紅外線是一種看不見(jiàn)的光，其波長(zhǎng)范圍為0.78—1000微米。它在紅光界限以外，所以得名紅外線。紅外線可分為三部分，即近紅外線，波長(zhǎng)為0.75～1.50μm之間；中紅外線，波長(zhǎng)為1.50～6.0μm之間；遠(yuǎn)紅外線，波長(zhǎng)為6.0～l000μm之間。

　　波長(zhǎng)——在光的傳播方向上，相鄰兩光波同相位點(diǎn)間的距離稱為波長(zhǎng)。

　　波數(shù)——波數(shù)是描述紅外輻射的一個(gè)參量，是指每厘米長(zhǎng)度內(nèi)所含紅外波的數(shù)目。

　　頻率——單位時(shí)間內(nèi)光波振動(dòng)的周數(shù)。

　　光子能量——光波以輻射的形式發(fā)射、傳播或接受的能量，用E表示，單位為J。

　　特征吸收波長(zhǎng)——在近紅外波段和中紅外波段，紅外輻射能量較小，不能引起分子中電子能級(jí)的躍遷，而只能被樣品分子吸收，引起分子振動(dòng)能級(jí)的躍遷，所以紅外吸收光譜也稱分子振動(dòng)光譜。當(dāng)某一波長(zhǎng)紅外輻射的能量恰好等于某種分子振動(dòng)能級(jí)的能量之差時(shí)，才會(huì)被該種分子吸收，并產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)能級(jí)躍遷，這一波長(zhǎng)便稱為該種分子的特征吸收波長(zhǎng)。

　　2.1紅外線氣體分析儀的基本原理

　　其工作原理是基于某些氣體對(duì)紅外線的選擇性吸收。紅外線分析儀常用的紅外線波長(zhǎng)為2~12µm。簡(jiǎn)單說(shuō)就是將待測(cè)氣體連續(xù)不斷的通過(guò)一定長(zhǎng)度和容積的容器，從容器可以透光的兩個(gè)端面的中的一個(gè)端面一側(cè)入射一束紅外光，然后在另一個(gè)端面測(cè)定紅外線的輻射強(qiáng)度，然后依據(jù)紅外線的吸收與吸光物質(zhì)的濃度成正比就可知道被測(cè)氣體的濃度。

　　朗伯—比爾定律——其物理意義是當(dāng)一束平行單色光垂直通過(guò)某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時(shí),其吸光度與吸光物質(zhì)的濃度及吸收層厚度成正比。這就是紅外線氣體分析儀的測(cè)量依據(jù)。

　　2.2紅外線氣體分析儀的特點(diǎn)

　　1、能測(cè)量多種氣體

　　除了單原子的惰性氣體和具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)無(wú)極性的雙原子分子氣體外，CO、CO2、NO、NO2、NH3等無(wú)機(jī)物、CH4、C2H4等烷烴、烯烴和其他烴類及有機(jī)物都可用紅外分析器進(jìn)行測(cè)量；

　　2、測(cè)量范圍寬

　　可分析氣體的上限達(dá)100%，下限達(dá)幾個(gè)ppm的濃度。進(jìn)行精細(xì)化處理后，還可以進(jìn)行痕量分析；

　　3具有很高的監(jiān)測(cè)靈敏度，氣體濃度有微小變化都能分辨出來(lái)；

　　4、測(cè)量精度高

　　一般都在+/-2%FS,不少產(chǎn)品達(dá)到+/-1%FS。與其他分析手段相比，它的精度較高且穩(wěn)定性好；

　　5、反應(yīng)快

　　響應(yīng)時(shí)間一般在10S以內(nèi)

　　6、有良好的選擇性

　　紅外分析器有很高的選擇性系數(shù)，因此它特別適合于對(duì)多組分混合氣體中某一待分析組分的測(cè)量，而且當(dāng)混合氣體中一種或幾種組分的濃度發(fā)生變化時(shí)，并不影響對(duì)待分析組分的測(cè)量。

