红外光学气体传感器的发展现状探析

鉴于红外气体传感器的原理及所具备的优点，世界各国的许多科技工作者都在该领域中进行了深入的研究。在国外发达国家对气体在线检测仪器研究和应用方面较早，现已研制出的基于光干涉原理、热催化原理、热导原理的传感器都在气体检测中起到了推动作用。在大多数的检测方法和仪器中，红外光谱吸收型气体传感器技术方案是最有效和广泛采用的方法。1979年H.Inaba提出利用光谱吸收法通过光纤传输光信号进行长距离的大气污染检测。1983年由A.Hordvik等人和Kchan等人分别发布了光纤瓦斯检测的实验^[33]。澳大利亚的CO和NO₂气体传感器，其检测灵敏度优于2×10^-6。

早在20世纪70年代，德国就研制了防爆型红外一氧化碳检测仪SIGMA-CO^[34]。该仪器具有较高的灵敏度和选择性，用于输送带的早期探火和矿井中CO的检测。但其体积较大，更换过滤器频繁，使用不方便。

20世纪80年代，法国研制了红外CO₂检测仪，可用于爆炸危险环境CO₂气体的检测^[35]。该检测仪运用开放式气室，直接接触所检测气体。在检测过程中，对红外光源老化、探测器老化引起的误差自动补偿；监测仪能够适应井下的高粉尘环境，能对煤矿下大气中二氧化碳进行检测。

20世纪90年代初，俄罗斯研制了CNTMA-CO-B型矿用一氧化碳检测装置^[36]。能自动检测和校零，不用标准气就可以检查气体灵敏度和技术状况。测量范围0～0.01%，选择性强、灵敏度高，精度±6%；另外，于1992年对CNT-MA-2M型矿用红外甲烷传感器的防爆问题进行了研究^[37]，提出了红外辐射器在正常和故障情况下安全温度和本安电流的计算公式及螺旋丝与反射器内表面的关系。

英国SERVOMEX 2500-FM2和2500-UK2防爆系列红外气体传感器^[38]可测量HCI、CO和NO，能检测到极低的浓度，并且具有很强的选择性。仪器采用单光路（时间双光束）结构，单片机控制，采用气体滤波技术，可以24h连续工作，响应时间11s，零漂小于±1%/周，误差±1%，重复性±0.5%。但仪器需要用泵抽气，气体进入气室前需要过滤、干燥，因此，整个仪器结构复杂、功耗较大。同时，仪器的体积较大。

1995年，波兰的Michalunio.A等人通过分析传统红外气体传感器的辐射损失与装置几何尺寸关系，寻找本安型节能办法中建议采用抛物面和椭圆聚焦的光学装置^[39]。

目前随着MEMS（Micro-Electro-Mechanic System，微机电系统）技术，特别是光学MEMS技术的发展，得以使红外光学气体检测系统的小型化成为可能。采用MEMS技术基于红外原理的微小型气体传感器，与传统器件相比，在稳定性、功耗、灵敏度、可靠性、使用寿命、极快的响应恢复时间以及价格成本等方面都有显著优势^[40-43]。

在十多年前，NDIR气体探测系统在美国就已经有了广泛的应用。例如，Rae System公司于2002年提出将分立的红外光源、探测器、气室集成在一个T05管壳中作为小型化的红外气体传感器，并且能够用于检测碳氢化合物、二氧化碳、一氧化碳和一氧化氮气体浓度^[44]。随着集成技术的不断发展，2012年，英国Cranfield大学将红外热辐射源、窄带滤波片、热释电传感器集成在圆柱形管壳中，对管壳壁进行特殊光学设计及处理，制作了低成本且高效率的二氧化碳NDIR传感器，其结构如图1-12所示。该器件的灵敏度高达3500V/W，量程达到0～10000×10^-6[45]。

德国、日本、美国等多家公司已经生产出相关的红外气体探测仪及地下救护设备，图1-13所示为国外气体检测设备，图1-14～图1-16分别所示为德国、日本、美国研制的红外传感器。虽然国外有一些基于红外技术的气体传感器，但价格昂贵，应用受到了限制。

图1-12 Cranfield大学研制的NDIR二氧化碳传感器

图1-13 国外气体检测设备

图1-14 德国研制的红外传感器

图1-15 日本研制的瓦斯传感器(www.xing528.com)

