第27卷第5期 唐山师范学院学报 2005年9月 Vol. 27 No.5 Journal of Tangshan Teachers College Sep. 2005
红外吸收光谱法在气体检测中的应用
张 帆1，张立萍2
（1.唐山学院 机电系，河北 唐山 063000；2.河北能源职业技术学院 基础部，河北 唐山 063000）
摘 要：详述了气体浓度检测的原理：朗伯-比尔吸收定律和差分吸收技术,并结合笔者设计的红外甲烷检测
仪对气体测量仪的结构进行了详细介绍。
关键词：红外吸收光谱法；检测仪；甲烷；气体
中图分类号：Q433.5+1 文献标识码：A 文章编号：1009-9115（2005）05-0062-03
气体检测在众多行业有着广泛的应用，有毒有害气体、易燃易爆气体浓度的检测历来对安全生产具有重要意义。近年来，瓦斯爆炸是煤业生产中危害极大的一类事故，伤亡人数超过全部重大事故伤亡人数的一半，[1]煤矿企业急需高可靠性智能化的甲烷气体检测仪来满足复杂的现场需求。石油化工、环境保护和防疫等领域也需要监测一些气体浓度，如CO、O3、NH3、SO2和NO2等。常用的测量气体方法主要有红外吸收光谱法、电化学法和化学传感器法等。[2][3]红外光谱法是近十多年来迅速发展的新型检测技术。与其它方法相比较，有测量范围宽、灵敏度高、选择性良好、不中毒、寿命长等一系列优点，[4][5]受到国内外广泛重视，具有良好的技术发展前景。
1 红外吸收光谱的产生
根据量子力学原理，光是由光子所组成，当气体受到红外光束照射时，光子作用于该气体分子，该分子选择性地吸收某些频率的光子，并从低能态跃迁到高能态；从宏观上看，表现为透射光的强度变小，这种现象称为吸收。红外吸收光谱不仅应用于气体浓度的测量，还广泛应用于从特征吸收来识别不同分子的结构。[4]
研究表明，分子光谱多为带光谱。这是由于分子内部各质点的运动能级较原子光谱复杂的缘故。[6][7]在分子中，除了原子的核能En，质心在空间的平移能Et和电子运动能Ee外，还有原子之间的相对振动能Ev，分子转动能Er和分子中基团之间的内旋转能Ei等。当不考虑各种运动形式之间的相互作用时，可近似地认为分子整体能级E为：E=Ee+Ev+Er+En+Et+Ei，由于En在一般化学实验条件下不发生变化，后两项Et、Ei又比较小，一般只考虑其它几项能量：E=Ee+Ev+Er 。
当分子由较低能级E激发到较高能级E’时，所吸收的辐射频率v为：
v=∆E∆E∆E++=∆ve+∆vv+∆vr hhh
理论和实践都证明，电子运动能量差△Ee最大，转动能量差△Er最小，这表明，在每一个电子能级之上可以有较小间隔的振动能级，而在每一个振动能级之上又有更小间隔的转动能级，形成图1所示的分子能级图。
分子中的电子跃迁必然引起原子间振动状态的变化。而振动状态的变化，又将引起整个转动惯量的增大或缩小，从而使转动状态变化。分子的振动、转动以及电子的运动相互联系，而分子的运动状态与分子光谱紧密联系在一起，三种不同波长的光谱交织在一起使得分子光谱变得十分复杂。光谱中往往存在着由许多密集谱线组成的一个个光谱带，若干个光谱带又归并成一个光谱带系，因此称为带状光谱。形成带状光谱是分子光谱的特点。以上表明分子光谱的复杂性取决于分子的微观结构，由于不同的分子具有不同的微观结构，从而所形成的分子光谱也就不同。每种气体都有其特定的吸收光谱，对应于不同的吸收带。气体分子对红外辐射有选择的吸收是红外气体传感器的设计基础。
2 气体浓度测量原理
绝大多数双原子分子和多原子分子气体在红外波段均有特征吸收峰，可用红外吸收光谱法进行气体浓度的检测。气体对红外辐射的吸收遵循Lambert-Beer定律：[6,8]
I(λ)=I0(λ)exp[-α(λ)CL]
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收稿日期：2005-02-26
