红外线气体传感器

“智慧地球的核心技术就是传感器的应用，因为传感器包含了很多信息。上海建设智慧城市，更需要传感器，特别是其中的红外线技术服务于城市生活和管理。”全国人大代表、中科院院士褚君浩说。　　　　昨天下午，市人大常委会主任刘云耕一行走访中科院上海技术物理研究所，就“红外线眼睛”对城市生活和城市管理的影响，褚君浩代表的解析深入浅出，让人开眼。　　　　人体安检安全可靠　　　　一个人走在人群里，西装革履，西服外套搭在手臂上，貌似安闲；其实，西服下是一把握在手中的尖刀―――这一切，都未能逃过“红外线眼睛”。　　　　“可见光的波长在0.4-0.7微米，红外线的波长大于0.7微米，而这种能透视人体的红外线波长则达到了300微米。”褚君浩说，波长越大，光子能量就越小，对人体的伤害也就越小；红外线技术运用于人体安检，是一种安全可靠的新技术。　　　　目前，无论是航空港，还是地铁安检，通用技术都是X射线和电磁设备―――检查箱包借助X射线，人身安检借助电磁设备，X射线不能用于人身安检，因为它对人体有害。“基于红外线安检的特性和优势，将来城市管理中日益普及这种新技术，也是大势所趋。”褚君浩说。　　　　守护老人居家平安　　　　2010年上海老龄人口信息显示，本市纯老年人家庭老人约有86.38万人，其中独居老人18.8万人。“红外线眼睛”也可以做独居老人的“守护神”。　　　　老人家中安装红外线感应器后，如果在一定时间段内，老人没有经过这个感应器，就很可能出了什么问题，感应器就向社区居家养老服务中心的终端报警，志愿者会立即上门探视，避免老人“有事无人应”。　　　　“这样的红外线技术应用并无多大难度。”褚君浩说，以信息化为特征的智慧城市，更需要“红外线眼睛”关注老年群体。　　　　技术推广先要科普　　　　200年前，红外线被人类发现。近年来，红外线技术在民用技术中的应用，也已初露端倪。　　　　“大家熟悉的风云气象卫星，就安装了不同类型的‘红外线眼睛’，波长分别在1-3微米，3-5微米，以及8-14微米，各种‘眼睛’各司其职，它们共同的特点就是―――黑暗中也看得见。”褚君浩说，其实，只要给普通照相机安装上“红外线眼睛”，风雨中、暗夜里的拍摄，也不再是麻烦事。　　　　“目前的一个常见问题是，不能从国外获取核心技术的产品，我们就能自己研发；而能从国外买来的产品，我们往往就失去抢占市场制高点的动力。”褚院士希望“红外线眼睛”能跳出这个怪圈。另外,技术推广的一个前提是科普，科普能让更多的人了解“红外线眼睛”。

红外测温仪里有一种叫红外线温度传感仪器，这种新型温度传感器的测量灵敏度为：ΔT=ΔL/L(α1-α2)，，△L就是红外位移传感器对有机玻璃长度测量的灵敏度。它们的主要作用是：利于高精度的螺旋测微器进行定标，最终得到我们想要的，较精度(3×10-7m)的位移测量仪。　　我们采用微品玻璃陶瓷材料制成一个圆筒，这种微晶玻璃陶瓷材料具有真空性好、耐高低温、绝缘和耐酸碱腐蚀等性能，其基本性能指标如下：使用温度-273℃～1000℃体积电阻率1.08x1014Ω·cm，热膨胀系数为αl=8.6x10-6/℃，微品玻璃陶瓷抗热冲击性能非常好，从800℃急冷至0℃不破碎，200℃急冷到0℃强度不变化。　　在筒内的一端固定一根长L=10cm的薄有机玻璃圆筒，在筒内另一端固定一个红外位移传感器，并且让有机玻璃棒的自由端将红外接收管的接收面遮住一半，使其工作在线性度最好的区域。由于有机玻璃的热膨胀系数为α2=1.7x10-4/℃，两者相差达2个数量级，所以当温度变化时，我们可以认为有机玻璃在陶瓷卡材料上的相对位移可以忽略，故有机玻璃的自由端同红外位移传感器之间的相对位置变化将改变红外接收管的有效接收面积。从而使位移传感器输出电压也随之改变。这种新型温度传感器的测量灵敏度为：　　ΔT=ΔL/L(α1-α2)　　其中，△L为红外位移传感器对有机玻璃长度测量的灵敏度。　　红外位移传感器，主要机构由红外发光二极管发射和接受装置，数据放大去噪部分以及数据采集处理系统组成。