新型传感器技术 张认成 华侨大学机电及自动化学院 2019年2月25日

第三章 红外检测技术 红外辐射的基本理论 红外探测器分类与特性 红外温湿度测量 红外光谱分析 — 红外技术主要研究红外辐射的 第三章 红外检测技术 — 红外技术主要研究红外辐射的 产生、传递、转换、探测及其应用 红外辐射的基本理论 红外探测器分类与特性 红外温湿度测量 红外光谱分析 2019年2月25日

本章重点：红外检测技术的些基本理论，红外检测的应用 红外检测技术应用 军事上导弹制导、目标探测； 航天技术的人造卫星的遥感遥测； 医学诊断，文物，古画的鉴定； 天体的演化，地质探矿； 红外探测及红外烘干技术 本章重点：红外检测技术的些基本理论，红外检测的应用 2019年2月25日

红外摄像机 2019年2月25日

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微型光谱仪 2019年2月25日

温度高于绝对零度的物体，都会连续辐射出红外线，红外辐射载有物体的特征信息——红外探测技术的 理论基础 §1 红外检测技术的基本原理 温度高于绝对零度的物体，都会连续辐射出红外线，红外辐射载有物体的特征信息——红外探测技术的 理论基础 2019年2月25日

一、红外辐射特点 红外辐射是波长为0.76～1000μm的电磁波； 近 红 外：波长＝0.76～3μm； 红外线在电磁波频谱中的位置如图3-1所示 2019年2月25日

1. 红外线在电磁波频谱中的位置 图3-1 红外线在电磁波连续频谱中的位置 2019年2月25日

任何物体只要温度高于绝对零度 （-273.15℃）都会辐射红外线； 光热效应—红外测温的基本原理； 2. 红外辐射具有以下特点: 不可见； 任何物体只要温度高于绝对零度 （-273.15℃）都会辐射红外线； 光热效应—红外测温的基本原理； 红外线具有电磁波的一切特性，如反射、干涉、折射、散射、吸收等； 2019年2月25日

3. 红外线的传播特性 红外线在真空中的传播速度约为 在不同介质中传播时，其衰减程度也不同： 红外线不能穿过液体、金属等固体 红外线可以穿过一些塑料和大多数半导体 红外线在大气对中的穿透性能与大气中的气体成分有关 2019年2月25日

4. 红外辐射在大气中的传播 图3-2 红外辐射“大气窗口”3个波段的透射率 三个大气窗口 2019年2月25日

三个大气窗口 大气层对波长范围在1~2.8μm、3.5~5μm、8~14μm三个区域的红外线吸收很弱，在这三个区域内，红外线的穿透能力较强，这三个区域称为红外辐射的“大气窗口”。 “大气窗口”以外的红外辐射在传播过程中，被大气中存在的二氧化碳、臭氧、水蒸气等物质的分子强烈地吸收，使其能量迅速衰减。 “大气窗口”—夜视功能 2019年2月25日

5. 大气窗口与红外探测 湿度与水份传感器：水分子（H2O）强烈吸收波长为1.45、 1.94、2.6和6.3μm的红外线 二氧化碳传感器：二氧化碳(CO2)强烈吸收波长为2.8、4.3μm和14.5μm的红外线 CO探测器：一氧化碳（CO）强烈吸收波长为4.7μm的红外线 一氧化碳和二氧化碳红外检测技术是火灾极早期探测的重要方法之一 2019年2月25日

利用红外辐射探测气体浓度时，灵敏度可达1ppm～100% 其它气体 SO2吸收波长：7.35μm NO2吸收波长：6.2μm O3 吸收波长：9.6μm 含CH3化合物的吸收波长：3.2～3.6μm 可进行废气成分及浓度的检测 利用红外辐射探测气体浓度时，灵敏度可达1ppm～100% 2019年2月25日

根据物体对红外线的吸收、反射及透过特性，将物体分为四种类型： 二、黑体、白体、透明体与灰体 根据物体对红外线的吸收、反射及透过特性，将物体分为四种类型： 黑体 白体 透明体 灰体 2019年2月25日

