by / sumaart
紅外氣體傳感器：紅外氣體傳感器的作用原理
作用原理
由不同原子構(gòu)成的分子會(huì)有獨(dú)特的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，當(dāng)其受到相同頻率的紅外線照射時(shí),就會(huì)發(fā)生紅外吸收，從而引起紅外光強(qiáng)的變化，通過(guò)測(cè)量紅外線強(qiáng)度的變化就可以測(cè)得氣體濃度；需要說(shuō)明的是振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)是兩種不同的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，這兩種運(yùn)動(dòng)形態(tài)會(huì)對(duì)應(yīng)不同的紅外吸收峰，振動(dòng)和轉(zhuǎn)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(jù)單一的紅外吸收峰位置只能判定氣體分子中有什么基團(tuán)，精確判定氣體種類需要看氣體在中紅外區(qū)所有的吸收峰位置即氣體的紅外吸收指紋。但在已知環(huán)境條件下，根據(jù)單一紅外吸收峰的位置可以大致判定氣體的種類。由于在零下273攝氏度即絕對(duì)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(duì)紅外探測(cè)器構(gòu)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(cè)器和信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成。
為什么紅外氣體傳感器不能測(cè)量氧氣、氫氣、氮?dú)獾扔上嗤訕?gòu)成的氣體分子?
月亮和地球、地球和太陽(yáng)靠萬(wàn)有引力連接，分子內(nèi)部原子間靠化學(xué)鍵連接。如果二者是理想球體而且沒有其它萬(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(zhǎng)半徑之間轉(zhuǎn)換，即振動(dòng)，只是振動(dòng)周期長(zhǎng)達(dá)一年，在這個(gè)過(guò)程中，地球處于短半徑點(diǎn)和長(zhǎng)半徑點(diǎn)時(shí)，它和太陽(yáng)之間的引力是不同的，即能量級(jí)別不同。在分子內(nèi)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(zhuǎn)動(dòng)，而且不同的分子會(huì)有獨(dú)特的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率,當(dāng)遇到相同頻率的紅外線照射時(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(nèi)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)滿足才能產(chǎn)生紅外吸收。
氧氣、氫氣、氮?dú)獾扔赏环N原子構(gòu)成的分子為什么沒有紅外吸收峰:兩個(gè)基本條件一是氣體分子振動(dòng)頻率與照射的紅外線頻率相同，二是偶極距變化。不難理解，第一個(gè)條件容易滿足，第二個(gè)條件無(wú)可能性。
相同原子構(gòu)成的分子正負(fù)電荷中心完全重疊，即偶極距為零，其結(jié)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(dǎo)致能量變化。而不同原子構(gòu)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，即微觀上水分子中氫那一端呈正電性,氧那一端呈負(fù)電性，正負(fù)電荷中心是不重疊的，即偶極矩不為零。這是因?yàn)檠跷娮拥哪芰Ρ葰鋸?qiáng)的緣故。
在與水分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相同的紅外線照射時(shí)，會(huì)使電子在水分子中的分布更偏向氧一端，導(dǎo)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(jí)躍遷到高能級(jí)，紅外吸收就是這樣產(chǎn)生的。可以這樣去簡(jiǎn)單理解:紅外線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，沒有能量轉(zhuǎn)移。不同原子組成的分子與紅外線相互作用則有能量轉(zhuǎn)移。因此，紅外吸收原理不能測(cè)相同原子構(gòu)成的分子。
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