我们可以看到它是利用红外光电二级管的光电转换规律，通过其遮挡的光通量与输出电流的关系确定遮挡体。能将微小的温度转换成电压的变化。在运用放大电路将其进行放大处理。结合数据采集卡建立电压信号与温度的函数关系。最后利于高精度的螺旋测微器进行定标，最终形成我们可以得到一个具有较高测量精度(3×10-7m)的位移测量仪。　　由于光电转换的电流较小而且红外发光二极管的功率也较低，因此我们可以认为红外位移传感器不会对测量的温度环境有影响。　　从这里我们知道，红外线温度传感仪器是测量精密度比较高的红外测温工具，它对温度环境不受影响。

所谓[url=https://www.isweek.cn/category_11.html]气体传感器[/url]，是一种可以检查出目视不到的气体存在的传感装置。在以家用天燃气丙烷气体报警器为主的空调与空气洁净器、汽车等领域广泛得到应用。现在工采网小编对4种气体检测原理进行说明。[b][b][b]一、半导体气体传感器工作原理[/b][b]简单的架构[/b][/b][/b][url=http://news.isweek.cn/wp-content/uploads/2021/12/shikumi.gif][img=shikumi,300,280]http://news.isweek.cn/wp-content/uploads/2021/12/shikumi.gif[/img][/url][b][b][b]STEP1[/b][/b][/b]在洁净的空气中，氧化锡表面吸附的氧会束缚氧化锡中的电子，造成电子难以流动的状态。[b][b][b]STEP2[/b][/b][/b]在泄漏的气体（还原性气体）环境中，表面的氧与还原气体反应后消失，氧化锡中的电子重获自由，受此影响，电子流动通畅。[b][b][b]传感器的检测原理[/b][/b][/b]当氧化锡粒子在数百度的温度下暴露在氧气中时，氧气捕捉粒子中的电子后，吸附于粒子表面。结果，在氧化锡粒子中形成电子耗尽层。由于气体传感器使用的氧化锡粒子一般都很小，因此在空气中整个粒子都将进入电子耗尽层的状态。这种状态称为容衰竭（volume depletion）。相反，把粒子中心部位未能达到耗尽层的状态称为域衰竭（regional depletion）。使氧气分压从零（flat band开始按照小（[O[sup]-[/sup]](Ⅰ)）→中（[O[sup]-[/sup]](Ⅱ)）→大（[O[sup]-[/sup]](Ⅲ)））的顺序上升时，能带结构与电子传导分布的变化如下图所示（[O[sup]-[/sup]]：吸附的氧气浓度）。在容衰竭（volume depletion）状态下，电子耗尽层的厚度变化结束，产生费米能级转换[i][i]p[/i][/i]kT，电子耗尽状态往前推进则[i][i]p[/i][/i]kT增大，后退则pkT缩小。[b][b][b]■ 随着吸附的氧气浓度增加半导体粒子的耗尽状态在推进[/b][/b]能带结构[/b][table][tr][td][img]http://www.figaro-china.com/img/development/handoutai/zu1.jpg[/img][/td][td][table][tr][td]x[/td][td]:[/td][td]半径方向的距离[/td][/tr][tr][td]qV(x)[/td][td]:[/td][td]势垒[/td][/tr][tr][td][i]a[/i][/td][td]:[/td][td]离子半径[/td][/tr][tr][td][O[sup]-[/sup]][/td][td]:[/td][td]吸附氧气的浓度[/td][/tr][tr][td]E[sub]C[/sub][/td][td]:[/td][td]传导带下端[/td][/tr][tr][td]E[sub]F[/sub][/td][td]:[/td][td]费米能级[/td][/tr][tr][td][i]p[/i]kT[/td][td]:[/td