1. 红外线的反射、透射和吸收 入射波Q0 图3-3 红外线的反射、透射和吸收 反射波 Qr 吸收波Qa 透射波Qd 2019年2月25日

2. 黑体 A=1，R=D=0 红外辐射全被吸收，既不反射也不透射 黑体能全部吸收任何波长的红外辐射 黑体吸收红外辐射本领最强，发射红外辐射的能力也最强 入射波 Q0 图3-3 红外线的反射、透射和吸收 反射波Qr 吸收波Qa 透射波Qd 2019年2月25日

3. 白体 辐射到物体上的红外线能全部被反射 反射本领最强 既没有透射也没有吸收 R=1，A=D=0 入射波 Qo 吸收波Qa 透射波Qd 图3-3 红外线的反射、透射和吸收 反射波Qr 吸收波Qa 透射波Qd 2019年2月25日

4. 透明体 辐射能可全部透射过物体， 透射本领最强 既无吸收也无反射，这种物体叫透明体 若D=1，A=R=0 入射波 Qo 吸收波Qa 图3-3 红外线的反射、透射和吸收 反射波Qr 吸收波Qa 透射波Qd 2019年2月25日

5. 灰体 黑体、白体、透明体都是理想的物体 实际物体总是处于三者之间，同时具有一定的反射、透射和吸收，这种物体叫灰体。 0>A、R、D<1 红外辐射对于液体和一般固体的穿透能力很弱，在物体的表面层红外辐射就被完全反射或吸收，因此对于液体和大多数固体可以认为D≈0 2019年2月25日

三、红外辐射的基本定律 红外探测的物理基础 2019年2月25日

1. 希尔霍夫定律 描述物体热发射本领与吸收热辐射本领之间的关系 物体向周围辐射热能的同时，也吸收周围物体的辐射能 Er－物体在单位时间和单位面积上发射出来的辐射能 Eo－等价于黑体在相同温度下发射的辐射能，它为常数 α－物体对辐射能的吸收系数，描述物体对辐射能的吸收本领 同一温度场中，各物体的热发射本领正比于它的吸收本领 物体的吸热系数越大，发射的辐射能就越多。 2019年2月25日

定量描述物体的温度与其红外辐射能量之间的关系 红外测温技术的基础和依据 物体的温度越高，辐射出的能量越大 2. 斯忒藩—波尔兹曼定律 定量描述物体的温度与其红外辐射能量之间的关系 红外测温技术的基础和依据 物体的温度越高，辐射出的能量越大 物体的红外辐射能量与其自身的绝对温度的四次方成正比，与物体的比辐射率成正比 2019年2月25日

参 数 E—某物体在温度T时，单位面积和单位时间内红外辐射的总能量 σ—斯忒藩—波尔兹曼常数 参 数 E—某物体在温度T时，单位面积和单位时间内红外辐射的总能量 σ—斯忒藩—波尔兹曼常数 ε—比辐射率(表3-1)，物体表面的红外热辐射能量与同一温度下黑体的红外热辐射能量之比，黑体的ε=1 T—物体的绝对温度 2019年2月25日

描述不同温度下物体发射热辐射的峰值波长与其自身温度的关系 物体发射的热辐射中包含各种波长的电磁波 3. 维恩位移定律 描述不同温度下物体发射热辐射的峰值波长与其自身温度的关系 物体发射的热辐射中包含各种波长的电磁波 实验证明：物体峰值辐射波长与物体自身的绝对温度T成反比 2019年2月25日

物体峰值辐射波长与温度的关系 图3-3 物体峰值辐射波长与温度的关系 2019年2月25日

描述绝对黑体光谱辐射发射量与波长和温度的关系 4. 普朗克公式 描述绝对黑体光谱辐射发射量与波长和温度的关系 RBλ－绝对黑体的光谱反射辐射量 λ－波长；T－绝对黑体的温度 第一辐射常数 第二辐射常数 2019年2月25日

绝对黑体的光谱辐射发射量 图3-4 绝对黑体的光谱辐射发射量 2019年2月25日

结论 温度不同时，绝对黑体的光谱发射辐射量随波长变化不同，且具有不同的辐射峰值； 温度越高，RBλ越大，不同温度的曲线永不相交，每条曲线下的面积就是黑体在不同温度时，单位面积单位时间内的辐射能 2019年2月25日

