>常见的不同工作原理的气体传感器相关知识(图)

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红外气体传感器知识

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红外气体传感器

定义:红外气体传感器是根据不同气体分子对近红外光谱的选择性吸收特性,利用气体浓度与吸收强度的关系(-Beer-Beer定律)识别气体成分并确定它们的气体传感装置。专注。

原理:由不同原子组成的分子具有独特的振动和旋转频率。当它们受到相同频率的红外线照射时,会发生红外线吸收,从而引起红外光强度的变化。通过测量红外线强度的变化,就可以测得气体的浓度。

需要注意的是,振动和旋转是两种不同的运动形式。这两种运动形式会对应不同的红外吸收峰。振动和旋转本身也具有多样性。因此,一般情况下,一个气体分子都会有多个红外吸收峰。吸收峰。

根据单个红外吸收峰的位置,只能确定气体分子中的基团。要准确判断气体类型,需要查看气体在中红外区的所有吸收峰位置,即气体的红外吸收指纹图谱。

在已知的环境条件下,根据单个红外吸收峰的位置可以大致判断气体的种类。由于所有在-273摄氏度绝对零以上的物质都会产生红外辐射,而红外辐射与温度呈正相关。因此,与催化元件一样,为了消除环境温度变化引起的红外辐射变化,红外气体传感器将由一对红外探测器组成。

一个完整的红外气体传感器由红外光源、光腔、红外探测器和信号调理电路组成。

红外吸收原理只能测量由不同原子组成的分子。由于同一分子内部运动的多样性,它具有许多不同的振动频率和旋转频率,因此,吸收红外线的分子会具有不同的吸收峰。另外,具有相同化学键的分子(如水和酒精分子中的氢氧键)会有相似的吸收峰,从而产生干扰。

为什么红外气体传感器不能测量由氧、氢、氮等相同原子组成的气体分子?

例如:月球和地球,地球和太阳是靠引力相连的,分子中的原子是靠化学键相连的。如果两者是理想球体,没有其他引力干扰,地球公转轨道就是圆形。事实上,以上两个条件都不成立,所以它的轨道是椭圆形的,即地球与太阳的距离不断地在短半径内 长半径与长半径之间的转换,即振动,只是振动周期长达一年。在这个过程中,当地球处于短半径点和长半径点时,它与太阳之间的引力不同,即能级不同。

同理,分子中的原子通过化学键相连,原子间的空间距离、角度、方向因电子分布不平衡而不断变化,即振动和旋转粉尘传感器是什么意思,不同的分子具有独特的振动和旋转频率。,当遇到相同频率的红外辐射时,会发生共振,原子间的距离和电子的分布会发生变化,即偶极矩会发生变化,从而产生红外吸收(紫外吸收同理) .

以上内容包含了红外吸收的两个基本条件:共振和偶极矩变化。只有同时满足这两个条件,红外线吸收才会发生。

为什么由同类原子组成的分子,如氧、氢、氮等,没有红外吸收峰?两个基本条件:一是气体分子的振动频率与所照射的红外线的振动频率相同,二是偶极矩发生变化。不难理解,第一个条件很容易满足,但第二个条件是不可能的。

由相同原子组成的分子的正负电荷中心完全重合,即偶极矩为零。因此,分子中电子的分布是平衡的。由于红外光本身能量密度低的特点,它的照射不会改变这种平衡,更不容易使分子电离,即不会引起能量变化。由不同原子组成的分子:以水(蒸汽)分子为例,分子中电子分布偏向氧侧,即水分子中氢侧带正电,氧侧带负电带电,正负电荷中心不重合,即偶极矩不为零,

当受到与水分子具有相同振动和旋转频率的红外线照射时,水分子中的电子分布会更偏向氧一侧,导致氢氧之间的平均距离更短,即偶极矩更短而更高的能量,也就是水分子在受到红外线照射时,会从低能级跃迁到高能级,红外线吸收就是这样产生的。

很容易理解:当红外线遇到由相同原子组成的分子时,由于由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,没有能量传递。由不同原子组成的分子与红外光相互作用,发生能量传递。因此,红外吸收原理无法测量由相同原子组成的分子。

延长:

非色散红外吸收式气体传感器

不色散:白光通过棱镜分为红、橙、黄、绿、蓝、蓝、紫七种颜色。这个棱镜是一个分光系统,可以分离七种颜色的光。

具有分光系统的光学系统称为色散光学系统,没有分光系统的光学系统称为非色散光学系统。

非色散系统简单、可靠、体积小且便宜。我们平时遇到的白光、紫外光、红外光都是不同频率和波长的混合光粉尘传感器是什么意思,而单一频率和单一波长的光就是单色光。

如前所述,只有当红外线的频率与气体分子的振动和旋转频率相同时,才会发生红外吸收。理论上,在设计气体传感器时,我们希望用单色光照射气体或照射后用光栅(滤光片)的方法得到单色光。

非色散红外气体传感器通常由光源、光腔、滤光片(光栅)、探测器和信号调理电路组成,滤光片和探测器集成在传感器中。

红外气体传感器的优点:

1、除原子组成相同的气体外,所有气体均可测量。

2.品种齐全。

3、感应过程本身不会干扰感应。

红外气体传感器缺点:

1. 昂贵。红外气体传感器本质上是一种温度传感器,红外辐射引起探测器温度变化进而电特性发生变化,传感过程复杂。

要求系统具有以下特点:

光源必须具有稳定的红外辐射;光腔理化性能稳定;滤光片和红外探测器稳定。

这些问题可以通过合理的工艺技术本身得到较好的解决,但制造成本高导致价格昂贵。

2、选择不力。在宽带红外光源加滤光片加探测器的常见设计中,滤光片本身无法实现理想的选择性过滤,因此干扰,尤其是水干扰始终存在。

选择性问题的深层原因是许多不同的气体分子会具有相同的化学键,即具有相似甚至重叠的红外吸收。

3、灰尘、背景辐射、强吸附、易发生气液固转换的检测对象都会影响检测结果。

PS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:每种气体都有一个以上的吸收峰。例如甲烷在近红外1.3um、1.65um有吸收峰;中红外2.6um、3.31um、3.43um、6.5um等

激光光源:最接近单色光的光源。

我们很容易认为,同一气体分子振动和旋转的多样性导致多个吸收峰;具有相同化学键的分子将具有相似的吸收峰。因此,红外传感器的技术发展路径非常清晰,单色光源、集成化、小型化、低功耗化。

目前最大的问题:只有近红外区少数几个波长的单色光激光器比较便宜,近红外区的气体吸收较弱。在气体强烈吸收红外线的中红外区,激光器制造工艺复杂,具有商业价值的激光材料、理论和器件没有突破,致使中红外激光器极其昂贵,严重限制了激光器的应用。红外气体传感器在复杂环境中的应用

在常见的气体中,二氧化碳是目前红外原理应用最强的,也是最有商业前景的基于节能的应用,其次是甲烷。

伟盛MH-Z19B红外二氧化碳传感器

与半导体、电化学、催化燃烧等其他类型的气体传感器相比,红外气体传感器具有应用广泛、使用寿命长、灵敏度高、稳定性好、适用气体更多、性价比高等一系列优点。广泛应用于石油化工、冶金工业、工业采矿、大气污染检测、农业、医疗卫生等领域。

气体传感器的种类很多,明天我们会详细介绍——催化燃烧气体传感器知识,敬请期待!

注:本系列文章来源汉威研究院副院长兼总工程师张晓水。

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