在国外，对气体检测的研究已有一定的历史，也取得了较大的进展，但是对于研制新型的检测系统，用新的检测方法去研究新的探测器以更适应应用场所的需要，是目前研究领域所重点关注的^[46]。

图1-16 美国研制的传感器

在我国，近几年才在矿用红外气体检测方法的研究方面有所开展。1996年，山西矿院对现有红外传感器光路结构的探讨，设计了适用于井下的光学系统，并改进了斩波技术，信号处理采用以单片机为核心的软件处理技术。同年，合肥煤炭科学研究院对法国LEL-5610防爆型红外二氧化碳检测仪进行了分析，并提出了几种国产化方案。

2004年由武汉四方光电科技有限公司所承担的研究项目——非分光红外（NDIR）气体传感器技术研究方面，取得了新进展，这一研究结果使我国非分光红外气体传感器关键技术研制达到了国际同类产品的先进水平。

中北大学于2008年制作了集成于T0管壳中的CH₄、CO₂双气体红外传感器^[47]，如图1-17所示。

图1-17 中北大学研制的CH₄、CO₂双气体红外传感器

复旦大学于2010年使用MEMS结构的红外辐射源与红外探测器，在一个中空光纤中集成制造了新型CO₂红外传感器^[48]，该器件使用了中空光纤气室进而实现了小于10s的响应速度。另外，中科院微电子所于2010年提出了基于光子晶体阵列滤波器结构的红外MEMS气体传感器^[49]，能够实现针对多种气体探测的高灵敏度探测。

我国每年需要的近10000套尾气分析仪核心传感器都需要从国外进口，用于连续污染物监测系统的关键分析部件国产化率也很低，用于麻醉无创监护的呼气CO₂传感器，以及用于安全监测领域的红外瓦斯传感器和红外可燃气体变送器在国内还是一片空白。红外气体检测技术在我国无论是在用新技术改造传统产业，还是在替代进口各方面都有明显的优势，应用范围广泛，具有明显的社会效益和经济效益^[50-53]。

由于红外气体检测技术在各个经济领域日益显示出了重要作用，各工业发达国家都在积极研究中。随着通信技术的发展，使得以往研制红外气体传感器需要的器件成本大大下降，新技术、新材料、新元件、新工艺的发展^[54]，使得新型红外气体检测仪的研制得到了技术上的有力保障，如自动校零、线性输出、干扰误差的消除等都已成为现实。

近20年来，在光学结构上，也在进行不断的改进和革新。如采用性能稳定的黄金作灯丝来加热高效陶瓷光源，其加热功率为2W，该光源由于结构密封，所以安全，寿命也长，因为化学稳定性能极好，不存在镍铬丝释放微量气体的问题。在材料方面，随着新型纳米技术的发展，纳米材料或结构也逐步在红外传感器中获得了应用^[55，56]。1998年哈佛大学Mazur实验室通过飞秒激光束照射硅片而获得一种表面形成准有序晶微结构硅材料——黑硅，发现这种微结构对太阳光具有极低的反射率以及广谱吸收，其光敏性是传统硅材料的百余倍^[57-59]。黑硅在近红外波长范围内的吸收率都高于85%，这对红外探测器来说是很高的，黑硅作为红外探测器的吸收层材料得到了广泛的研究^[60-64]。

目前，我国大部分煤矿（包括许多大中型煤矿）使用的都是基于电子式的瓦斯报警传感器。这种报警器虽然价格便宜，但其存在许多不容忽视的弊端。电子传感器具有稳定性差，精度不高，易与矿井下的其他气体（如CO）发生反应，产生误报警，而且由于环境的影响，必须对其进行定期校准，使用寿命也很短，既浪费人力又耗费财力，安全性也不高。从长远发展来看，现有的气体传感器系统有待改进。

随着红外传感器及相关技术的不断发展创新，红外检测技术的应用越来越广。在我国许多领域都引入了红外技术，例如红外防盗探测器/报警器、头盔式红外热成像仪等。但用于气体检测技术中，还是一个较新的研究方向。

综上所述，目前缺少一种微型化的、低功耗的气体传感检测设备来满足目前国内的需要，国内大多数气体传感检测系统都不能满足需要，综合来说，每种系统都可能存在量程小、体积大、功耗大、需短期内校准、使用寿命短、无数据传输方式等其中某种或某几种缺点，所以对微红外传感检测系统的研究具有深刻的意义和广阔的应用前景。