结论 随温度增高，极大值的位置向短波方向偏移，这与维恩定律一致； 波长 的能量占25％， 波长 的能量占75％。 2019年2月25日

§2 红外探测器 —将红外辐射转换成电信号的器件 §2 红外探测器 —将红外辐射转换成电信号的器件 红外检测技术的核心含 红外热辐射探测器 红外光子探测器 2019年2月25日

原理：红外辐射照射到热敏元件上时，辐射能转换为热能，热敏元件吸热后温度升高，从而将温度转换为电信号 一、 红外热辐射探测器 物理基础：热电效应（热敏探测的范畴） 原理：红外辐射照射到热敏元件上时，辐射能转换为热能，热敏元件吸热后温度升高，从而将温度转换为电信号 特点： 热敏探测器能全部吸收各种波长的红辐射，对红外光波长无选择性 热辐射探测器工作时不需要冷却 响应速度较慢，一般为ms级 2019年2月25日

红外探测器的频谱响应曲线 图3－3 热辐射探测器的频谱响应曲线 ①－热辐射探测器 ②－光子探测器 2019年2月25日

红外探测器吸热，将红外辐射转换成热 敏元件的温度升高量 利用热敏元件的热电特性将温度转换成电量 红外热辐射探测器的转换过程 红外探测器吸热，将红外辐射转换成热 敏元件的温度升高量 利用热敏元件的热电特性将温度转换成电量 2019年2月25日

1. 测辐射热敏电阻 与普通热电阻相似 采用NTC负温度系数缓变型热敏电阻 热敏层表面涂以发黑材料，以增强吸热效率 图 3-4 热敏电阻型红外探测器 2019年2月25日

2. 测辐射热电偶 基于热电效应； 结构、原理与普通热电偶相似,但热端加一片黑体材料； 黑体几乎全部吸收照在其上的红外辐射，并使热电偶的热端温度升高，进而将红外辐射转换成热电势。 电极A 电极B 黑体材料 图3-5 测辐射热电偶 动态范围<10Hz 2019年2月25日

串联后输出的热电势是各热电偶的热电势之和 3. 测辐射热电堆 由多个测辐射热电偶串联而成 串联后输出的热电势是各热电偶的热电势之和 灵敏度高 广泛应用于温度变化频率较低的场合 电极A2 电极A1 电极B1 电极Bn 电极An 电极B2 图3-6 测辐射热电堆 2019年2月25日

热释电效应：某些材料受热后，在一定方向上释放电荷的现象。 4. 热释电探测器 热释电效应：某些材料受热后，在一定方向上释放电荷的现象。 材料极化——带电荷——受热后极化强度减小——释放电荷。 2019年2月25日

原理：红外光照射到对红外光敏感的光电转换元件上时，产生光电效应，将红外光的光通量转换成电信号。 二、光子探测器 物理基础：基于光电效应或光电磁效应 原理：红外光照射到对红外光敏感的光电转换元件上时，产生光电效应，将红外光的光通量转换成电信号。 特点： 光子探测器响应速度快，可以达到ns级， 对红外光的波长具有选择性， 光子探测器需要冷却，工作环境要求较严格 2019年2月25日

但电子逸出需要较大的光子能量，只适用于近红外辐射或可见光范围内使用 1．外光电探测器(PE器件） 利用外光电效应或光电子发射效应 如真空光电管、光电倍增管等 响应速度比较快．一般只需几个纳秒 但电子逸出需要较大的光子能量，只适用于近红外辐射或可见光范围内使用 2019年2月25日

利用硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、锑化铟（Insb）、碲镉汞（HgCdTe）等光电导探测器 2．光电导探测器（PC器件） 基于光电导效应 利用硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、锑化铟（Insb）、碲镉汞（HgCdTe）等光电导探测器 需要致冷和加上一定偏压，否则会使响应率降低，噪声大，响应波段窄，以致于使探测器损坏 2019年2月25日

