Technology insights

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。