作者简介：张帆（1973-），男，河北唐山人，唐山学院机电系助教，硕士。
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张 帆，张立萍：红外吸收光谱法在气体检测中的应用
式中，L为光通过气室的长度，C为被测气体的浓度，α(λ)为每克吸收气体的吸收系数，是波长的函数。一般的，定义吸光度H为：H(λ)=−lnτ=−lnI(λ)，则有：H(λ)=α(λ)CL。 I0(λ)
可以看出，若吸收系数α(λ)可以测得，通过测量入射光和透射光的强度就能测出气体浓度。
光路的干扰因素，可采用差分吸收技术加以消除。考虑光路干扰，Lambert-Beer定律表示为：[9]
I(λ)=I0(λ)exp[-α(λ)CL+β(λ)]
式中，β(λ)为光路干扰系数，β(λ)是一个随机变量。如果选用两个波长λ1，λ2相隔极近(但在吸收系数上有很大差别)的单色光同时或在相差很短时间内通过待测气体，待测气体的浓度可以表示为：
C=1I(λ)I(λ){ln−ln−[β(λ2)−β(λ1)]} [α(λ1)−α(λ2)]LI0(λ2)I(λ2)
1I(λ)I(λ2)ln01 [α(λ1)−α(λ2)]LI0(λ2)I(λ1)
1I(λ2)ln [α(λ1)−α(λ2)]LI(λ1)由于相差很小，光几乎同时接近和通过待测气体，可以认为β(λ1)≈β(λ2)，上式可以简化为: C=适当调节光学系统使I0(λ1)=I0(λ2)，可进一步简化为： C=
在波长λ1，λ2处，若气体的吸收系数α1，α2可以测量，则气体浓度就可由I(λ1)和I(λ2)的测量值求出。
Ee''''
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3 红外气体检测仪器的结构 '
'
图1 分子能级图 转动能级
笔者开发的红外CH4气体检测仪由光学系统和单片机系统两部分组成,其方框图如图所示：
图2 CH4检测仪方框图 仪器的光学系统采用单光源、双探测器、空间双光束结构，采用了差分吸收技术，系统在测量时利用检测光信号与参比光信号相比较的方法，一方面能够从一定程度上克服单光路中光源在不同时刻强度变化引起的误差，另一方面能对温度引起的传感器漂移起一定的抑制作用。红外光源中心波长控制在甲烷气体吸收峰(3.39µm)附近，为保证光源的最大辐射波长λm位于甲烷气体的吸收峰，光源的发光温度定为855℃，同时参比光的波长选在λm附近，λref＝3.9µm。
光源产生的红外光通过气室，分别经检测滤光片（中心波长为3.39µm）和参比滤光片（中心波长为3.9µm），得到两束单色光，经红外探测器实现光信号到电信号的转换，输出毫伏级的与甲烷浓度成一定关系的电压信号。该浓度电压信号经放大，滤波和A/D转换，变成数字量，读入单片机，并通过相应程序计算出气体浓度。
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第27卷第5期 唐山师范学院学报 2005年第5期
仪器的软件系统采用C语言开发，能独立地实现信号采集、数据处理、数值显示功能，以实现气体浓度的测量。此外还具有与工业PC机通讯的功能，通过通讯接口，可将红外甲烷检测仪的测量数据传送到PC机，以便作进一步的数据分析与处理。
参考文献：
[1] 王一丁,钟宏杰,金钦汉,等.红外CH4检测仪[J].吉林大学自然科学学报,2001,(4):69-70.
[2] Ruth W. Stidger. New Technology Improves Leak Detection. Gas Utility Manager, 2003,47(4):16-17.
[3] 王化祥,张淑英.传感器原理及应用[M].天津:天津大学出版社,1998.145-150.
