红外光气体检测：分子振动与红外吸收原理详解
红外光气体检测：分子振动与红外吸收原理详解
红外光气体检测技术是基于分子振动与红外吸收原理的一种气体检测方法。本文将从分子振动与红外吸收的基本原理出发，介绍红外光气体检测系统的基本模型和红外敏感元件的设计，帮助读者理解这一技术的核心原理和应用前景。
分子振动与红外吸收
- 分子偶极矩的变化频率与分子内原子振动状态有关：μ=qd，其中μ是偶极矩，q是电荷，d是正负电荷中心距离。
分子在振动时，如果它的正电荷中心和负电荷中心之间的距离发生变化，那么这个分子就有一个叫做“偶极矩”的特性。偶极矩的大小取决于电荷量（q）和这两个电荷中心之间的距离（d）。当分子振动时，这个距离会改变，因此偶极矩也会随之变化。这种变化与分子内部原子的振动状态紧密相关。简单来说，就是分子振动时，如果它的电荷分布发生变化，那么它就会吸收或发射红外光，这种现象是红外光谱分析的基础。 - 红外光谱的产生与分子振动能级之间的跃迁有关：ΔE振 =EL ，其中ΔE振 是振动能级间隔，EL 是光量子能量。 当一个分子从一个振动状态跳到另一个振动状态时，它需要吸收或释放一定的能量，这个能量的大小就是“振动能级间隔”（ΔE振）。这个能量间隔正好等于一个“光量子”的能量（EL），也就是光的一个基本能量单位。换句话说，分子振动状态的改变需要通过吸收或发射一个光量子来实现，这个光量子的能量与分子振动能级的间隔是相等的。这就像是说，如果你想让一个分子从一个振动模式切换到另一个，你需要给它刚好足够的一个光能量包（光量子），不多也不少。
- 双原子分子只有伸缩振动：
，其中v是振动频率，c是光速，k是力常数，μ是折合质量。公式表明，振动频率与化学键的强度（力常数）的平方根成正比，与折合质量的平方根成反比。这意味着，如果化学键越强（k越大），振动频率就越高；如果两个原子越轻（μ越小），振动频率也会越高。 - 红外吸收光谱产生条件：ΔE振 =EL ，且分子在振动过程中必须有瞬间偶极矩的改变。
检测系统的基本模型
气体检测模型：
其中I是透射光强度，
是入射光强度，α是吸收系数，L是光程，c是气体浓度。它表明透射光强度随着气体浓度的增加、光程的增加或吸收系数的增加而指数式地减少。这是因为气体分子会吸收特定波长的红外光，吸收的量与气体浓度、光程和吸收系数成正比。曲线形状：我们不妨写一段Python代码绘制一下该模型的大致曲线，代码如下：
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']
# 参数设置
I0 = 1.0 # 入射光强度
alpha = 0.5 # 吸收系数
L = 10.0 # 光程
c = np.linspace(0, 1, 100) # 气体浓度范围从0到1
# 透射光强度
I = I0 * np.exp(-alpha * L * c)
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(c, I, label='I = I0 * exp(-alpha * L * c)')
plt.xlabel('气体浓度 (c)')
plt.ylabel('透射光强度 (I)')
plt.title('透射光强度随气体浓度变化曲线')
plt.legend()
plt.grid(True)
plt.show()
红外敏感元件及探测器的设计
热探测器的基本参数：
，其中D∗是比探测率，是一个衡量探测器性能的参数，表示在单位带宽内，探测器能够检测到的最小信号功率。D*越高，探测器的灵敏度越高。NEP是等效噪声功率，是指探测器能够检测到的最小信号功率，这个功率与探测器的噪声水平相等。NEP越小，探测器的灵敏度越高。热释电探测器原理：
，其中
是热释电电流，是由于温度变化在热释电材料中产生的电流；ω是入射辐射的频率；P是热电系数，是热释电材料的一个特性参数，表示材料对温度变化的电响应能力；Ad 是响应元面积，即探测器响应辐射的面积；ΔTd 是由于吸收辐射导致的探测器温度变化。滤光片的作用：
是滤光片允许特定波长光通过的能力。传输率越高，滤光片对特定波长光的透过能力越强。探测器信号的初级检测技术：
，其中A是放大器增益，即放大器放大输入信号的能力。增益越高，输出信号相对于输入信号的放大倍数越大。R3 和R2 是放大器电路中的两个电阻值，它们的比例决定了放大器的增益。
探测器性能实验测试与分析
频率与热响应关系：
其中R是响应率，它衡量了探测器对辐射功率的响应强度。简单来说，响应率高的探测器能更灵敏地反映出辐射功率的变化。Vs 是信号电压，即辐射功率转换成的电信号的电压值。Φs 是辐射功率，也就是探测器接收到的辐射能量。ω是角频率，它与辐射的频率有关，定义了辐射波形变化的速度。α是吸收率，指探测器能吸收的辐射能量的比例。
是滤光片传输率，表示滤光片允许通过的光的比例。As 是敏感元件面积，即探测器用于接收辐射能量的部分的面积。P是热电系数，表示材料对热能转换为电能的效率。
是热导，指热量通过材料的传递能力。R是电阻。
是热时间常数，
是电时间常数，它们定义了系统响应热和电变化的速度。频率与热探测率关系：
，其中D∗是比探测率，一个衡量探测器性能的标准，特别是在单位频带宽度内的灵敏度。D是探测率，它衡量探测器对辐射能量的响应能力。Ad 是探测器光敏面面积，决定探测器能接收到的辐射能量的多少。Δf是测量电路带宽，定义了系统能够处理信号频率变化的范围。NEP是等效噪声功率。，衡量了探测器在没有信号时输出的噪声电功率。它是一个关键指标，影响探测器灵敏度的高低。