氣體傳感器系列之紅外氣體傳感器小知識

紅外氣體傳感器的定義

紅外氣體傳感器是一種利用不同氣體分子的近紅外光譜選擇吸收特性，根據氣體濃度與吸收強度關(guān)系(朗伯-比爾Lambert-Beer定律)來(lái)檢測氣體成分并測量其濃度的氣體傳感器。

原理：由不同原子構成的氣體分子會(huì )有獨特的振動(dòng)、轉動(dòng)頻率，當其受到相同頻率的紅外線(xiàn)照射時(shí)，就會(huì )發(fā)生紅外吸收，從而引起紅外光強的變化，通過(guò)測量紅外線(xiàn)強度的變化就可以測得氣體濃度。

需要說(shuō)明的是，振動(dòng)、轉動(dòng)是兩種不同的運動(dòng)形態(tài)，這兩種運動(dòng)形態(tài)會(huì )對應不同的紅外吸收峰，振動(dòng)和轉動(dòng)本身也有多樣性，因此一般情況下一種氣體分子會(huì )有多個(gè)紅外吸收峰。

根據單一的紅外吸收峰位置只能判定氣體分子中有什么基團，精確判定氣體種類(lèi)需要看氣體在中紅外區所有的吸收峰位置即氣體的紅外吸收指紋。

在已知環(huán)境條件下，根據單一紅外吸收峰的位置可以大致判定氣體的種類(lèi)。由于在零下273攝氏度即絕對零度以上的一切物質(zhì)都會(huì )產(chǎn)生紅外幅射，紅外幅射與溫度正相關(guān)，因此，同催化元件一樣，為消除環(huán)境溫度變化引起的紅外幅射的變化，紅外氣體傳感器中會(huì )由一對紅外探測器構成。

一個(gè)完整的紅外氣體傳感器由紅外光源、光學(xué)腔體、紅外探測器和信號調理電路構成。

紅外吸收原理只能測不同原子構成的分子。由于同一分子內部運動(dòng)的多樣性使其具有多種不同的振動(dòng)頻率和轉動(dòng)頻率，因此，對紅外吸收的分子會(huì )有不同個(gè)吸收峰。另外，具有相同化學(xué)鍵的分子(如水和酒精分子中的氫氧鍵)會(huì )有相近的吸收峰，干擾由此產(chǎn)生。

為什么紅外氣體傳感器不能測量氧氣、氫氣、氮氣等由相同原子構成的氣體分子?

舉例： 月亮和地球、地球和太陽(yáng)靠萬(wàn)有引力連接，分子內部原子間靠化學(xué)鍵連接。如果二者是理想球體而且沒(méi)有其它萬(wàn)有引力干擾則地球軌道將是圓的，實(shí)際上上面兩個(gè)條件都不成立，因此其軌道是橢圓的，也就是地球和太陽(yáng)之間的距離不停地在短半徑和長(cháng)半徑之間轉換，即振動(dòng)，只是振動(dòng)周期長(cháng)達一年，在這個(gè)過(guò)程中，地球處于短半徑點(diǎn)和長(cháng)半徑點(diǎn)時(shí)，它和太陽(yáng)之間的引力是不同的，即能量級別不同。

同理，在分子內部原子間靠化學(xué)鍵連接，原子間的空間距離、角度、方向由于電子分布的不均衡而不停發(fā)生變化，即振動(dòng)、轉動(dòng)，而且不同的分子會(huì )有獨特的振動(dòng)、轉動(dòng)頻率,當遇到相同頻率的紅外線(xiàn)照射時(shí)會(huì )產(chǎn)生諧振、原子間距離和電子分布發(fā)生變化即偶極距發(fā)生變化，紅外吸收就是這樣產(chǎn)生的(紫外吸收同理)。

以上內容中包含紅外吸收的兩個(gè)基本條件：諧振、偶極距變化，這兩個(gè)條件同時(shí)滿(mǎn)足才能產(chǎn)生紅外吸收。

氧氣、氫氣、氮氣等由同一種原子構成的分子為什么沒(méi)有紅外吸收峰？?jì)蓚€(gè)基本條件：一是氣體分子振動(dòng)頻率與照射的紅外線(xiàn)頻率相同，二是偶極距變化。不難理解，第一個(gè)條件容易滿(mǎn)足，第二個(gè)條件無(wú)可能性。

相同原子構成的分子正負電荷中心完全重疊，即偶極距為零，其結果是電子在分子中的分布是均衡的，以紅外光本身的低能量密度特征，其照射不會(huì )改變這種均衡，更不可能使分子電離，即不會(huì )導致能量變化。而不同原子構成的分子：以水(蒸氣)分子為例，分子中電子的分布偏向氧這端，即微觀(guān)上水分子中氫那一端呈正電性,氧那一端呈負電性，正負電荷中心是不重疊的，即偶極矩不為零，這是因為氧吸引電子的能力比氫強的緣故。

在與水分子振動(dòng)、轉動(dòng)頻率相同的紅外線(xiàn)照射時(shí)，會(huì )使電子在水分子中的分布更偏向氧一端，導致氫和氧的平均距離變短，即偶極距變短，能量變高，即水分子受到紅外照射時(shí)會(huì )從低能級躍遷到高能級，紅外吸收就是這樣產(chǎn)生的。

可以簡(jiǎn)單理解：紅外線(xiàn)與相同原子組成的分子相遇時(shí)，由于相同原子組成的分子是理想的彈性球體，兩者的相互作用是完全彈性碰撞，只有能量交換，沒(méi)有能量轉移。不同原子組成的分子與紅外線(xiàn)相互作用則有能量轉移。因此，紅外吸收原理不能測相同原子構成的分子。

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