[4] 方惠群,于俊生,史坚.仪器分析[M].北京:科学出版社,2002.330-359.
[5] A. D. Stuart. Some Applications of Infrared Optical Sensing. Sensors and Actrators,1993,B11(1-3):185-193.
[6] 赵藻藩,周性尧,张悟铭,等.仪器分析[M].北京:高等教育出版社,1995.5.10-14.57.
[7] 罗庆尧,邓延倬,蔡汝秀,等.分光光度分析[M].北京:科学技术出版社,1998.8-16.
[8] 叶险峰,汤伟中.CH4气体光纤传感器的研究[J].半导体光电,2000,(6):218-220.
[9] 王玉田,郭增军,王莉田,王亮.新型甲烷光纤传感器的研究[J].光学技术.2001,(4):342-343.
The Application of Infrared Absorption Spectroscopy to Gas
Monitoring
ZHANG Fan1, ZHANG Li-ping2
(1.Mechanical Department, Tangshan College, Hebei Tangshan 063000, China;
2.Department of Basic Courses, Hebei Energy Institute of Vocation and Technology, Hebei Tangshan 063000, China)
Abstract: The characteristics of infrared absorption spectroscopy are described briefly and the principles of gas monitoring based on Lambert-Beer law and differential absorption are stated in detail. A portable infrared methane monitor has been designed, by which the structure of the gas monitor is also introduced.
Key words: infrared absorption spectroscopy; monitor; methane; gas
责任编辑、校对：孙海祥
（上接第47页）
Improvement on Culture Medium of Corn Powder for Drosophila
ZHANG Hui-yi
(Experimental Center of Chemical Engineering and Biological Technology, Hebei Polytechnic University, Hebei Tangshan
063000, China)
Abstract: Through modifying the components properly according to original components of Culture Medium of Corn Powder, the capability of the culture medium to resist mildew can be enhanced and get fat larva of Drosophlia can be got whose salivary chromosomes are easily watched.
Key words: drosophila; culture medium; to go moldy
责任编辑、校对：李春香
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第27卷第5期 唐山师范学院学报 2005年9月 Vol. 27 No.5 Journal of Tangshan Teachers College Sep. 2005
红外吸收光谱法在气体检测中的应用
张 帆1，张立萍2
（1.唐山学院 机电系，河北 唐山 063000；2.河北能源职业技术学院 基础部，河北 唐山 063000）
摘 要：详述了气体浓度检测的原理：朗伯-比尔吸收定律和差分吸收技术,并结合笔者设计的红外甲烷检测
仪对气体测量仪的结构进行了详细介绍。
关键词：红外吸收光谱法；检测仪；甲烷；气体
中图分类号：Q433.5+1 文献标识码：A 文章编号：1009-9115（2005）05-0062-03
气体检测在众多行业有着广泛的应用，有毒有害气体、易燃易爆气体浓度的检测历来对安全生产具有重要意义。近年来，瓦斯爆炸是煤业生产中危害极大的一类事故，伤亡人数超过全部重大事故伤亡人数的一半，[1]煤矿企业急需高可靠性智能化的甲烷气体检测仪来满足复杂的现场需求。石油化工、环境保护和防疫等领域也需要监测一些气体浓度，如CO、O3、NH3、SO2和NO2等。常用的测量气体方法主要有红外吸收光谱法、电化学法和化学传感器法等。[2][3]红外光谱法是近十多年来迅速发展的新型检测技术。与其它方法相比较，有测量范围宽、灵敏度高、选择性良好、不中毒、寿命长等一系列优点，[4][5]受到国内外广泛重视，具有良好的技术发展前景。
