中红外气体传感技术已成为一种高效的气体探测和分析光学吸收光谱技术。本文全面概述了该技术、其工作原理、仪器及其广泛应用.
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中红外气体遥感:概览和工作原理
中红外气体传感是指利用中红外波长范围(典型的2.5-25兆米)的光探测和测量气体。这项技术所依据的原则是,分子吸收特定波长的红外光,与他们固有的共振频率相匹配,这将导致分子键的振动和旋转。
此外,许多有机分子和关键无机气体在中红外区域表现出它们的主要光吸收带,与它们的基本旋转振动模式相对应。
通过引导中红外光穿过样品气体并测量不同波长的传输光强度,获得了一个吸收光谱"指纹",这有助于确定未知气体的类型和浓度。吸收量遵循比尔-兰伯特定律,允许量化气体的浓度。
在我(先端)表示光路径长度S的测量单元穿过后的频率相关的传输强度 O .在这里,a(正象)表示频率相关气体的特定吸收系数,c表示气体的浓度。这个系数是由压力相关的线形函数G的乘积决定的 0 ),以及随温度变化的线强度,S(T,T, 0 ),在特征吸收频率下 0 .
像CO这样的小气体分子 2 , CO, N 2 O, NH 3 ,c 2 H 2 、及总 4 在较短的近红外波长下,产生的中红外吸收信号要比泛音带强得多,在每百万到每百亿之间的范围内提供敏感的检测。
标准中红外气体传感器的仪器和部件
虽然正在进行重大创新,但中型红外传感器从根本上整合了三个主要要素:
光源
传统上含有发光丝,热发射器使用微热板设计的MEMS技术。像量子级联激光器(QCLS)和发光二极管这样的半导体来源在检测空气中非常微小的污染物浓度方面越来越受欢迎。
气体电池
具有进出口的腔室能够使中红外光与样品气体相互作用,提供可变的路径长度(不超过几毫米),以实现信号强度的平衡和紧凑的设备尺寸。反光表面,如黄金,通常用于内部反射光线,增加路径长度。
探测器
热探测器,如热电热仪和热电热仪,由于成本低、常温操作和宽波长响应,通常用于测量光的强度。光电探测器通常用于高灵敏度,但选择性地用于特定光谱带。
这些组件使用自由空间光学组合在一起,或集成到光子芯片上,并伴有用于气体运输的微流体。
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中红外气体传感器的应用
中红外传感器的分子特异性使其在工业、环境和医疗领域的各种气体传感挑战中非常有用。
环境监测系统
中电离层气体遥感被广泛用于探测导致气候变化的突出温室气体,特别是二氧化碳和甲烷。它们的高灵敏度范围使追踪排放量和大气浓度的精确定量测量成为可能。
这类传感器系统还部署在智能建筑物的污染监测网络和空调系统中,用于室内空气质量控制和能源效率优化。
危险气体监测
石油化工厂、炼油厂、燃料分配基础设施和其他处理石油、天然气或特种化学品的设施都需要严格监测,以检测甲烷和丙烷等易燃气体以及氨等有毒气体的泄漏。中红外传感器为自主安全系统提供选择性、故障安全操作。
六氟化硫 6 )常用作带有中红外传感器的标记气体,用以探测和分析危险气体的分布。这种方法释放低浓度的氟氯化碳 6 进入感兴趣的区域,然后使用多个传感器测量分布模式。
工艺气体成分测量
中红外光谱分析仪测量化学反应和其他工业过程所涉气体的多组分构成。例如,它们确定了天然气中C1-C1碳氢化合物和其他成分的浓度,以计算加热值。他们还在乙烯生产过程中检测到像乙炔这样的微量杂质。
定制窄线宽中红外二极管激光器与多通气体电池结合,提供了所需的选择性和灵敏度低于10PPB水平的复杂气体矩阵。
汽车排放测试
汽车将中红外传感器结合起来,以检测和防止易燃气体堆积的狭窄发动机车厢内空调制冷剂的泄漏。此外,我们亦会利用住户呼出的中红外二氧化碳检测技术,在空气浓度上升时,积极控制通风。
严格管制柴油和汽油车辆废气中的氧化氮、氨和其他副产品的允许水平,需要极敏感的气体分析能力,降至百万分之一。采用可调谐二极管激光吸收光谱和污染变换红外光谱的专用中红外传感器,为恶劣、肮脏的排气环境提供了必要的检测限制和免疫力。
此外,它们还提供了瞬态发动机测试所需的时间分辨率。
人体呼吸分析
当在红外光谱中分析时,人类呼吸中各种不同种类的挥发性有机化合物可能表明某些呼吸道疾病、癌症和感染。
中呼吸传感器能够通过检测废气,如二氧化碳和一氧化氮以及200多种与特定疾病相关的挥发性有机化合物(VOC)生物标记物,进行快速、无创性的诊断和治疗监测。
随着传感器硬件变得越来越小和越来越有选择性,紧凑而精确的中红外呼吸传感技术正在帮助基础研究逐步发展到适合于医疗保健点医疗应用的临床呼吸测试设备。
此外,采用中红外吸收的血管造影术通过精确、连续的测量,对麻醉分娩过程中病人呼出的二氧化碳进行了重要的监测。
结论
上述应用突出了中红外气体传感器的通用性。随着研究继续开发更紧凑、低成本的集成光学元件和光子芯片,中红外传感器将在未来几十年中广泛用于个性化健康监测、智能城市传感等。