光电池：砷化铟（InAs）、锑化铟（InSb）、碲镉汞（HgCdTe）、碲硒铅（PbSnTe）等。 3．光生伏特探测器（PU器件） 基于光生伏特效应 光电池：砷化铟（InAs）、锑化铟（InSb）、碲镉汞（HgCdTe）、碲硒铅（PbSnTe）等。 图3－7 光生伏特探测器的工作原理 (a) 2019年2月25日

结构：由光学系统、敏感元件、前置放大器和信号调制器组成 光学系统是红外探测器的重要组件 根据光学系统的结构，红外探测器分： 反射式光学系统 三、红外探测器的一般组成 结构：由光学系统、敏感元件、前置放大器和信号调制器组成 光学系统是红外探测器的重要组件 根据光学系统的结构，红外探测器分： 反射式光学系统 透射式光学系统 2019年2月25日

1. 反射式光学系统 图3-8 反射式红外探测器示意图 2019年2月25日

2. 透射式光学系统 图3-9 透射式红外探测器示意图 2019年2月25日

四、常用红外探测器件的性能参数 讲义：P37~38 2019年2月25日

温度高于绝对零度的物体会 向外辐射红外线， 红外辐射能量与物体绝对温 度的4次方成正比 §3 红外温度检测 温度高于绝对零度的物体会 向外辐射红外线， 红外辐射能量与物体绝对温 度的4次方成正比 2019年2月25日

显示 热源 数据处理 红外辐射 电信号 红外探测器 红外温度检测原理 显示 热源 数据处理 红外辐射 电信号 红外探测器 热电效应 光电效应 2019年2月25日

红外探测器 热探测器，光子探测器 红外测温仪： 红外探测器＋红外光学系统+测量显示部件 2019年2月25日

一、红外测温仪的组成与原理 组成： 红外光学系统 滤光片 红外探测器 放大器 环境温度补偿器 信号转换器 中央处理单元 参考黑体 数据输出 2019年2月25日

红外测温仪的组成框图 图3-10 红外测温仪结构框图 2019年2月25日

1. 光学系统 2. 红外探测器 3. 信号测量系统 4. 参考黑体 2019年2月25日

一、红外测温仪的技术指标 距离系数 瞄准方式 工作波长 响应时间 测温精度 测温范围 2019年2月25日

1. 距离系数 红外测温仪性能的重要指标之一 测温仪到被测目标之间的距离与可测被测目标最小直径的比值 图3-11 红外测温仪的距离系数 图3-11 红外测温仪的距离系数 2019年2月25日

2. 瞄准方式 光学望远镜定位法 激光瞄准定位法 2019年2月25日

被测物体必须在工作波长区域有较高的辐射率、较低的透射率和反射率 3. 工作波长 根据测温范围所选择 被测物体必须在工作波长区域有较高的辐射率、较低的透射率和反射率 红外测温系统的工作波长为8~14μm，处于“大气窗口”之内 2019年2月25日

被测目标突然进入并充分满视现场至温度显示值稳定所需要的时间 4. 响应时间 被测目标突然进入并充分满视现场至温度显示值稳定所需要的时间 各生产厂家对这项指标的规定可能不同： 达到稳定值的99% 、95％、90％或63.2％的时间 2019年2月25日

精度:测量黑体温度时,指示值与黑体标准温度的最大差值 修正发射率(比辐射率ε) 测温范围：测温仪所能测量温度的上下限之间的区域 2019年2月25日3时9分 5. 精度与测量范围 精度:测量黑体温度时,指示值与黑体标准温度的最大差值 修正发射率(比辐射率ε) 测温范围：测温仪所能测量温度的上下限之间的区域 黑 2019年2月25日

常见材料的发射率 材 料 发射率 铝* 0.30 铜* 0.95 油 0.94 石棉 油泥 0/94 油漆 0.93 沥青 冷冻食品 表3-4 常见物料的发射率① 常见材料的发射率 材 料 发射率 铝* 0.30 铜* 0.95 油 0.94 石棉 油泥 0/94 油漆 0.93 沥青 冷冻食品 0.90 纸 玄武岩 0.70 热食品 塑料** 黄铜* 0.50 玻璃板 0.85 橡胶 砖 冰 0.98 砂土 碳 铁* 皮肤 陶瓷 铅* 雪 混凝土 石灰石 钢* 0.80 织品 水 木*** 注：*氧化；**透明；***天然 2019年2月25日 ① 摘自MX4系列Raytek测温仪产品说明书