][td]费米能级转换[/td][/tr][/table][/td][/tr][/table][b]传导电子分布[/b][table][tr][td][img]http://www.figaro-china.com/img/development/handoutai/zu2.jpg[/img][/td][td][table][tr][td][e][/td][td]:[/td][td]电子浓度[/td][/tr][tr][td]N[sub]d[/sub][/td][td]:[/td][td]施子密度[/td][/tr][/table][/td][/tr][/table]容衰竭（volume depletion）状态下球状氧化锡粒子表面的电子浓度[e][sub]S[/sub]可用施子密度Nd、粒子半径[i]a[/i]以及德拜长度L[sub]D[/sub]通过式子（1）表示。如果[i]p[/i]增大则[e][sub]S[/sub]减少，[i]p[/i]减少则[e][sub]S[/sub]增大。[e][sub]S[/sub]=N[sub]d[/sub] exp{-(1/6)([i]a[/i]/L[sub]D[/sub])[sup]2[/sup]-[i]p[/i]} ... (1)由大小、施子密度相同的球状氧化锡粒子组成的传感器的电阻值R，可使用flat band时的电阻值R[sub]0[/sub]，通过式子（2）表示。[e][sub]S[/sub]减少则将增大，[e][sub]S[/sub]增大则将缩小。R/R[sub]0[/sub]= N[sub]d[/sub]/[e][sub]S[/sub] ... (2)使用了氧化锡的半导体式气体传感器，就是这样通过氧化锡粒子表面的[O[sup]-[/sup]]的变化来体现电阻值R的变化。置于空气中被加热到数百度的氧化锡粒子，一旦暴露于一氧化碳这样的还原性气体中，其表面吸附的氧气与气体之间发生反应后，使[O[sup]-[/sup]]减少，结果是[e][sub]S[/sub]增大，R缩小。消除还原性气体后，[O[sup]-[/sup]]增大到暴露于气体前的浓度，R也将恢复到暴露于气体前的大小。使用氧化锡的半导体式气体传感器就是利用这个性能对气体进行检测。[b][b][b]二、催化燃烧式气体传感器工作原理[/b][/b][/b]催化燃烧式气体传感器由对可燃气体进行反应的检测片（D）和不与可燃气体进行反应的补偿片（C）2个元件构成。如果存在可燃气体的话，只有检测片可以燃烧，因此检测片温度上升使检测片的电阻增加。 相反，因为补偿片不燃烧，其电阻不发生变化（图1）。这些元件组成惠斯通电桥回路（图2），不存在可燃气体的氛围中，可以调整可变电阻（VR）让电桥回路处于平衡状态。 然后，当气体传感器暴露于可燃气体中时，只有检测片的电阻上升，因此电桥回路的平衡被打破，这个变化表现为不均衡电压（Vout）而可以被检测出来。此不均衡电压与气体浓度之间存在图3所示的比例关系，因此可以通过测定电压而检出气体浓度。[b]■ (图1)测定电路[/b][img=,621,257]http://www.figaro-china.com/img/development/sesshoku/img1.jpg[/img][b]■ (图2)测试电路[/b][img=,297,255]http://www.figaro-china.com/img/development/sesshoku/img2.jpg[/img][b]■ (图3)[/b][img=,297,255]http://www.figaro-china.com/img/development/sesshoku/img3.jpg[/img][b][b][b]三、电化学气体传感器工作原理[/b][/b]传感器元件构成与电极反应式[/b][img=,621,255]http://www.figaro-china.com/img/development/denkikagaku/shiki.jpg[/img]传感器由来自贵金属催化剂的检测极、对极与离子传导体构成。