气体检测和浓度测量是全球医疗和工业领域的标准程序。但在选择元件时需要注意什么，多通道检测器和红外线辐射器与此又有什么关系呢？
Fig. 1: 上图为近红外气体分析的原理设置，下图为实际设置，配有 InfraTec 公司的热释电八通道探测器（右）和 Infrasolid 公司的电调制红外光源（左）。(图：Infrasolid/InfraTec)
几乎所有气体都具有吸收中红外光谱中特定波长辐射的特性。这意味着辐射会根据气体和现有气体浓度的不同而减弱。在非色散红外气体分析仪（NDIR 气体分析仪）中可以测量和观察到这种效应。这样就能长期稳定、准确地测定气体浓度，并降低对其他气体的交叉敏感性。其应用领域非常广泛：从肺功能诊断到麻醉气体的剂量，应用于健康领域；应用于采矿业的个人安全设备；应用于环境技术领域--例如，测量烟囱和车辆排出的废气。
具有八个光谱通道的近红外多气体分析功能原理
测量室通过红外线辐射进行气体分析。气体测量模块包括一个电子或机械调制的红外辐射源、一个待测气体流经的样品池、以及一个或多个光谱通道的热释电探测器，用于测量射入的辐射强度。探测器中的一个测量通道通常用作参考通道，辐射在此通道上汇聚，不受待测气体的影响。
根据待测气体浓度的不同，参考通道的作用也不同。强度的变化会在探测器的通道上产生相应的信号，并将它们与参考信号联系起来。参考通道还能校准由于红外辐射源老化或设备使用过程中红外辐射源光路污染而产生的漂移效应。通过 InfraTec 世界上第一个八通道探测器，可以使用八个不同的光谱通道进行气体测量。
Fig 2: InfraTec 公司的第一台八通道探测器 LRM-278；可识别的是 8 个不同的窄带通滤波器。(Fig.: InfraTec)
气体分析的物理原理
许多气体会吸收不同波长的红外辐射，这意味着可以通过评估独特的光谱吸收来识别气体。近红外气体分析仪就是利用这一原理。检测器的每个通道都集成了一个窄带通滤波器，与目标气体的吸收波长相对应。通道越多，每个单独通道的传感器面积就越小，拥有一个强大的红外辐射器就越重要。
Fig. 3: Infrasolid 发射器与 TO-8 外壳中其他热红外发射器的信号增益对比。不同波长的信号增益超过 500%。(图：Infrasolid/InfraTec）
如何选择红外探测器
热释电探测器可以在很大的波长范围内进行测量，因此在气体分析仪器方面实现了明显直接、长期稳定、经济高效和持续运行的测量程序。
要同时识别多种气体并排除气体混合物中的交叉敏感性，需要多个光谱通道。InfraTec 提供具有专利设计的组件，辐射从探测器的一个孔进入，最多可照亮八个通道，从而实现这一目的。这样，就有大量辐射到达元件，而元件又具有高信噪比，为用户侧的电子增强提供了优势。
热释电探测器适用于气体分析，因为探测器中安装的钽酸锂（LiTaO3）热释电晶体会随着温度的变化而改变极性。为了加强热释电效应，在热释电材料 LiTaO3 上涂敷了一层高吸收性黑色涂层。如果红外辐射照射到这一层上，热释电材料就会升温并产生表面电荷。如果关闭辐射，则会产生极性相反的电荷。不过，电荷量非常低。在电荷通过晶体的最终内阻重新平衡之前，极低噪声、低漏电流的场效应晶体管（JFET）或运算放大器（OpAmp）会将电荷转换为信号电压。使用运算放大器（电流模式工作）的探测器可以非常快速地工作。它们的高输出信号可以顺利处理，几乎没有干扰。
Fig. 4: 带有镀金反射器的 Infrasolid 红外线发射器的原理结构。(图：Infrasolid/InfraTec）
首台八通道探测器
InfraTec 的 LRM-278 首次在直径为 15.2 毫米的 TO8 外壳中集成了八个测量通道。与传统的四通道检测器相比，这种尺寸的单个检测器可检测的气体数量增加了一倍。
从探测器的设计来看，有两个细节非常明显，它们为确保在如此小的空间内安装如此强大的解决方案做出了重要贡献。
一方面，探测器的盖子中央有一个内置窗口。这使得探测器能够更好地抵御外部冲击，并使热释电元件的高辐射达到正信噪比。它尤其能保护敏感的窄带通滤波器，还能满足进一步的光谱要求，如阻挡吸收带以外的区域。
第二个细节隐藏在探测器内部。在特殊的框架上，用于热补偿的敏感热释电元件和红外滤光片直接堆叠在一起。通过这种堆叠设计，在一个紧凑的 TO-8 外壳中可以容纳八个通道和所有其他元件。
测量直接靠近红外滤光片的温度对于仪器校准至关重要。LRM-278 检测器的紧凑设计还首次集成了温度传感器，使外部温度测量变得多余。
Fig. 5: 带反射器的 TO8 外壳发射器（左）和带反射器和温斯顿锥形准直器的发射器（右），右图很好地反映了优化后的射线束。(图 5：Infrasolid/InfraTec)
合适的红外线光源
Infrasolid 的调制发射器可提供宽带辐射。电调制意味着可以省去机械斩波器。这意味着整个传感器的结构可以更加紧凑，由于省去了机械部件，系统也更加坚固耐用。获得专利的双蜿蜒辐射丝设计保证了较高的机械稳定性，同时也增加了电阻，这意味着发射器可以在较低的电流下工作。在整个运行过程中，高电阻始终保持不变，从而实现了极高的效率和整个灯丝的均匀加热。灯丝的两面都经过特殊处理，以显著提高辐射功率。
与目前市场上的其他热红外辐射源相比，Infrasolid 的 TO8 红外辐射器能提供最高的传感器信号。图 3 比较了 Infrasolid 发射器和传统的 TO8 红外发射器的信号增益。可以清楚地发现，Infrasolid 红外辐射器与其他热敏 TO-8 辐射器相比，在 3 微米到 5 微米的波长范围内，信号高出 2 到 4 倍，在 10.35 微米的长波范围内，信号甚至高出 5 倍。这归功于辐射灯丝的高温、大辐射面积和高发射度。此外，通过安装在 TO 底座上的镀金反射器，后侧发射的辐射被额外反射到帽盖开口处并加以利用（图 5），从而使探测器获得额外的信号增益。使用 Infrasolid 发射器可以将气体测量仪器的分辨率提高 5 倍。这将大大提高传统近红外结构的性能。
如果水蒸气部分凝结在比色皿内壁上，比色皿内的额外反射就会产生特别大的干扰影响。为了减少反射，Infrasolid 的发射器还可以安装所谓的温斯顿锥形准直器。这可以将发射器发出的辐射捆绑在一起，减少从比色皿壁到撞击检测器的反射。图 5 显示了根据辐射角度测得的辐射性能。
Fig 6: 红外发射器和反射器的一个潜在应用领域是医疗领域，例如监测麻醉气体。(图：Fotolia/beerkoff）