Cảm biến khi bằng công nghệ hồng ngoại

CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI
NGUYÊN TẮC NGUYÊN TẮC

Từ lâu người ta đã biết rằng:

1. Một loạt các vật liệu hấp thụ bức xạ hồng ngoại (do rung động phân tử)
2. Đối với bất kỳ vật liệu nào, cường độ hấp thụ (độ hấp thụ) thay đổi theo bước sóng (phổ hấp thụ của nó)
3. Các vật liệu khác nhau có phổ hấp thụ khác nhau.

Các nguyên tắc cơ bản của hoạt động của cảm biến khí hồng ngoại dựa vào việc khai thác các đặt tính này. Quang phổ hồng ngoại điển hình cho carbon monoxide, propane, n-hexan và carbon dioxide được thể hiện trong hình 1.


NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ

Có một số thành phần cơ bản phổ biến cho tất cả các cảm biến khí sử dụng hồng ngoại đó là: nguồn phát hồng ngoại (ví dụ đèn sợi đốt), thiết bị nhận (ví dụ: thermopiles, detector pyroelectric), phương tiện để chọn bước sóng thích hợp (ví dụ: bộ kính chọn bước sóng) và tế bào mẫu. Bức xạ từ nguồn đi qua các tế bào mẫu và bộ chọn bước sóng. Sự lựa chọn của bước sóng có một ảnh hưởng lớn trên sự chọn lọc tương đối của cảm biến. Sau đó, bức xạ không được hấp thụ bởi mẫu được đo lại và tỷ lệ này cung cấp một phép đo nồng độ của khí mục tiêu trong mẫu. Cảm biến nhận thứ hai (hoặc kênh) được điều chỉnh theo một bước sóng khác không bị suy giảm bởi bất kỳ loài nào có khả năng có mặt trong mẫu thường được sử dụng để cung cấp phép đo tham chiếu này.

Một thành phần nữa giúp tăng cường hiệu suất của cảm biến khí IR là cảm biến nhiệt độ. Tất cả các thành phần này có phụ thuộc nhiệt độ phải được bù để cung cấp một phép đo nồng độ khí chính xác. Cảm biến nhiệt độ này (thường là một điện trở nhiệt) nên được bố trí bên trong, hoặc ở gần rất gần, (các) cảm biến nhân.

Cảm biến hồng ngoại hiệu quả cho phép đo số lượng phân tử khí mục tiêu trong đường đi ánh sáng giữa nguồn và detector. Do đó, tín hiệu đầu ra không chỉ thay đổi theo nồng độ mà còn áp suất khí quyển tức là chúng là các thiết bị áp suất từng phần. Đối với độ chính xác đo rất cao, do đó, cần phải bù áp suất khí quyển. Sự phụ thuộc này cũng cho rằng các cảm biến có độ dài đường quang dài hơn (tức là khoảng cách đi qua bức xạ giữa nguồn và detector) sẽ tăng độ nhạy và có phạm vi động thấp hơn nhưng tăng độ phân giải.

Trong một khí mục tiêu duy nhất, thiết bị đường quang ánh sáng cố định dưới áp suất khí quyển không đổi, đầu ra tín hiệu (và tín hiệu / tỷ lệ nhiễu) khoảng phân rã theo cấp số nhân với nồng độ gia tăng tức là cảm biến khí hồng ngoại vốn không tuyến tính. Độ chính xác đo giảm khi tăng nồng độ.

Các thành phần được mô tả ở trên tạo thành một cảm biến khí hồng ngoại điển hình. Tuy nhiên, một số thiết bị điện tử hỗ trợ được yêu cầu trong bất kỳ hệ thống thực tế nào. Các công nghệ dò tìm phổ biến hơn cung cấp các đầu ra tín hiệu tương tự rất nhỏ đòi hỏi sự khuếch đại. Lọc tương tự cơ bản của tín hiệu đầu ra khuếch đại sau đó có thể nâng cao độ chính xác của phép đo.

Nguồn cũng yêu cầu một mạch điều khiển. Thực hành thông thường là điều chỉnh đầu ra nguồn bằng cách tạo xung (mặc dù một số thiết kế cũ hơn sử dụng ánh sáng cố định và máy cắt cơ khí). Điều này tạo ra các biến thể định kỳ trong cường độ phát xạ và do đó cho phép sử dụng các kỹ thuật phát hiện đồng bộ.

Để thực hiện bù nhiệt độ và khí quyển, thực tế phổ biến là sử dụng các thuật toán tính toán bên trong bộ vi xử lý. Điều này đầu tiên yêu cầu các tín hiệu tương tự được chuyển đổi thành tín hiệu số. Dữ liệu được bù trừ sau đó được truyền cho người dùng dưới một dạng nào đó.

Sơ đồ khối tổng thể của cảm biến khí IR kênh 2 điển hình với các thiết bị điện tử hỗ trợ riêng biệt được hiển thị trong Hình 2.

Hình 2: Sơ đồ khối của cảm biến khí hồng ngoại có độ chính xác cao 2 kênh