Technology insights

迈向循环经济

塑料废弃物的管理构成重大环境挑战，亟需社会、监管及产业层面的变革。要通过减少废弃物、增加再利用和提升回收率实现循环经济，必须推进分拣技术的发展。这些技术必须具备经济性、精准度，并能高效处理大量物料。光学方法（特别是中红外光谱技术）具有显著优势，因其能依据化学成分精确分类不同塑料，这相较于近红外/短波红外光谱仪具有显著优势（图1）。

手持扫描仪

INFRASOLID公司HISpower系列高效红外辐射器为电池供电的便携式系统提供宽带强光照明。法国Lynred公司将该发射器与先进的非制冷微测辐射计阵列PICO640S BB 3-14结合，在紧凑的色散光学系统中，成功演示了覆盖3-14微米波段的高灵敏度中红外光谱仪系统（图2）。该光谱仪可实现与傅里叶变换红外光谱仪相当的瞬时测量，且采用超紧凑设计且无活动部件，使其成为集成于手持扫描仪等便携式电池供电设备的理想选择。在反射模式下对塑料废料的测量显示出显著不同的光谱特征和独特谱线。

黑色塑料分拣

塑料中的黑色碳染料会吸收光谱信号，导致近红外/短波红外光谱分析无法识别。这种塑料废料分拣中的实际难题可通过新型中红外光谱仪（图3）解决。除塑料分拣外，该技术还可广泛应用于有机化合物的化学分析领域，涵盖农业、食品加工、土壤分析、制药、生物学、气体分析、纺织品分拣以及小型卫星地球观测等方向。

更多详情请参阅以下文献:

https://doi.org/10.3390/spectroscj3020013

标准多气体检测

NDIR 气体传感器正日益被应用于多气体检测领域，可在单一装置中同时测量多种气体。该功能在工业和医疗应用中尤为重要。常见方案包括:

• 多个红外光源: NDIR 系统采用多个红外光源，每个光源均调谐至与不同目标气体（如二氧化碳、一氧化碳和甲烷）相关的特定波长。
• 多通道红外探测器: 现代系统常采用多通道探测器，最多可达八通道（参见 洞察24/04期），通过使用针对特定目标气体分别优化的不同带通滤波器，实现多波长信号的同步捕获。

这些常见的NDIR多气体传感器在性能上存在若干局限性，主要源于所有通道均采用固定且相等的吸收路径长度（图1）。这种设计尤其影响多气体传感器的动态范围、测量范围以及检出极限。

可调吸光路径长度

然而，每种气体都具有特定的吸收系数，在气体混合物中存在不同浓度，且根据具体应用场景，需遵守不同的排放与暴露限值要求。因此，为每个光谱通道配备可调节的吸收路径长度，可显著提升NDIR多气体传感器的性能。

种新型NDIR多气体传感技术可在单一光路中实现不同且可调的吸收路径长度（图2）。该技术采用单元件探测器，每个探测器均位于反射点处。在每个反射点，光谱滤光片将特定气体的窄波段透射至后方探测器，同时将其余宽带辐射反射回光路至下一个反射点（图3）。该系统采用模块化设计，通过简单调整路径长度和目标气体即可实现高成本效益。此外，它支持根据需求（测量范围、检测限、成本等）同时使用不同类型的红外探测器，例如热电堆、焦电探测器甚至光声探测器。

始于传统

传统的高温红外线（IR）辐射器（如白炽灯）使用的是由盘绕的钨丝和玻璃制成的外壳组成的易碎辐射元件，将光学发射限制在短波红外线（SWIR）或近红外（NIR）范围内。不过，新一代高温热红外辐射器（图1）使用坚固的金属片丝和蓝宝石窗口，将这一范围扩展到6微米波长，涵盖了短波红外（SWIR）和中波红外（MWIR）光谱。

