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系(朗伯-比爾Lambert-Beer定律)來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有獨特的振動、轉動頻率，當其受到相同頻率的紅外線照射時，就會發生紅外吸收，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、轉動是兩種不同的運動形態，這兩種運動形態會對應不同的紅外吸收峰，振動和轉動本身也有多樣性，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所有的吸收峰位置即氣體的紅外吸收指紋。

在已知環境條件下，根據單一紅外吸收峰的位置可以大致判定氣體的種類。由于在零下273攝氏度即絕對零度以上的一切物質都會產生紅外幅射，紅外幅射與溫度正相關，因此，同催化元件一樣，為消除環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的多樣性使其具有多種不同的振動頻率和轉動頻率，因此，對紅外吸收的分子會有不同個吸收峰。另外，具有相同化學鍵的分子(如水和酒精分子中的氫氧鍵)會有相近的吸收峰，干擾由此產生。

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、地球和太陽靠萬有引力連接，分子內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。

同理，在分子內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生變化，即振動、轉動，而且不同的分子會有獨特的振動、轉動頻率,當遇到相同頻率的紅外線照射時會產生諧振、原子間距離和電子分布發生變化即偶極距發生變化，紅外吸收就是這樣產生的(紫外吸收同理)。

以上內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生的。

可以簡單理解：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，沒有能量轉移。不同原子組成的分子與紅外線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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