三、常用的红外测温仪 Rayteck公司的红外测温仪 教案P43:表3－4 国产红外测温仪 教案P43:表3－5 2019年2月25日

GP系列红外测温仪 2019年2月25日

MX4红外测温仪 2019年2月25日

MX4+红外测温仪 2019年2月25日

农产品加工以及工业生产环境控制的主要内容之一 红外湿度检测的快速性和准确性 §4 红外湿度检测 空气中的含水量 农产品加工以及工业生产环境控制的主要内容之一 红外湿度检测的快速性和准确性 2019年2月25日

水蒸气分子能强烈地吸收1.45μm和1.94μm波长的红外线，而不吸收其它波长的红外线 物理基础 水蒸气分子能强烈地吸收1.45μm和1.94μm波长的红外线，而不吸收其它波长的红外线 波长为1.45μm和1.94μm的红外线只能被水蒸气分子吸收，而不被其它气体物质的分子吸收 2019年2月25日

测量原理及组成 λ ＝1.94/1.45μm, λ0=2.2μm I0 I 硫化铅光敏电阻 时间 t 光敏元件输出 图3-13 光敏元件输出波形 图3-12 红外吸收式湿度传感器原理 光源 样气容器 光敏元件 λ0滤光片 λ滤光片 调制盘 硫化铅光敏电阻 λ ＝1.94/1.45μm, λ0=2.2μm 2019年2月25日

朗伯-贝尔原理：计算公式 思考题：测量误差分析与措施？ ε—水蒸气对红外光 的吸收系数，红外光 频率确定后ε为常数 l—光路长度，传感器 c—样气中水蒸气的浓 度，为待测参数 思考题：测量误差分析与措施？ 2019年2月25日

§5. 红外吸收式水分仪 原理—水分子对特定波长的红 外线的吸收作 2019年2月25日

应用及特点 测量物料的湿度 由于红外线不能穿过固体，因而： 1. 采用反射式光路 2. 只能测得物料表面的湿度 3. 双光路、多波段 2019年2月25日

典型的红外水分仪 QB - Ⅱ型二波段四光束水份仪 IMS-6B型三波段六光束水份仪 IMS-8B型四波段八光束水份仪 2019年2月25日

一、双波段四光束红外水份仪 光路图（ QB - Ⅱ ） λ0=0.555μm λ1=1.94μm λ2=2.20μm 调制盘与滤光片 卤素灯 调制盘 电机 球面反射镜 光敏 电阻 外光路 内光路 反射镜 图3-14 四光束水份仪光路图 M R M’、R’ 2019年2月25日

1.结构 内外双光路 组成： 电动机 调制盘 滤光片 光源 反射镜 硫化铅 光敏电阻等 2019年2月25日

2.调制盘 在电机带动下旋转 盘上装有三个滤光片 ①λ0=0.555μm：可见光，调整仪器； ②λ1=1.94μm：测量光束，仅被水分子 吸收，不被其它分子吸收； ③λ2=2.2μm：参考光束，既不被水分 子吸收，也不被其它分子吸收。 2019年2月25日

在电动机的带动下，波长为λ1和λ2的两个滤光片依次与内、外光路相逢，产生四条光束 2019年2月25日3时9分 3.四条光束 λ0，与测量无关 在电动机的带动下，波长为λ1和λ2的两个滤光片依次与内、外光路相逢，产生四条光束 2019年2月25日

① 从外光路投射到被测物料，经物料表面反射后到达光敏元件，反射光强度M与物料表面的含水量有关 2019年2月25日3时9分 测量光束—λ1=1.94μm ① 从外光路投射到被测物料，经物料表面反射后到达光敏元件，反射光强度M与物料表面的含水量有关 ② 从内光路直接到达光敏元件，其强度M’与物料含水量无关 M/M’—反映物料的含水量 2019年2月25日