新生代高温度红外光源

我们独特的金属片灯丝专利技术（见技术观察24/02）提供了一种扁平、独立的红外发射器灯丝，具有很高的坚固性和效率。利用标准的MEMS制造工艺，可轻松定制不同尺寸和几何形状的大型发光表面。我们的SOLIDSEAL®技术提供的密封外壳是实现高温运行的关键特征。除了可用的标准玻璃封装外，红外发射器还可以配备焊接蓝宝石窗口，将光谱发射率扩展到更高的波长（图2）。蓝宝石的硬度和对环境因素的耐受性使发射器坚固耐用，特别是在环境压力和温度较低的恶劣条件下。

为你的项目带来无与伦比的性能

在传统的分析应用中，例如需要对发光表面进行光学成像的红外光谱分析，金属片灯丝提供了一个稳定和可重复的灯丝位置，无需费时地进行灯管定位，并提供了一个高光输出功率的热点，以确保可靠和高精度的测量。不过，这种新型红外辐射器的优异性能也为非分析应用带来了新的可能性，例如增强成像和红外跟踪、液体的非接触式汽化（图3），甚至是具有正确光学焦点的非接触式袖珍打火机（图1）。

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测量气体浓度的常用方法

非色散红外 （NDIR） 气体分析（图 1）是一种广泛使用的技术，用于检测和量化各种工业、环境和医疗应用中的气体浓度。然而，NDIR气体传感器在灵敏度和准确性方面存在局限性，特别是在测量低浓度气体时。这些限制主要是由于红外 （IR） 源和探测器组件的性能限制。传统的红外光源，如线丝和Si-MEMS发射器，光输出功率和信号稳定性有限，导致信噪比降低，测量灵敏度降低。

高性能红外发射器

INFRASOLID开发了HISpower系列，这是一系列高性能热红外发射器，采用标准工业TO-8外壳，专为高精度NDIR气体分析而设计。为了展示其无与伦比的性能，我们建造了一个NDIR演示器（图2），该演示器利用了INFRASOLID的HIS2000R-CWC300红外发射器和世界上第一个八通道热释电探测器InfraTec LRM-278。红外光源的超高辐射功率产生高探测器信号 红外光源的极高辐射功率产生高探测器信号，无需额外的信号放大（图 3）。这允许将模拟检测器信号直接转换为数字信号，以便进行进一步的信号处理。电子和信号处理被最小化，从而消除了更多的噪声源并降低了制造成本。宽波长范围从 （2...20） μm 使其能够广泛用于工业、环境和医疗应用。

将NDIR气体分析推向极限

高性能红外组件在NDIR气体分析中起着至关重要的作用。通过红外源和红外探测器的优化组合，可以突破NDIR气体分析的界限。这样，需要测量最低气体浓度的应用，如排放监测和环境传感，可以满足新的法律法规。

碳化硅 (SIC) 炽热棒

碳化硅（SiC）炽热棒是红外光谱测量设备中最常用的红外（IR）光源。它具有高辐射率的特点，工作温度通常在 1200 K 到 1600 K 之间，因此在中红外和远红外范围内具有较高的光输出信号。然而，这些基于陶瓷的红外光源并不是理想的黑体辐射源，尤其是在波长大于 10 μm 的远红外和太赫兹（THz）范围内 （图 1）。

黑体辐射

根据斯特凡-玻尔兹曼定律，红外线辐射器的高光学输出是通过高辐射率、大范围辐射和高温的组合来实现的。不过，值得注意的是，根据普朗克辐射定律和维恩位移定律，工作温度的升高会导致黑体辐射的峰值强度向短波长移动，而对增加长波长的光输出影响较小。因此，要在远红外和太赫兹（THz）范围内实现最佳性能，最大限度地提高辐射率和确保足够大的辐射面积至关重要。

