第六章红外辐射测量仪器及基本参数测量.

1、红外技术及应用mu a m juKrvwsrn第矢章俺外辐射剧量仪器及疫4泰褻测養教学目的：使学生了解红外辎射测量中常用的基本仪 器设备及其工作原理，并学握红外基本辐射量、发射 率、反射比、红外吸收比和透射比的测童方法.学时分配：8*A.难点：掌握红外辐射基本泰数.教学内容：本章主妥介绍红外辐射测量中常用的基本 设备.同时讨论红外辐射基本奏数，如发射率、反射 比以及沒收与透射光谱的测至原理和方法.红外技术及应用ohm iih mi uMvrearn光谱学发展史 1、形成阶段：1666年牛顿在研究三橈傥时 发现将K阳光通过三棱镜太阳光分解为七色光。 1814年夫琅和费设计了包括获缝、棱镜和視窗

2、的光学系统并发现了太阳先谱中的吸收谱线（夫琅和费谱线）。 2.研究室和应用阶段：1860年尿尔霆夫和 本生为研究金属光谱设计成较完善的现代光谱 仪一光谱学诞生。由于棱镜光谱是非线性的， 人们开始研究光栅光谱仪。红外技术及应用ohm iih aw vKrvraarn6.1红外辐射测量仪器1 单色仪石|:，二义：单色仪是利用分）t元件（棱镜或光栅）从复杂辆对 中获得紫外、可见和红外光谱且具有一定单色程度光束的妝话。俎成：由欣缝、准吃镜和分光元件按一定排列方式组合而 成。“应川；色仪作为独立的仪器使用时，可用丁物体的发射、 吸收、反射和透射特件的分光辐对测吊:和光谱研究，也可 用J吕种探测器的光谱响

3、迈测晟 若把单色仪他体系 组合在一起,则可构成各种光谱测最仪器,如红外光谱辐 射计和红外分光光度计等。4红外技术及应用ciiim iiu iw uKrvHwrn 一般的单色仪由入射狭缝、准直物钱、色散元件、 成像场镜及出射狭缝组成.单色仪的种类较多，有通用型和专用型之分。主 妥性能指标包括如下内容： 工作波段范围 线色散率光谱宽度或光谱分辨率波长重复性 波长准确度 波长扫描速度 物镜视场甬等红外技术及应用.仁檢ciiim iiu iw uKrvHwrn阳61校備对单色比的折射早期的单色仪多采用梭镜作为色散元件.如图6-1 ；用色散为2 sin（4/2） dn&九卜,血：（A/2）F 必

4、（心棱镜的材料和形状最终决定了掠镜的分艸本领 :分辨本领是指分离开两条邻近谱线的能力。<则其理论分辨本领R即：尺+也心）6OHM mi AW2.光栅图62何曜先拇的横剖”调承闪曜光栅匸极大的位置服从光栅方榨式mA = h(sin i + sin 0)(6-3)*加为衍射级次级，加=0，土匚±2,.上为光删常数：f为入対角：卩为衍射角。',；:将式(6-3)对么做分即可求出角色散率dw/dA为 g _ 加(6-4)dX /?cos红外技术及应用niiM miaug wrvwarn:光栅的分辨木领/?也具有式(62)的形式,(6-5):式屮W是仃效孔径宽度，WMNwQ II

5、-+/7是 条划线的宽度，N是划线总数，炉是衍财角。将式 (64)代入上式得R = mN(6-6):由式(6-6)可知,光栅的分辨本领与划线总数N 和比谱的级数川成正比。m 17 nu aw vxrvwTT:单色仪的匸作康理町用图©3所示的反姑式单色仪光路系 I以说明© 1I辐射源的辐射來穿汕入帖狹缝S/lH经 抛物面准直反射懺M|反射变成罕行光束投射到平而卿 再彼反射进入色故棱镜PJ足彼分解为不同折射角 的单色卩疔光束.经另一抛物而反射镜M扳射并聚儀于 出射狭缝h输出。1*16.3反射貞唯色仪光能系统略!¥1红外技术及应用<mjX nt 17 nu aw