①从外光路投射到物料表面，其反射光强度R与物料表面水份无关，理论上与入射强度相等 (2) 参考光束—λ2=2.20μm ①从外光路投射到物料表面，其反射光强度R与物料表面水份无关，理论上与入射强度相等 ②从内光路直接到达光敏元件，其强度R’与物料含水量无关 R/R’—与含水量无关， 但可补偿测量误差 2019年2月25日

由λ1、λ2照射到物料的表面，与被测对象相接触的两条光束称为产品光束 (3) 产品光束 由λ1、λ2照射到物料的表面，与被测对象相接触的两条光束称为产品光束 由λ1、λ2不经过物料表面，直接到达光电元件的两条光束，称为原始光束 2019年2月25日

当入射光束的强度一定时，用四条光束强度之比可以消除一些测量误差 (4) 含水量模型 当入射光束的强度一定时，用四条光束强度之比可以消除一些测量误差 2019年2月25日

(5) 测量误差补偿 测量距离误差 滤光片透射率误差 灵敏度漂移 光源电压误差 2019年2月25日

测量距离误差 当测量距离发生变化时，光程变化引起光强衰减，经由外光路的产品光束强度M、R同时变化一个比例因子， 比值R/M不变，故K值恒定 2019年2月25日

滤光片透射率误差 当滤光片透射率发生变化时，经由内、外光路的参考光束R、R’和测量光束M、M’分别变化同一个比例因子，比值R/R’、M’/M不变，故K值恒定； 2019年2月25日

灵敏度漂移或光源电压误差 仪器灵敏度漂移或光源电压不稳时，光束的强度会发生波动，但四条光束强度均同时变化一个比例因子，使比值不变，故K值恒定； 2019年2月25日

测量结果 当被测物料的水份发生变化时，只有经过物料的测量光束被水分子吸收，其强度M发生变化，其余三个光强不变，所以K值精确地反映了物料的含水量。 2019年2月25日

特点 四光束红外水份仪与二光束水份仪相比 不易受外界干扰的影响 但是当物料的状态、颜色、组分（统称为质地）发生变化时，还会带来一定的测量误差 六光束红外水份仪可以较好地解决这一问题 2019年2月25日

物料表面质地变化时， 其光谱特性曲线会发生倾斜 二、3波段6光束红外水份仪 研究表明： 物料表面质地变化时， 其光谱特性曲线会发生倾斜 2019年2月25日

1. 烟叶质地变化时的光谱特性曲线 实线—原始光谱特性曲线 虚线—倾斜的光谱特性曲线 反射能量 波长 λ1 λ2 λ3 λ4 S1 S2+r 水份吸收波段 参考波段 图3-16 红外水份仪6、8光束示意图 实线—原始光谱特性曲线 虚线—倾斜的光谱特性曲线 2019年2月25日

1.94两边对称地分布两个水分子不吸收波段：1.8μm和2.2μm 2. 水分子吸收波段 水分子强烈的吸收波段：1.94μm 1.94两边对称地分布两个水分子不吸收波段：1.8μm和2.2μm 合理设计光路可以消除“倾斜”误差 2019年2月25日

二波段水份仪使用一束测量光λ1和一束参考光λ2， 光谱特性曲线的倾斜后，参考光反射能量从S2增加为S2+r， 3. 二波段水份仪的“倾斜”误差 二波段水份仪使用一束测量光λ1和一束参考光λ2， 光谱特性曲线的倾斜后，参考光反射能量从S2增加为S2+r， 测量光束与参考光束的反射能量之比由原来的 变为 引入测量误差，降低了测量精度 2019年2月25日

物料质地变化时，λ2的反射能由S2增加为S2+r，λ3的反射能由S3减小为S3-r。 4 “倾斜”误差补偿 采用对称的两个参考光束λ2和λ3 物料质地变化时，λ2的反射能由S2增加为S2+r，λ3的反射能由S3减小为S3-r。 用测量光束的反射能量与两束参考光束发射能量之和的比值 作为评定含水量的参数K，可消除“倾斜”误差 2019年2月25日

