选择薄膜热电传感器进行火焰检测和气体分析

随着人们对环境中温室气体的日益关注，以及测量空气污染和探测火情的需要，气体识别和检测已成为许多人高度关切的领域。本文将为您介绍设计人员如何使用适用于气体和火焰检测的无源热电传感器来解决人们所关切的问题。

红外 (IR) 传感

能够感应到环境中的气体是一项非常有用的功能，此功能对于检测二氧化碳 (CO₂) 和一氧化碳 (CO) 等对环境敏感的气体尤其有用。同样的技术也可用于火焰检测，因为明火中出现的主要气体是 CO 和 CO2。一氧化碳、二氧化碳、水蒸气、甲烷 (CH₄) 等碳氢化合物 (H-C) 以及其他几种气体在中红外波段具有显著的吸收光谱。

红外辐射的光谱分量介于微波和可见光的光谱分量之间，波长范围是 0.76 μm-1 mm 之间。这一范围又分为三个不同的子区：短波（或称近红外），波长范围 0.76 - 3 μm；中波（或称中红外），波长范围 3-14 μm；长波（或称远红外），波长范围 14 μm-1 mm。

大多数相关气体的吸收光谱都处于中红外波段（图 1）。

图 1：中红外光谱范围内不同气体的红外吸收峰值。（图片来源：Broadcom）

由于明火释放的主要气体是 CO₂ 和 CO，因此可以利用这项技术来检测火焰。

红外检测

红外辐射源可通过多种不同的方式来进行检测。具体来说，近红外波段可使用光电二极管来检测。其他传统检测方法包括使用热电堆（由热电偶组成的堆叠件），热电堆可以对热辐射作出响应，产生与红外能量引起的温度变化成正比的电压。

最近，人们开始使用利用了热电效应的传感器来检测中红外到长红外光谱波段。热电效应是指某些晶体材料在受热或冷却时，其表面能够产生电压的一种现象。我们可将这种传感器形象地理解为电容器，在受到红外线辐射时会自行充电。与热电堆相比，热电传感器的优点包括：响应速度更快、信噪比 (SNR) 更优、更灵敏（因其更高的响应性）。至于光电二极管，尤其在测量较长红外波长时，需要冷却才能获得良好的信噪比。相比之下，热电传感器在测量中红外到远红外光谱波段时无需冷却，因此更具优势。

红外传感器的制作可采用钛酸铅 (PZT) 或钽酸锂 (LiTaO₃) 等热电材料。采用这些材料制作传感器时，一般有两种方式：块状形式和薄膜混合结构。与采用薄膜技术制作的器件相比，块状热电器件的响应速度和 SNR 通常较差。

薄膜热电传感器一般配有一个高增益放大器，用于保护热电器件（图 2）。

图 2：薄膜热电传感器的封装包括传感器芯片、高增益放大器和集成式红外滤光片。（图片来源：Broadcom）

放大器采用低噪声 CMOS 运算放大器 (op amp)，反馈电阻高达 10 GΩ。输出信号以电源电压的一半为中心。这种传感器具有响应稳定、迅速、工作频率范围广等特点。

滤光片用于限制传感器所响应的波长范围，其主要作用是将传感器调整到特定的红外波长。

薄膜热电传感器应用

检测中红外波段的薄膜热电传感器应用广泛，包括火焰检测、气体分析、燃料和油品分析、食品安全和环境监测。

用于火焰检测时，该红外传感器可测出来自火焰的红外辐射。火焰周围有大量炙热气体，如 CO₂ 和 CO。火焰及其周围气体并非静止不动，而是通常以 1-15 Hz 的频率闪烁。红外传感器以闪烁频率监测逸出气体的光谱范围，从而实现对明火的精确检测。