当CO等检测对象气体存在时，在检测极催化剂上与空气中的水蒸气发生（1）式所示的反应。CO + H[sub]2[/sub]O → CO[sub]2[/sub]＋ 2H[sup]+[/sup] + 2e[sup]-[/sup] …（1）检测极与对极接通电流（短路）后，检测极产生的质子(H+)与同时产生的电子（e-）分别通过离子传导体与外部电线（引线）各自到达对极，在对极上与空气中的氧之间发生（2）式所示的反应。（1/2）O[sub]2[/sub] + 2H[sup]+[/sup] + 2e[sup]-[/sup] → H[sub]2[/sub]O …（2）也就是说此传感器构成了由（1）（2）反应式形成的（3）反应式的全电池反应，可以认为是将气体作为活性物质的电池。CO + （1/2）O[sub]2[/sub] → CO[sub]2[/sub] …（3）当做气体传感器使用时，接通检测极与对极的电流，来测定其短路电流。[b]CO浓度检测原理公式[/b][img=,254,236]http://www.figaro-china.com/img/development/denkikagaku/co.jpg[/img]对流过外部电路的短路电流与气体浓度的关系，通过传感器进行适当的扩散控制（控制气体的流入量），呈现出式子（4）这样的比例关系（右图）。I = F × (A/σ) × D × C × n …（4）这里 I：短路电流；A：扩散孔面积；σ：扩散层长度；D：气体扩散系数；C：气体浓度；ｎ：反应的电子数量[b]特长[/b]反应式（1）所示的氧化电位由于比氧化电极电位的基准值（2H+ + 2e- ? H2)要低（拥有较低电位），因此此反应不需要消耗来自外部的电压、温度等其他能量，可以有选择地进行，与别的检测方式相比在干扰性、重复性、节电方面要优越得多。[b][b][b]四、NDIR气体传感器工作原理[/b][b]NDIR（非色散型红外线）式气体传感器的工作原理[/b][/b][/b]NDIR(non-dispersive infrared)式气体传感器是通过由入射红外线引发对象气体的分子振动，利用其可吸收特定波长红外线的现象来进行气体检测的。红外线的透射率（透射光强度与源自辐射源的放射光强度之比）取决于对象气体的浓度。[img]http://www.figaro-china.com/img/development/ndir-type/zu01.png[/img]传感器由红外线放射光源、感光素子、光学滤镜以及收纳它们的检测匣体、信号处理电路构成。在单光源双波长型传感器中，在2个感光素子的前部分别设置了具有不同的透过波长范围阈值的光学滤镜，通过比较可吸收检测对象气体波长范围与不可吸收波长范围的透射量，就可以换算为相应的气体浓度。因此，双波长方式可实现长期而又稳定的检测。[b]检测原理[/b]用中波段红外线照射气体后，由于气体分子的振动数与红外线的能级处于同一个光谱范畴，红外线与分子的固有振动数发生共振后，在分子振动时被气体分子所吸收。气体浓度与红外线透射率的关系可通过下述朗伯-比尔定律进行说明。对于NDIR式气体传感器来说，对象气体的吸光度ε与光程d是不变的，在与成为对象的气体吸收能（波长）一致的光谱范畴，通过测定红外线的透射率[i]T[/i]，即可得到对象气体的浓度c。[img]http://www.figaro-china.com/img/development/ndir-type/zu02.png[/img]来自放射源的入射光强度[i]I[/i][sub]0[/sub]，是通过使用不吸收红外线的零点气体校准后设定的。吸光度ε是利用已知浓度的对象气体进行校准后进行初始设定的。[b]特长[/b]因为红外线是根据目标气体固有的红外能量（波长）被吸收的，所以气体选择性非常高成为其最大的特长。即使在高浓度的对象气体中长时间进行暴露，也从原理上避免了灵敏度的不可逆变化。