红外光谱技术在气体检测分析中的应用

钟捷（国家化学工业气体产品质量监督检验中心（福建） 350008）

引言

近年来，随着我国经济的不断发展，各种安全事故发生的频率也不断升高。 煤矿企业生产中出现的瓦斯爆炸最常见也是造成危害最大的安全事故， 因此煤矿企业需要一套完善的气体检测设备来避免重大事故的发生。 在石油化工和防止瘟疫蔓延时也需要用到气体检测设备，比如检测一氧化碳等。 因此，气体检测分析技术在许多行业中应用广泛， 对于保障人们的生产生活具有十分重要的意义。 目前，气体检测的方法有很多种，其中较为普遍的是采用红外光谱技术进行气体检测分析。 它克服了传统气体检测分析方法设备易老化，抗干扰能力弱的弊端，优点是反应速度快，测量结果真实可靠，因此具有良好的发展前景。

一、红外光谱吸收原理

众所周知，光是由许多单一颜色的光组成的，由此可知，红外光是由许多处于红外频率以外的光组成的。 每种气体都具有一种性质：可以吸收对应频率的红外光能量，气体吸收红外光能量中频率最高的被称为气体的特征吸收频率。 当光线穿透气体时，气体吸收特征频率谱线光，导致光的能量下降。 研究表明，每种气体在红外辐射波段都有不同数目的特征吸收谱线。

由于特征频率是由一定频率范围内的光组成的， 因此特征吸收频率具有一定的带宽， 并且带宽中每个频率被吸收的量不尽相同。 通过相应的吸收模型和计算公式可以计算出红外光线穿过气体时被吸收能量的多少。 气体的浓度变化、光线穿过气体时所走的路程、光线能量衰减的程度，三者的关系符合光吸收基本定律。

二、红外光谱技术的优点

1、选择性好

由于每种气体都具有特定的红外吸收频率， 因此在检测混合气体时，由于各种气体都具有各自的特征频率光谱，彼此之间互相隔离，互不干扰，使检测混合气体中的某种特定的气体成为可能。

2、反应灵敏，可靠性高

采用传统的检测方法做气体检测时， 开启检测系统后往往无法直接工作，而是需要经过一段比较长的预热时间。 而采用红外光谱技术的气体检测设备， 在开机后短时间内就可以进行工作。 即使气体浓度仅仅发生微小变化，它也可以及时检测到，反应十分灵敏。 在实际检测过程中，基于某些检测方法设计的检测系统很容易因为设备发热等因素， 导致测量的准确性和检测出的数据不可靠。 而采用红外光谱吸收技术设计的气体检测设备，由于它是通过光信号来工作的， 所以不会引起系统温度升高等情况的出现，测量的数据不受干扰因素的影响，测量的稳定性和可靠性较高。

3、安全性高，可操作性强

红外光谱技术设计的检测设备采用的是光信号， 与传统设备采用电信号相比，在煤矿等易燃易爆气体集聚的场合，不会引起气体燃烧和爆炸等情况的发生，具有较高的防爆性和安全性。由于每种仪器都具有各自的适用范围， 当气体浓度超过一定数值时容易引起元件的老化和中毒等情况，使测量结果出现偏差。采用红外光谱技术来检测气体，可以避免这些情况的出现。 而且采用红外光谱技术产生的干扰信号弱，系统的信噪比较高。 除此之外，系统具有灵敏度自动补偿功能和零点自动补偿功能，因此不需要定时校准，可操作性较强。

三、红外光谱检测技术的应用

红外光谱技术在气体检测分析中的应用已经有很长的历史了，应用的效果也非常好，目前采用的比较多的气体检测方式有以下几种。

1、直接吸收光谱技术

直接吸收光谱技术应用时间比较早，应用范围比较广。 它是以朗伯比尔定律为原理研制出的检测方法。 由于气体与光发生作用的路径长度与气体对光的吸收成正比关系。 因此，光和气体作用的路径越长，被气体吸收的光就会越多，探测的反应就会越快，测量的结果也更加可靠。 随着研究的进一步深入，直接吸收光谱技术从刚开始使用的单程光，逐渐发展到后来使用双光程，到现在使用具有多次反射能力的长光程。 多光程气室分为怀特气室、赫里欧气室和散射反射镜多光程气室三种。 多反射长光程气室可以产生几百次反射， 得到的光程长度从几十米到几公里不等。 在这样的光程下，探测灵敏度得到进一步提升。

2、光声光谱技术

光声光谱技术的原理是气体在吸收光辐射的过程中会产生声学波，它是根据光声效应开发出来的检测技术，所以可以利用它来检测气体。 与其它的红外光谱技术不同的是，光声光谱技术是一个间接的检测技术，它不直对整个过程进行检测，而是探测气体在吸收光的过程中引起的温度和压力的变化。 由于气体在吸收光的过程中，气体的温度会发生变化，从而导致压力的变化或产生声学波， 光声光谱技术可以利用这些因素的变化达到检测气体的目的。

结语

采用红外光谱技术检测分析气体， 克服了常规仪器容易受外界环境干扰，仪器元件容易老化等不足之处，具有选择性好、反应灵敏、可靠性强、安全性高、可操作性强等优点。 相信随着研究的不断深入，红外光谱技术具有的这些优点，会使它在气体检测分析中的应用前景更加广阔。

[1]施德恒,刘新建,许启富.利用红外光谱吸收原理CO 浓度测量装置研究[J] .光学技术, 2001 (1) .

[2]邓勃.原子吸收光谱分析的原理、技术和应用[M] .北京∶清华大学出版社, 2004.

[3]孙汉文.原子光谱分析[M] .北京∶高等教育出版社,2002.