5. 三波段六光束水份仪调制盘 λ0 λ2 λ3 λ1 λ4 图3-17 三波段六光束水份仪调制盘 2019年2月25日 2019年2月25日3时9分 5. 三波段六光束水份仪调制盘 λ0 λ2 λ3 λ1 图3-17 三波段六光束水份仪调制盘 λ4 2019年2月25日

三、四波段八光束红外水份仪 任何物体都会辐射红外线 红外水分仪测量精度受红外辐射源的影响 要将水份引起的红外辐射信号与其它辐射源的变化如温度、颜色、电压波动等分开，就须要采取一切必要的措施，如增加光路、增加参考波段等。 参考波段越多，测量精度就越高，但计算的数学模型和仪器结构就越复杂。 2019年2月25日

在三波段六光束的基础上再增加一个参考光束 补偿物料的色差、温漂误差 静态测量误差<0.1%，重复性误差<0.1% IES-8B型四波段八光束红外水份仪 在三波段六光束的基础上再增加一个参考光束 补偿物料的色差、温漂误差 静态测量误差<0.1%，重复性误差<0.1% 动态误差<0.25～0.35%，测量范围0～50% 2019年2月25日

四波段八光束水份仪调制盘 λ0 λ2 λ3 λ1 四波段八光束水份仪调制盘 λ4 2019年2月25日

气体分子对特定波长红外线的吸收特性 CO2 红外气体分析仪 §6. 红外气体分析仪 气体分子对特定波长红外线的吸收特性 CO2 红外气体分析仪 2019年2月25日

CO2对光的透射光谱 吸收带2.7μm、4.33μm、14.5μm 只有4.33μm不受水蒸气影响 λ(μm) 图3-18 CO2的透射光谱 2019年2月25日

CO2 红外气体分析仪 图3-19 CO2红外气体分析仪示意图 2019年2月25日

特 点 双光路双波段结构 改变光的波长可构成不同的气体分析仪 2019年2月25日

1、色散型红外光谱仪 2、Fourier变换红外光谱仪 §7. 红外光谱仪 1、色散型红外光谱仪 2、Fourier变换红外光谱仪 2019年2月25日

一、色散型红外光谱仪 结构： 单色器 检测器 放大器 记录仪等 光源 样品室 参比室 分光器 2019年2月25日

色散型红外光谱仪原理 色散型红外光谱仪一般均采用双光束。将光源发射的红外光分成两束，一束通过试样，另一束通过参比，利用半圆扇形镜使试样光束和参比光束交替通过单色器，然后被检测器检测。当试样光束与参比光束强度相等时，检测器不产生交流信号；当试样有吸收，两光束强度不等时，检测器产生与光强差成正比的交流信号，从而获得吸收光谱。 2019年2月25日

1 . 光源 红外光谱仪中所用的光源通常是一种惰性固体，用电加热使之发射高强度的连续红外辐射。 1 . 光源 红外光谱仪中所用的光源通常是一种惰性固体，用电加热使之发射高强度的连续红外辐射。 常用的是Nernst灯或硅碳棒。Nernst灯是用氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结而成的中空棒和实心棒。工作温度约为1700℃，在此高温下导电并发射红外线。但在室温下是非导体，因此，在工作之前要预热。它的特点是发射强度高，使用寿命长，稳定性较好。缺点是价格地硅碳棒贵，机械强度差，操作不如硅碳棒方便。硅碳棒是由碳化硅烧结而成，工作温度在1200-1500℃左右。 2019年2月25日

2 . 吸收池 因玻璃、石英等材料不能透过红外光，红外吸收池要用 可透过红外光的NaCl、KBr、CsI、KRS-5（TlI 58%，TlBr42%）等材料制成窗片。用NaCl、KBr、CsI等材料制成的窗片需注意防潮。固体试样常与纯KBr混匀压片，然后直接进行测定。 2019年2月25日

