圍，測(cè)量管出口處氣流不會(huì)帶走熱量；超過a點(diǎn)后，流量增大到有部分熱量被帶走時(shí)呈現(xiàn)非線性，流量超過b點(diǎn)時(shí)則大量熱量被帶走。
半導(dǎo)體檢測(cè)器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)原理制成的，當(dāng)紅外光照射到半導(dǎo)體元件上時(shí)，半導(dǎo)體元件會(huì)吸收光子能量后使非導(dǎo)電性的價(jià)電子躍遷至高能量的導(dǎo)電帶，從而降低半導(dǎo)體的電阻，引起電導(dǎo)率的改變，所以又稱其為光電導(dǎo)檢測(cè)器或光敏電阻檢測(cè)器。
半導(dǎo)體檢測(cè)器使用的材料主要有銻化銦（InSb）、硒化鉛（PbSe）、硫化鉛（PbS）、碲鎘汞（HgCdTe）等。紅外氣體分析儀大多采用銻化銦檢測(cè)器，也有采用硒化鉛、硫化鉛檢測(cè)器的。銻化銦檢測(cè)器在紅外波長3～7μm范圍內(nèi)具有高響應(yīng)率，在此范圍內(nèi)CO、CO2、CH4、C2H2、NO、SO2、NH3等幾種氣體均有吸收帶，其響應(yīng)時(shí)間僅為5×10－6 s 。
半導(dǎo)體檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小、壽命長、響應(yīng)迅速。與氣動(dòng)檢測(cè)器相比，它采用更高的調(diào)制頻率，使信號(hào)的放大處理更為容易。它與窄帶干涉濾光片配合使用，可以制成通用性強(qiáng)、快速響應(yīng)的紅外氣體分析儀。缺點(diǎn)是半導(dǎo)體元件受溫度變化影響大。
熱釋電檢測(cè)器是基于紅外輻射產(chǎn)生的熱效應(yīng)為原理的檢測(cè)器，分為把多支熱電偶串聯(lián)在一起形成的熱電堆檢測(cè)器和以熱電晶體的熱釋電效應(yīng)為原理的熱釋電檢測(cè)器兩類。熱電堆檢測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是長期穩(wěn)定性好，但它對(duì)溫度非常敏感，不適合作為精密儀器的檢測(cè)器，多用在紅外型可燃?xì)怏w檢測(cè)器。熱釋電檢測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是波長響應(yīng)范圍廣、檢測(cè)精度較高、反應(yīng)快，可在室溫的條件下工作。以前多用在傅里葉變換紅外分析儀中，響應(yīng)速度很快，實(shí)現(xiàn)高速掃描?，F(xiàn)在也已廣泛用在紅外氣體分析儀中。
在晶體的兩個(gè)端面上加直流電場(chǎng)，晶體內(nèi)部的正負(fù)電荷向陰極和陽極表面移動(dòng)，使得晶體的一個(gè)表面帶正電，另一個(gè)表面帶負(fù)電，出現(xiàn)極化現(xiàn)象。對(duì)大多數(shù)晶體來說，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)后，極化狀態(tài)就會(huì)消失，但有一類叫“鐵電體”的晶體例外，外加電場(chǎng)去掉后，它仍能保持原來的極化狀態(tài)。鐵電體的特性是溫度愈高則極化強(qiáng)度愈低，溫度愈低則極化強(qiáng)度愈高，當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)，極化狀態(tài)會(huì)突然消失。利用已極化的鐵電體，隨著溫度升高其表面積聚電荷降低，即相當(dāng)于釋放電荷，利用極化強(qiáng)度隨溫度轉(zhuǎn)移這一現(xiàn)象制成的檢測(cè)器稱為熱釋電檢測(cè)器。
熱釋電檢測(cè)器常用的晶體材料是硫酸三苷肽（NH2CH2COOH）3H2SO4 （TGS）、氘化硫酸三苷肽（DTGS）和鉭酸鋰（LiTaO3 ）。為減小機(jī)械振蕩和熱傳導(dǎo)的損失，檢測(cè)器被封裝成管，管內(nèi)抽真空或充氪等氣體。