1 红外吸收光谱的产生
根据量子力学原理，光是由光子所组成，当气体受到红外光束照射时，光子作用于该气体分子，该分子选择性地吸收某些频率的光子，并从低能态跃迁到高能态；从宏观上看，表现为透射光的强度变小，这种现象称为吸收。红外吸收光谱不仅应用于气体浓度的测量，还广泛应用于从特征吸收来识别不同分子的结构。[4]
研究表明，分子光谱多为带光谱。这是由于分子内部各质点的运动能级较原子光谱复杂的缘故。[6][7]在分子中，除了原子的核能En，质心在空间的平移能Et和电子运动能Ee外，还有原子之间的相对振动能Ev，分子转动能Er和分子中基团之间的内旋转能Ei等。当不考虑各种运动形式之间的相互作用时，可近似地认为分子整体能级E为：E=Ee+Ev+Er+En+Et+Ei，由于En在一般化学实验条件下不发生变化，后两项Et、Ei又比较小，一般只考虑其它几项能量：E=Ee+Ev+Er 。
当分子由较低能级E激发到较高能级E’时，所吸收的辐射频率v为：
v=∆E∆E∆E++=∆ve+∆vv+∆vr hhh
理论和实践都证明，电子运动能量差△Ee最大，转动能量差△Er最小，这表明，在每一个电子能级之上可以有较小间隔的振动能级，而在每一个振动能级之上又有更小间隔的转动能级，形成图1所示的分子能级图。
分子中的电子跃迁必然引起原子间振动状态的变化。而振动状态的变化，又将引起整个转动惯量的增大或缩小，从而使转动状态变化。分子的振动、转动以及电子的运动相互联系，而分子的运动状态与分子光谱紧密联系在一起，三种不同波长的光谱交织在一起使得分子光谱变得十分复杂。光谱中往往存在着由许多密集谱线组成的一个个光谱带，若干个光谱带又归并成一个光谱带系，因此称为带状光谱。形成带状光谱是分子光谱的特点。以上表明分子光谱的复杂性取决于分子的微观结构，由于不同的分子具有不同的微观结构，从而所形成的分子光谱也就不同。每种气体都有其特定的吸收光谱，对应于不同的吸收带。气体分子对红外辐射有选择的吸收是红外气体传感器的设计基础。
2 气体浓度测量原理
绝大多数双原子分子和多原子分子气体在红外波段均有特征吸收峰，可用红外吸收光谱法进行气体浓度的检测。气体对红外辐射的吸收遵循Lambert-Beer定律：[6,8]
I(λ)=I0(λ)exp[-α(λ)CL]
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收稿日期：2005-02-26
作者简介：张帆（1973-），男，河北唐山人，唐山学院机电系助教，硕士。
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张 帆，张立萍：红外吸收光谱法在气体检测中的应用
式中，L为光通过气室的长度，C为被测气体的浓度，α(λ)为每克吸收气体的吸收系数，是波长的函数。一般的，定义吸光度H为：H(λ)=−lnτ=−lnI(λ)，则有：H(λ)=α(λ)CL。 I0(λ)
可以看出，若吸收系数α(λ)可以测得，通过测量入射光和透射光的强度就能测出气体浓度。
光路的干扰因素，可采用差分吸收技术加以消除。考虑光路干扰，Lambert-Beer定律表示为：[9]
I(λ)=I0(λ)exp[-α(λ)CL+β(λ)]
式中，β(λ)为光路干扰系数，β(λ)是一个随机变量。如果选用两个波长λ1，λ2相隔极近(但在吸收系数上有很大差别)的单色光同时或在相差很短时间内通过待测气体，待测气体的浓度可以表示为：
C=1I(λ)I(λ){ln−ln−[β(λ2)−β(λ1)]} [α(λ1)−α(λ2)]LI0(λ2)I(λ2)
1I(λ)I(λ2)ln01 [α(λ1)−α(λ2)]LI0(λ2)I(λ1)
1I(λ2)ln [α(λ1)−α(λ2)]LI(λ1)由于相差很小，光几乎同时接近和通过待测气体，可以认为β(λ1)≈β(λ2)，上式可以简化为: C=适当调节光学系统使I0(λ1)=I0(λ2)，可进一步简化为： C=
在波长λ1，λ2处，若气体的吸收系数α1，α2可以测量，则气体浓度就可由I(λ1)和I(λ2)的测量值求出。
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3 红外气体检测仪器的结构 '
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图1 分子能级图 转动能级
笔者开发的红外CH4气体检测仪由光学系统和单片机系统两部分组成,其方框图如图所示：
图2 CH4检测仪方框图 仪器的光学系统采用单光源、双探测器、空间双光束结构，采用了差分吸收技术，系统在测量时利用检测光信号与参比光信号相比较的方法，一方面能够从一定程度上克服单光路中光源在不同时刻强度变化引起的误差，另一方面能对温度引起的传感器漂移起一定的抑制作用。红外光源中心波长控制在甲烷气体吸收峰(3.39µm)附近，为保证光源的最大辐射波长λm位于甲烷气体的吸收峰，光源的发光温度定为855℃，同时参比光的波长选在λm附近，λref＝3.9µm。