3 . 单色器 色散元件常用复制的闪耀光栅。由于闪耀光栅存在次级光谱的干扰，因此，需要将光栅和用来分离次光谱的滤光器或前置棱镜结合起来使用。 单色器由色散元件、准直镜和狭缝构成。 色散元件常用复制的闪耀光栅。由于闪耀光栅存在次级光谱的干扰，因此，需要将光栅和用来分离次光谱的滤光器或前置棱镜结合起来使用。 2019年2月25日

4 . 检测器 常用的红外检测器有 高真空热电偶、热释电检测器和碲镉汞检测器。 5.记录系统 2019年2月25日

二、傅立叶红外光谱仪（FTIR） 2019年2月25日

Fourier变换红外光谱仪特点 1、由干涉仪和电子计算机两部分 2、没有色散元件 3、 Michelson干涉仪 2019年2月25日

结构： 光源（硅碳棒、 高压汞灯） Michelson干涉仪 检测器 计算机 记录仪 核心部分为Michelson干涉仪，它将光源来的信号以干涉图的形式送往计算机进行Fourier变换的数学处理，最后将干涉图还原成光谱图。 2019年2月25日

Fourier变换 红外光谱仪工作原理 仪器中的Michelson干涉仪的作用是将光源发出的光分成两光束后，再以不同的光程差重新组合，发生干涉现象。当两束光的光程差为/2的偶数倍时，则落在检测器上的相干光相互叠加，产生明线，其相干光强度有极大值；相反，当两束光的光程差为/2的奇数倍时，则落在检测器上的相干光相互抵消，产生暗线，相干光强度有极小值。 2019年2月25日

Fourier变换 红外光谱仪工作原理 由于多色光的干涉图等于所有各单色光干涉图的加合，故得到的是具有中心极大，并向两边迅速衰减的对称干涉图。 干涉图包含光源的全部频率和与该频率相对应的强度信息，所以，如有一个有红外吸收的样品放在干涉仪的光路中，由于样品能吸收特征波数的能量，结果所得到的干涉图强度曲线就会相应地产生一些变化。包括每个频率强度信息的干涉图，可借数学上的Fourier变换 技术对每个频率的光强进行计算，从而得到吸收强度或透过率和波数变化的普通光谱图。 2019年2月25日

Fourier变换红外光谱仪的特点 1、扫描速度极快 Fourier变换仪器是在整扫描时间内同时测定所有频率的信息，一般只要1s左右即可。因此，它可用于测定不稳定物质的红外光谱。而色散型红外光谱仪，在任何一瞬间只能观测一个很窄的频率范围，一次完整扫描通常需要8、15、30s等。 2019年2月25日

Fourier变换红外光谱仪的特点 2、具有很高的分辨率 通常Fourier变换 红外光谱仪分辨率达0.1~0.005 cm-1， 一般棱镜型的仪器分辨率在1000 cm-1处有3 cm-1 ，光栅型红外光谱仪分辨率也只有0.2cm-1 2019年2月25日

Fourier变换红外光谱仪的特点 3、灵敏度高 因Fourier变换 红外光谱仪 不用狭缝和单色器，反射镜面又大，故能量损失小，到达检测器的能量大，可检测10-8g数量级的样品。 2019年2月25日

更换分束器、检测器、光源，光谱可扩展至远红外、近红外、可见光以及紫外光区。 Fourier变换红外光谱仪的特点 4、光谱范围宽 光谱范围基本配置达12500~350 cm-1； 测量精度高，重复性可达0.1%； 杂散光干扰小；样品不受因红外聚焦而产生的热效应的影响。 5、扩展功能强 更换分束器、检测器、光源，光谱可扩展至远红外、近红外、可见光以及紫外光区。 2019年2月25日

§7. 红外探测器的其它应用 一、红外光敏延时开关 类似声控光敏延时开关 2019年2月25日

二、红外线警戒报警器 图3－20 红外线警戒报警器工作原理 2019年2月25日

更多的应用 红外辐射除了在温湿度检测、气体分析、自动控制方面的应用外，还广泛应用于 导弹和人造卫星的制导 红外卫星地平仪 红外热像仪 星载多光谱扫描仪 红外照相机等 2019年2月25日

第3章习题 2019年2月25日

谢谢！ 2019年2月25日