火焰检测的关键特性是视场 (FoV) 和动态范围（用信噪比表示），这两个参数值越大越好。火焰检测由火源自激发，一般情况下，使用单通道红外传感器即可。

红外气体分析是指根据被测气体对红外光线的吸收情况而进行的一项分析，这一过程称为非分散红外 (NDIR) 光谱分析。红外线发射器是宽带红外能量（包括吸收波长）的来源。气体分析一般使用两个红外传感器，其中一个经过滤波来测量被测气体的吸收波长，另一个传感器经过非吸收波长滤波来提供参考信号 (图 3)。

图 3：采用薄膜热电传感器的气体分析装置简图。（图片来源：Broadcom）

用频率调制为 30-100 Hz 的脉冲黑体辐射源，在气体管中注入适当范围的红外波长。管内气体会根据各自的原子结构吸收红外能量。例如，CO₂ 会吸收波长 4.26 μm 的能量。选择 CO₂ 不吸收的邻近波长 (3.9 μm) 为参考波长。参考通道可监测红外光源功率的任何变化。为了减少干扰，用阻隔滤光片将传感器收到的波长范围限制在与气体吸收相关的范围以及参考通道的波长。

最常监测的四种气体是氧气 (O)、CO、CO₂和氧化氮 (NO)。与其他方法相比，红外传感器优势明显，包括使用寿命长、响应速度快、无需校准以及能够检测和识别多种气体。

薄膜热电传感器

掌握了这些信息，您可能很想开启自己的热电传感器设计方案。如果您想了解从哪里获取这些器件，Broadco 有现货供您选择，这些传感器采用了 Broadco 自己的钛酸铅薄膜红外技术。Broadco 拥有对分立中红外波段非常敏感的模拟单通道和双通道红外检测器件，适用于火焰检测和气体分析。

这些传感器采用 TO-39 金属罐进行封装，非常适合重工业、石油和天然气、基础设施和森林保护等行业的户外使用场景，户外使用以及 FoV 和 SNR 都是这些行业需要的重要特性（图 4）。

图 4：采用 TO-39 封装的单双通道薄膜热电传感器示例。（图片来源：Broadcom）

传感器的额定响应度为 150,000 V/W，信噪比为 10,000。所有传感器均采用介于 2.7 到 8 V 之间的单电源轨，工作温度范围 -40°C 至 +85°C（表 1）。

薄膜热电单通道传感器

薄膜热电双通道传感器

表 1：Broadcom 单通道和双通道薄膜热电传感器的主要光谱特性。（表格来源：Art Pini）

所用滤光片的波长限值由中心波长以及滤光片的半功率带宽或带通滤光片的起始和截止波长确定。用于气体分析的双通道传感器滤波后可检测特定气体的波长以及邻近的参考波长。例如，双通道传感器 AFBR-S6PY0234 配有一个用于检测 CO₂ 的可滤波至 4.26 µm 的分析窗口，以及一个波长 3.91 µm 的参考窗口，该参考值介于图 1 所示的 CO 和 CH₄ 吸收峰值之间。该传感器还设有 12 ms 快速时间常数，用于快速检测火焰。

传感器的连接相对容易，通过一个简单的非反相放大器提供带通增益，可为后续电路提供足够驱动力（图 5）。

图 5：双通道薄膜热电红外传感器的简单放大器接口示意图（图片来源：Broadcom）

放大器可为传感器输出信号的交流分量提供 25 dB 的电压增益，带通频率范围 1-50 Hz。直流 (0 Hz) 时，放大器充当单位增益电压追随器。频率高于 50 Hz 时，输出电平缓慢降至单位增益。

总结

如果您正在寻找气体检测解决方案，那么结构简单、元件数量少、单双通道两种配置的 Broadcom 模拟传感器是您不错的选择。热电材质选用钛酸铅的 Broadcom 薄膜传感器具有与生俱来的极高品质，具体表现为：电流模式检测，响应度高达 150 kV/W；3-15 Hz 火焰闪烁范围内响应稳定；12 ms 快速时间常数，可满足快速火焰检测需求；高达 10,000 的信噪比。响应时间快适合工作电平低的作业场景，可延长红外光源的使用寿命，是气体和火焰检测系统的理想组件。