紅外光譜技術在氣體檢測分析中的應用

鐘捷（國家化學工業氣體產品質量監督檢驗中心（福建） 350008）

引言

近年來，隨著我國經濟的不斷發展，各種安全事故發生的頻率也不斷升高。 煤礦企業生產中出現的瓦斯爆炸最常見也是造成危害最大的安全事故， 因此煤礦企業需要一套完善的氣體檢測設備來避免重大事故的發生。 在石油化工和防止瘟疫蔓延時也需要用到氣體檢測設備，比如檢測一氧化碳等。 因此，氣體檢測分析技術在許多行業中應用廣泛， 對于保障人們的生產生活具有十分重要的意義。 目前，氣體檢測的方法有很多種，其中較為普遍的是采用紅外光譜技術進行氣體檢測分析。 它克服了傳統氣體檢測分析方法設備易老化，抗干擾能力弱的弊端，優點是反應速度快，測量結果真實可靠，因此具有良好的發展前景。

一、紅外光譜吸收原理

眾所周知，光是由許多單一顏色的光組成的，由此可知，紅外光是由許多處于紅外頻率以外的光組成的。 每種氣體都具有一種性質：可以吸收對應頻率的紅外光能量，氣體吸收紅外光能量中頻率最高的被稱為氣體的特征吸收頻率。 當光線穿透氣體時，氣體吸收特征頻率譜線光，導致光的能量下降。 研究表明，每種氣體在紅外輻射波段都有不同數目的特征吸收譜線。

由于特征頻率是由一定頻率范圍內的光組成的， 因此特征吸收頻率具有一定的帶寬， 并且帶寬中每個頻率被吸收的量不盡相同。 通過相應的吸收模型和計算公式可以計算出紅外光線穿過氣體時被吸收能量的多少。 氣體的濃度變化、光線穿過氣體時所走的路程、光線能量衰減的程度，三者的關系符合光吸收基本定律。

二、紅外光譜技術的優點

1、選擇性好

由于每種氣體都具有特定的紅外吸收頻率， 因此在檢測混合氣體時，由于各種氣體都具有各自的特征頻率光譜，彼此之間互相隔離，互不干擾，使檢測混合氣體中的某種特定的氣體成為可能。

2、反應靈敏，可靠性高

采用傳統的檢測方法做氣體檢測時， 開啟檢測系統后往往無法直接工作，而是需要經過一段比較長的預熱時間。 而采用紅外光譜技術的氣體檢測設備， 在開機后短時間內就可以進行工作。 即使氣體濃度僅僅發生微小變化，它也可以及時檢測到，反應十分靈敏。 在實際檢測過程中，基于某些檢測方法設計的檢測系統很容易因為設備發熱等因素， 導致測量的準確性和檢測出的數據不可靠。 而采用紅外光譜吸收技術設計的氣體檢測設備，由于它是通過光信號來工作的， 所以不會引起系統溫度升高等情況的出現，測量的數據不受干擾因素的影響，測量的穩定性和可靠性較高。

3、安全性高，可操作性強

紅外光譜技術設計的檢測設備采用的是光信號， 與傳統設備采用電信號相比，在煤礦等易燃易爆氣體集聚的場合，不會引起氣體燃燒和爆炸等情況的發生，具有較高的防爆性和安全性。由于每種儀器都具有各自的適用范圍， 當氣體濃度超過一定數值時容易引起元件的老化和中毒等情況，使測量結果出現偏差。采用紅外光譜技術來檢測氣體，可以避免這些情況的出現。 而且采用紅外光譜技術產生的干擾信號弱，系統的信噪比較高。 除此之外，系統具有靈敏度自動補償功能和零點自動補償功能，因此不需要定時校準，可操作性較強。

三、紅外光譜檢測技術的應用

紅外光譜技術在氣體檢測分析中的應用已經有很長的歷史了，應用的效果也非常好，目前采用的比較多的氣體檢測方式有以下幾種。

1、直接吸收光譜技術

直接吸收光譜技術應用時間比較早，應用范圍比較廣。 它是以朗伯比爾定律為原理研制出的檢測方法。 由于氣體與光發生作用的路徑長度與氣體對光的吸收成正比關系。 因此，光和氣體作用的路徑越長，被氣體吸收的光就會越多，探測的反應就會越快，測量的結果也更加可靠。 隨著研究的進一步深入，直接吸收光譜技術從剛開始使用的單程光，逐漸發展到后來使用雙光程，到現在使用具有多次反射能力的長光程。 多光程氣室分為懷特氣室、赫里歐氣室和散射反射鏡多光程氣室三種。 多反射長光程氣室可以產生幾百次反射， 得到的光程長度從幾十米到幾公里不等。 在這樣的光程下，探測靈敏度得到進一步提升。

2、光聲光譜技術

光聲光譜技術的原理是氣體在吸收光輻射的過程中會產生聲學波，它是根據光聲效應開發出來的檢測技術，所以可以利用它來檢測氣體。 與其它的紅外光譜技術不同的是，光聲光譜技術是一個間接的檢測技術，它不直對整個過程進行檢測，而是探測氣體在吸收光的過程中引起的溫度和壓力的變化。 由于氣體在吸收光的過程中，氣體的溫度會發生變化，從而導致壓力的變化或產生聲學波， 光聲光譜技術可以利用這些因素的變化達到檢測氣體的目的。

結語

采用紅外光譜技術檢測分析氣體， 克服了常規儀器容易受外界環境干擾，儀器元件容易老化等不足之處，具有選擇性好、反應靈敏、可靠性強、安全性高、可操作性強等優點。 相信隨著研究的不斷深入，紅外光譜技術具有的這些優點，會使它在氣體檢測分析中的應用前景更加廣闊。

[1]施德恒,劉新建,許啟富.利用紅外光譜吸收原理CO 濃度測量裝置研究[J] .光學技術, 2001 (1) .

[2]鄧勃.原子吸收光譜分析的原理、技術和應用[M] .北京∶清華大學出版社, 2004.

[3]孫漢文.原子光譜分析[M] .北京∶高等教育出版社,2002.