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)成的分子會有獨特的振動、轉(zhuǎn)動頻率，當其受到相同頻率的紅外線照射時,就會發(fā)生紅外吸收，從而引起紅外光強的變化，通過測量紅外線強度的變化就可以測得氣體濃度；需要說明的是振動、轉(zhuǎn)動是兩種不同的運動形態(tài)，這兩種運動形態(tài)會對應不同的紅外吸收峰，振動和轉(zhuǎn)動本身也有多樣性；因此一般情況下一種氣體分子會有多個紅外吸收峰；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，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攝氏度即絕對零度以上的一切物質(zhì)都會產(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由一對紅外探測器構(gòu)成。
一個完整的紅外氣體傳感器由紅外光源、光學腔體、紅外探測器和信號調(diào)理電路構(gòu)成。
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(gòu)成的氣體分子?
月亮和地球、地球和太陽靠萬有引力連接，分子內(nèi)部原子間靠化學鍵連接。如果二者是理想球體而且沒有其它萬有引力干擾則地球軌道將是圓的，實際上上面兩個條件都不成立，因此其軌道是橢圓的，也就是地球和太陽之間的距離不停地在短半徑和長半徑之間轉(zhuǎn)換，即振動，只是振動周期長達一年，在這個過程中，地球處于短半徑點和長半徑點時，它和太陽之間的引力是不同的，即能量級別不同。在分子內(nèi)部原子間靠化學鍵連接，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、轉(zhuǎn)動，而且不同的分子會有獨特的振動、轉(zhuǎn)動頻率,當遇到相同頻率的紅外線照射時會產(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基本條件：諧振、偶極距變化。這兩個條件同時滿足才能產(chǎn)生紅外吸收。
氧氣、氫氣、氮氣等由同一種原子構(gòu)成的分子為什么沒有紅外吸收峰:兩個基本條件一是氣體分子振動頻率與照射的紅外線頻率相同，二是偶極距變化。不難理解，第一個條件容易滿足，第二個條件無可能性。
相同原子構(gòu)成的分子正負電荷中心完全重疊，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，其照射不會改變這種均衡，更不可能使分子電離，即不會導致能量變化。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、轉(zhuǎn)動頻率相同的紅外線照射時，會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會從低能級躍遷到高能級，紅外吸收就是這樣產(chǎn)生的。可以這樣去簡單理解:紅外線與相同原子組成的分子相遇時，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相同原子構(gòu)成的分子。
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