　　2.3紅外分析儀基本結(jié)構(gòu)及主要部件

　　紅外線氣體分析儀一般由氣路和電路兩部分組成，它的氣路和電路的聯(lián)系部件也是核心部分是發(fā)送器，發(fā)送器是紅外分析儀的“心臟”部分，它將被測(cè)組分濃度的變化轉(zhuǎn)為某種電參數(shù)的變化，并通過(guò)相應(yīng)的電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。發(fā)送器由光學(xué)系統(tǒng)和檢測(cè)器兩部分組成，主要構(gòu)成部件有如下一些，紅外輻射光源、氣室和濾光元件、檢測(cè)器

　　測(cè)量原理

　　一個(gè)是測(cè)量室，一個(gè)是參比室。兩室通過(guò)切光板以一定周期同時(shí)或交替開(kāi)閉光路。在測(cè)量室中導(dǎo)入被測(cè)氣體后，具有被測(cè)氣體波長(zhǎng)的光被吸收，從而使透過(guò)測(cè)量室這一光路而進(jìn)入紅外線接收氣室的光通量減少。氣體濃度越高，進(jìn)入到紅外線接收氣室的光通量就越少；而透過(guò)參比室的光通量是一定的，進(jìn)入到紅外線接收氣室的光通量也一定。因此，被測(cè)氣體、靈敏度高濃度越高，透過(guò)測(cè)量室和參比室的光通量差值就越大。這個(gè)光通量差值是以一定周期振動(dòng)的振幅投射到紅外線接收氣室的。接收氣室用幾微米厚的金屬薄膜分隔為兩半部，室內(nèi)封有濃度較大的被測(cè)組分氣體，在吸收波長(zhǎng)范圍內(nèi)能將射入的紅外線全部吸收，從而使脈動(dòng)的光通量變?yōu)闇囟鹊闹芷谧兓?，再可根?jù)氣態(tài)方程使溫度的變化轉(zhuǎn)換為壓力的變化，然后用電容式傳感器來(lái)檢測(cè)，經(jīng)過(guò)放大處理后指示出被測(cè)氣體濃度。

　　2.4發(fā)送器主要部件

　　光源

　　按光源的結(jié)構(gòu)分類，可分為單光源和雙光源兩種。按發(fā)光體分類，主要有以下幾種：合金發(fā)光源、陶瓷光源、激光光源

　　切光片

　　切光片的作用是把輻射光源的紅外光變成斷續(xù)的光，即對(duì)紅外光進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制的目的是使檢測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)成為交流信號(hào)，便于放大器放大，同時(shí)改善檢測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間特性。

　　氣室

　　紅外分析儀中的氣室包括測(cè)量氣室、參比氣室、和濾波氣室，他們的結(jié)構(gòu)基本相同，都是圓筒形，兩端都是用晶片密封。氣室要求內(nèi)壁光潔度高，不吸收紅外線，不吸附氣體，化學(xué)性能穩(wěn)定。氣室的材料采用黃銅鍍金、玻璃鍍金或鋁合金，內(nèi)壁表面都要求拋光。金的化學(xué)性能極為穩(wěn)定，氣室的內(nèi)壁永遠(yuǎn)也不氧化，所以能保持很高的反射系數(shù)。氣室常用的窗口材料有：氟化鋰 透射限為6.5μm、氟化鈣 透射限為13μm、藍(lán)寶石 透射限為5.5μm、熔凝石英 透射限為4.5μm、氯化鈉 透射限為25μm。參比氣室和濾波氣室是密封不可拆的。測(cè)量氣室有可能受到污染，采用橡膠密封，注意維護(hù)和定期更換，晶片上沾染灰塵、污物、起毛都會(huì)引起靈敏度下降，測(cè)量誤差和零點(diǎn)漂移增大，因此必須保持晶片的清潔，可用檫鏡紙或綢布檫拭，注意不要用手接觸晶片表面。