光源产生的红外光通过气室，分别经检测滤光片（中心波长为3.39µm）和参比滤光片（中心波长为3.9µm），得到两束单色光，经红外探测器实现光信号到电信号的转换，输出毫伏级的与甲烷浓度成一定关系的电压信号。该浓度电压信号经放大，滤波和A/D转换，变成数字量，读入单片机，并通过相应程序计算出气体浓度。
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第27卷第5期 唐山师范学院学报 2005年第5期
仪器的软件系统采用C语言开发，能独立地实现信号采集、数据处理、数值显示功能，以实现气体浓度的测量。此外还具有与工业PC机通讯的功能，通过通讯接口，可将红外甲烷检测仪的测量数据传送到PC机，以便作进一步的数据分析与处理。
参考文献：
[1] 王一丁,钟宏杰,金钦汉,等.红外CH4检测仪[J].吉林大学自然科学学报,2001,(4):69-70.
[2] Ruth W. Stidger. New Technology Improves Leak Detection. Gas Utility Manager, 2003,47(4):16-17.
[3] 王化祥,张淑英.传感器原理及应用[M].天津:天津大学出版社,1998.145-150.
[4] 方惠群,于俊生,史坚.仪器分析[M].北京:科学出版社,2002.330-359.
[5] A. D. Stuart. Some Applications of Infrared Optical Sensing. Sensors and Actrators,1993,B11(1-3):185-193.
[6] 赵藻藩,周性尧,张悟铭,等.仪器分析[M].北京:高等教育出版社,1995.5.10-14.57.
[7] 罗庆尧,邓延倬,蔡汝秀,等.分光光度分析[M].北京:科学技术出版社,1998.8-16.
[8] 叶险峰,汤伟中.CH4气体光纤传感器的研究[J].半导体光电,2000,(6):218-220.
[9] 王玉田,郭增军,王莉田,王亮.新型甲烷光纤传感器的研究[J].光学技术.2001,(4):342-343.
The Application of Infrared Absorption Spectroscopy to Gas
Monitoring
ZHANG Fan1, ZHANG Li-ping2
(1.Mechanical Department, Tangshan College, Hebei Tangshan 063000, China;
2.Department of Basic Courses, Hebei Energy Institute of Vocation and Technology, Hebei Tangshan 063000, China)
Abstract: The characteristics of infrared absorption spectroscopy are described briefly and the principles of gas monitoring based on Lambert-Beer law and differential absorption are stated in detail. A portable infrared methane monitor has been designed, by which the structure of the gas monitor is also introduced.
Key words: infrared absorption spectroscopy; monitor; methane; gas
责任编辑、校对：孙海祥
（上接第47页）
Improvement on Culture Medium of Corn Powder for Drosophila
ZHANG Hui-yi
(Experimental Center of Chemical Engineering and Biological Technology, Hebei Polytechnic University, Hebei Tangshan
063000, China)
Abstract: Through modifying the components properly according to original components of Culture Medium of Corn Powder, the capability of the culture medium to resist mildew can be enhanced and get fat larva of Drosophlia can be got whose salivary chromosomes are easily watched.
Key words: drosophila; culture medium; to go moldy
责任编辑、校对：李春香
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