基本结构和工作原理解析

采用气动检测器（薄膜电容检测器和微流量检测器）的红外线气体分析器，其光学系统一般为双光路结构，测量方式属于不分光型。下面以传统的薄膜电容式仪器为例，介绍其基本结构和工作原理。

（1）采用并联型薄膜电容检测器的红外分析器

图3.9是传统双光路红外分析仪的原理示意图，该仪器采用薄膜电容检测器，其接收气室属于并联型结构，有左、右两个气室。

图3.9　采用并联型薄膜电容检测器的红外分析器

1—光源灯丝；2—同步电机；3—切光片；4—测量气室；5—参比气室；6—检测器左接收气室；7—检测器右接收气室；8—薄膜电容动片；9—电容定片；10—放大器；11—显示仪表

图3.10　双光路红外分析器原理结构图

光源灯丝1发射一定波长范围的红外辐射，在同步电机带动的切光片3的周期性切割作用下，两部分红外辐射变成了两束脉冲式红外线。一束红外线通过参比气室5后进入检测器的左接收气室6，另一束红外线通过测量气室4后进入检测器的右接收气室7。参比气室充有不吸收红外线的氮气（N2），通过参比气室的红外线其光强和波长范围基本不变。另外一路红外线通过测量气室时，由于待测组分的吸收其光强减弱。

检测器由电容薄膜动片隔成左、右两个接收气室，接收气室里封有不吸收红外线的气体（N2或Ar）和待测组分气体的混合物，所以进入检测器的红外线就被选择性地吸收，即对应待测组分特征吸收波长的红外线被完全吸收。由于通过参比气室的红外线未被待测组分吸收过，因此进入检测器左接收气室后能被待测组分吸收的红外线能量就大，而进入检测器右接收气室的红外线由于有一部分在测量气室中已被吸收，所以其能量较小。检测器内待测组分吸收红外线能量后，气体分子产生热膨胀，压力变大。由于进入检测器左右气室的红外线能量不等，因此两侧温度变化不同，压力变化也不同，左气室内压力大于右气室，此压力差推动薄膜8产生位移，从而改变了薄膜动片8与定片9之间的距离及其电容。

将此电容量的变化转变成电压信号输出，经放大后得到毫伏信号，此毫伏信号代表待测组分的含量大小。显然待测组分含量越高，两束红外光线的能量差越大，故薄膜电容器的电容变化量也越大，输出信号也越大。(www.xing528.com)

（2）采用串联型薄膜电容检测器的红外分析器

图3.10是一种双光路红外分析器的原理结构图。该仪器采用单光源和薄膜电容检测器，测量气室和参比气室采用“单筒隔半”型结构，接收气室属于串联型，有前、后两室，两者之间用晶片隔开。

在检测器的内腔中位于两个接收室的一侧装有薄膜电容检测器，通过参比气室和测量气室的两路光束交替地射入检测器的前、后吸收室。在较短的前室充有被测气体，这里辐射的吸收主要是发生在红外光谱带的中心处，在较长的后室也充有被测气体，由于后室采用光锥结构，它吸收谱带两侧的边缘辐射。

当测量气室通入不含待测组分的混合气体（零点气）时，它不吸收待测组分的特征波长，红外辐射被前、后接收气室内的待测组分吸收后，室内气体被加热，压力上升，检测器内电容器薄膜两边压力相等，接收气室的几何尺寸和充入气体的浓度都是按上述原则设计的。当测量气室通入含有待测组分的混合气体时，因为待测组分在测量气室已预先吸收了一部分红外辐射，使射入检测器的辐射强度变小。此辐射强度的变化主要发生在谱带的中心处，主要影响前室的吸收能量，使前室的吸收能量减小。被待测组分吸收后的红外辐射把前、后室的气体加热，使其压力上升，但能量平衡已被破坏，所以前、后室的压力就不相等，产生了压力差，此压力差使电容器膜片位置发生变化，从而改变了电容器的电容量，因为辐射光源已被调制，红外辐射交替穿过测量气室和参比气室到达检测器，导致电容量交替变化，电容的变化量通过电气部件转换为交流的电信号，经放大处理后得到待测组分的浓度。

这种串联型接收气室和并联型接收气室相比有两大优点：

①零点稳定：由于这种串联型接收气室在零点工作时膜片上受到的压力没有变化，因此其状态十分稳定，不易受外界干扰的影响。而并联型接收气室（图3.9）在零点工作时，或者因左、右气室内部工作压力的此起彼伏变化，或者因气体吸收状态的变化（例如光强变化等），都会造成零点不稳。

②抗干扰组分影响的能力强：这是由它的结构特点，即两个接收气室串联连接决定的。图3.11示出了串联型接收气室中前、后室对测量组分和干扰组分的吸收特性曲线，图3.11（a）是不存在干扰组分时的情况，图3.11（b）是存在干扰组分时的情况。此处干扰组分对测量的影响，是指干扰组分在前、后室产生的信号合成后差值的大小。由于干扰组分在后室产生的是负信号，对干扰组分在前室产生的正信号具有补偿作用。但这种有价值的补偿在并联型接收气室中是不存在的，因为干扰组分在左、右气室中产生的都是正信号，相互间是叠加关系，并无补偿作用。

图3.11　串联型接收气室抗干扰组分影响吸收特性曲线

因为串联型接收气室有此突出优点，所以在一般情况下，这种光学系统不设滤波气室、不加干涉滤光片，也能获得较为满意的选择性。目前生产的红外线气体分析器中普遍采用这种串联型结构的接收气室。