　　濾光片

　　濾光片是一種光學(xué)濾波元件。它是基于各種不同的光學(xué)現(xiàn)象（吸收、干涉、選擇性反射、偏振等）而工作的。采用濾光片可以改變測(cè)量氣室的輻射能量和光譜成分，可消除或減少散射和干擾組分吸收輻射的影響，可以使具有特征吸收波長(zhǎng)的紅外輻射通過(guò)。干涉濾光片是一種帶通濾光片，根據(jù)光線通過(guò)薄膜時(shí)發(fā)生干涉現(xiàn)象而制成。干涉濾光片可以得到較窄的通帶，其透過(guò)波長(zhǎng)可以通過(guò)鍍層材料的折射率、厚度及層次等加以調(diào)整。

　　檢測(cè)器

　　薄膜電容檢測(cè)器、半導(dǎo)體檢測(cè)器、微流量檢測(cè)器。

　　薄膜電容檢測(cè)的工作原理,特點(diǎn).

　　薄膜電容檢側(cè)器又稱薄膜微音器,由金屬薄膜動(dòng)極和定極組成電容器,當(dāng)接收氣室的氣體壓力受紅外輻射能的影響而變化時(shí),推動(dòng)電容動(dòng)片相對(duì)于定片移動(dòng),把被測(cè)組分濃度變化轉(zhuǎn)變成電容量變化.

　　特點(diǎn):溫度變化影響小、選擇性好、靈敏度高。缺點(diǎn)是薄膜易受機(jī)械振動(dòng)的影響，調(diào)制頻率不能提高，放大器制作比較困難，體積較大等。

　　半導(dǎo)體檢測(cè)器的工作原理，特點(diǎn)

　　半導(dǎo)體檢測(cè)器是利用半導(dǎo)體光電效應(yīng)的原理制成的，當(dāng)紅外光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，它吸收光子能量使電子狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生自由電子或自由孔穴，引起電導(dǎo)率的變化，即電阻值的變化，所以又稱為光電導(dǎo)率檢測(cè)器或光敏電阻。

　　特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、體積小、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)迅速?？刹捎酶叩恼{(diào)制頻率，使放大器的制作更為容易。它與窄帶干涉濾光片配合使用，可以制成通用性強(qiáng)快速響應(yīng)的紅外檢測(cè)器，改變測(cè)量組分時(shí)，只需改換干涉濾光片的通過(guò)波長(zhǎng)和儀表刻度即可。其缺點(diǎn)是銻化銦受溫度變化影響大。

　　微流量檢測(cè)器原理、特點(diǎn)

　　微流量檢測(cè)器是一種測(cè)量微小氣體流量的新型檢測(cè)器件，其傳感元件是兩個(gè)微型熱絲電阻，和另外兩個(gè)輔助電阻構(gòu)成惠斯通電橋。熱絲電阻通電加熱至一定溫度，當(dāng)氣體流過(guò)時(shí)，帶走部分熱量使熱絲冷卻，電阻變化，通過(guò)電橋轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。

　　特點(diǎn)：價(jià)格便宜、光學(xué)系統(tǒng)體積縮小、可靠性、耐振性等性能都提高。

　　2.5紅外線氣體分析儀結(jié)構(gòu)類型

　　從是否把紅外光變成單色光來(lái)劃分，可以分為：分光型（色散型）和不分光型（非色散型）。

　　分光型的優(yōu)點(diǎn)：選擇性好、靈敏度高；缺點(diǎn)是分光后能量小，分光系統(tǒng)任一元件的微小位移都會(huì)影響分光的波長(zhǎng)。

　　不分光型的優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、具有叫高的信號(hào)/噪聲比和良好的穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是待測(cè)樣品各組分間有重疊的吸收峰時(shí)會(huì)給測(cè)量帶來(lái)干擾。

　　從光學(xué)系統(tǒng)來(lái)劃分，可分為雙光路和單光路兩種

　　雙光路 從兩個(gè)相同的光源或者精確分配的一個(gè)光源，發(fā)出兩路彼此平行的紅外光束，分別通過(guò)幾何光路相同的分析氣室、參比氣室后進(jìn)入檢測(cè)器。