黑色涂层的氧化铝陶瓷

为了提高陶瓷在远红外和太赫兹范围内的发射率，我们开发了一种新型黑色涂层。它可以涂在氧化铝陶瓷的两面（图 2），辐射率接近黑体（见图 1）。与标准碳化硅炽热棒相比，这种黑色涂层的工作温度可达 1200 K 或更高，并能产生更高的信号（图 3）。此外，较高的发射率还能降低工作温度，这也带来了一些好处。

傅立叶变换红外光谱的优点

在傅立叶变换红外光谱仪等测量仪器中，较低工作温度的红外发射器具有许多优点：温度漂移较小、稳定性和使用寿命较高、测量速度较快、几乎没有火灾风险、与生物应用相关的无样品加热等。

钨丝灯泡--宽带标准

钨（卤素）灯因其辐射光谱宽广，通常用作近红外波长范围内吸收光谱分析的光源（图1）。它还用于大容量 气体传感应用，如测量二氧化碳和碳氢化合物。然而，脆弱而纤细的金属丝并不能满足理想光源的所有要求。为了确保可靠和高精度的测量，稳定和可重复的灯丝位置至关重要。要实现这种稳定性，需要复杂和高精度的灯泡制造。冲击和振动也可能导致灯的强度闪烁，从而限制测量的准确性。在实际应用中，往往需要耗费大量时间来正确定位白炽灯。

改进灯丝

灯丝的光度特性主要取决于其几何形状。首选的光源是具有正方形发光表面的扁平灯丝。大部分发射光垂直于灯丝的平面辐射，与收集光学元件对准，从而实现最高效率。INFRASOLID 采用独特的发射器技术，通过发射近红外和中红外范围内的宽光谱光，提供由整体高熔点金属制成的独立金属片灯丝（图 2）。钨丝灯丝在振动和冲击时可在所有空间方向上移动，而金属片灯丝则不同，它只能沿一个轴线进行非常有限的移动，类似于一张夹紧的纸。这就提供了更高的机械和光学稳定性，从而能够在恶劣环境中使用手持设备进行更精确的测量。它还消除了耗时的灯管定位需要。

定制化

金属片灯丝可以制造成不同的尺寸和几何形状，以轻松适应客户的特定应用。金属片灯丝的面积越大，光输出就越高（见图 1）。由于近红外和中红外光谱范围内的宽带发光二极管非常有限，像灯泡这样的热发射器将继续成为吸收光谱应用的标准光源。

SMD封装红外光源

SMD 是表面贴装器件（Surface Mount Device）的缩写，指直接安装在印刷电路板 PCB）表面的电子元件。与传统的通孔封装 相比，这些封装设计得更小、更高效，而传统 的通孔封装仍是红外（IR）光学元件的标准。然而，SMD 封装因其在尺寸、成本、性能和 易于自动化装配方面的优势，已成为现代电子 制造业的主流选择。

INFRASOLID 拥有独特的红外光源专利技术，能够制造出不同 SMD 封装的高效微型热红 外光源。如图 1 所示，高度微型化使红外辐 射器矩阵与可单独控制的元件紧凑地排列在一起。SMD封装的红外光源具有宽带辐射光谱，可配备不同的滤光窗口，发射不同的波长，即显示不同的颜色。

自动化和大批量应用

SMD 技术提高了 PCB 组装的效率和自动化程度，从而提高了生产率、减少了错误、降低了 浪费并降低了成本。SMD元件体积小，与印刷 电路板接触的表面积大，因此对物理冲击和振 动的承受能力更强。小尺寸使印刷电路板上的 元件密度更高，从而使电子设备更小、更紧 凑。因此，SMD封装的红外光源将为全新的应 用铺平道路，如用于气体传感、材料分析和遥 感的手持式、便携式和无线设备。

遥感应用

SMD红外光源阵列（如 3x3 像素）可产生不 同的排列方式，如图 2 所示，用于遥感应用 中的通信和识别，以及光学系统的精确对准。它还能在具有挑战性的视觉条件、恶劣环境和 远距离条件下进行探测。让我们一起探讨SMD红外光源阵列在您未来应 用中的可能性吧。