　　單光路 從光源發(fā)出的單束紅外光，只通過(guò)一個(gè)幾何光路。但是對(duì)于檢測(cè)器而言，還是接受兩個(gè)不同波長(zhǎng)的紅外光束，只是在不同的時(shí)間內(nèi)到達(dá)檢測(cè)器而已，它是利用調(diào)治盤(pán)的旋轉(zhuǎn)，將光源發(fā)出的光調(diào)制成不同波長(zhǎng)的紅外光束，輪流通過(guò)分析氣室送往檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的雙光路。

　　從采用的檢測(cè)器類型來(lái)劃分，目前主要有薄膜電容檢測(cè)器、半導(dǎo)體檢測(cè)器、微流量檢測(cè)器。

　　2.6紅外線氣體分析儀調(diào)校的主要內(nèi)容和要求

　　相位平衡調(diào)整  調(diào)整切光片軸心位置，使其處在兩束紅外光的對(duì)稱點(diǎn)上。要求切光片同時(shí)遮擋或同時(shí)漏出兩個(gè)光源，即所謂同步，使兩個(gè)光路作用在檢測(cè)器室兩側(cè)窗口上的光面積相等。

　　光路平衡的調(diào)整 調(diào)整參比光路上的偏心遮光片，改變參比光路的光通量，使測(cè)量、參比兩光路的光能量相等。

　　零點(diǎn)和量程校準(zhǔn)  分別通零點(diǎn)氣和量程氣，反復(fù)校準(zhǔn)儀表零點(diǎn)和量程。

　　2.7常見(jiàn)故障及處理

　　紅外線氣體分析儀種類很多，故障和處理方法也不盡相同，下表列出了一些常見(jiàn)的故障及其處理方法，供參考：

　　光路不平衡干擾：

　　一臺(tái)紅外線氣體分析儀預(yù)熱后通入氮?dú)鈺r(shí)，輸出很大，這是由于切光片相位不平衡及光路不平衡引起，因此只要調(diào)整相位調(diào)節(jié)選鈕使輸出達(dá)到小，再調(diào)整光路平衡選鈕使輸出最小即可。然后同零點(diǎn)氣和量程氣，反復(fù)校準(zhǔn)儀表零點(diǎn)和量程。

　　水分干擾：

　　零點(diǎn)氣中若有水分，紅外線氣體分析器標(biāo)定后，會(huì)引起負(fù)誤差，在近紅外區(qū)域，水有連續(xù)的特征吸收波譜，若標(biāo)定用的零點(diǎn)氣中含有水分時(shí)，將造成儀器的零位的負(fù)偏，標(biāo)定后儀器示值必然比實(shí)際值偏低，從而起負(fù)誤差。

　　溫度變化的干擾：

　　紅外線氣體分析儀檢測(cè)過(guò)程需要在恒定的溫度下進(jìn)行。環(huán)境溫度發(fā)生變化將直接影響紅外光源的穩(wěn)定，影響紅外輻射的強(qiáng)度，影響測(cè)量氣室連續(xù)流動(dòng)的氣樣密度，還將直接影響檢測(cè)器的正常工作。如果溫度大大超過(guò)正常狀態(tài)，檢測(cè)器的輸出阻抗下降，導(dǎo)致儀器不能正常工作，甚至損壞檢測(cè)器。紅外分析儀內(nèi)部一般有溫控裝置及超溫保護(hù)電路，即使如此，有的儀器示值特別是微量分析儀器，亦可觀察出環(huán)境溫度變化對(duì)檢測(cè)的影響，在夏季環(huán)境溫度較高時(shí)尤為明顯。在這種情況下，需改變環(huán)境溫度，設(shè)置空調(diào)是一種解決辦法。

　　大氣壓力波動(dòng)的干擾：

　　大氣壓力即使在同一個(gè)地區(qū)、同一天內(nèi)也是有變化的。若天氣驟變時(shí)，變化的幅度較大。大氣壓力的這種變化，對(duì)氣樣放空流速有直接影響。經(jīng)測(cè)量氣室后直接放空的氣樣，會(huì)隨大氣壓力的變化使氣室中氣樣的密度發(fā)生變化，從而造成附加誤差。

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