6、vxrvwTT常见单色仪光学系统透射式单色仪红外技术及应用cniM iiuaw vwvigTT立特洛型棱镜单色仪红外技术及应用红外技术及应用红外技术及应用红外技术及应用红外技术及应用红外技术及应用ohm uxiviwm红外技术及应用 >A 暑 >» > A IB ) 4ftit>t<L®4eO#红外技术及应用miM nu aw TORTiBarn>2.光谱辐射计：定义和组成,光谱辐射计是在窄光谱区间 测応光谱辐射通量的装旨。辐射计是在宽 光谱区间测量辐射通量的装置。鬧&4牺射计匪理红外技术及应用:图65给出J"光谱辎射计

7、的结构示意图。光 谱辐射计主耍山两个部分纽成：产生窄谱 带辐射的单色仪和测量此辐射通暈的辐射 计。W&4O用6J比i啊屈计的结构町逍阳红外技术及应用3.红外分光光度计cihm mi aw uKrvraam罔8议比束电学半復成纣外比il?仪的光学系统红外技术及应用*定义和组成：红外分光光度计也称红外光谱仪， 定进行红外比谱测准的基本设备，结构如图Mi所 示。主要山辆射源、单色仪.探测器、电子放大 器和自动记录系统等构成、(A)+<»>< mik.inilm; UKrvhwm;分类：红外分光光度计根据其结构鹼可分为单 光束分光光度汁和双光束分光光度汁两种。图67

8、灯外分尢光废计比賂图21罔8议比束电学半復成纣外比il?仪的光学系统红外技术及应用罔8议比束电学半復成纣外比il?仪的光学系统红外技术及应用红外技术及应用m im iiuaw (TKrvHwrn;処巴的双光束电学平衡式红外光谱仪的光学系统, 如團68所示。罔8议比束电学半復成纣外比il?仪的光学系统红外技术及应用 4.傅里叶变换红外光谱仪nilM mi AUG UKrVWTT功能：是使光源发出的光分为两束后造成一淀的 光程差，再使之复汁以产生丁涉，所得到的1渺 图函数包含了光源的全部频率和殁度信息。rntr 算机将尸涉图函数进存傅里叶变换,就町计算出 原来光源的强度按频率的分布。如果在复合光束

9、 中放汽一个能吸收红外辐射的试样，山所测得的 I：涉图函数经过傅电叶变换后m耒放试样时光源 的强度按频率分布之比值，即可得至«j试样的吸收 光谱。（：丨红外技术及应用nilM mi AUG UKrVWTT组成：迈克尔逊干涉仪和计算机组成。 傅里叶变换红外光谱仪由以下四部分组成。 （1）光源 （2）分束器 （3）探测器（4）数据处理系统红外技术及应用HTZ 1xuLm,<ihm m/aw vxrvraarn莎/ N.VtWZEJ-阳&9边丸斗HM 沙仪l.HJy.理红外技术及应用:山傅里叶变换红外光谱仪获得丿祈箫光谱； 一 般必须遵循如下步骤：(1 '"

10、1 I：涉仪动越M/随时间作匀速移动时.记录郴应的 ；测出/何值(1；间隔収样)；/ (2)由实验测定光程養"0时的1(0” (3抑心丿一"0坨代入方程，时F选定的频率"I外出枳分； r/(o)(f(，O-J S(Ml +cos5v"Au -十J$(r)ms2mA办(4对r侮-频率完成方种的积分，即可得到se川朋 光谱曲线图。S(v)« 4£ /(1)-虫J co$ 2nx(h红外技术及应用CHIM III) AW UKrVHWm傅里叶变换红外光谱仪仃以卜优点： 1）扫描时间短，倍噪比髙2）光通屐大 3）具有很高的波数准确度 4）具有

11、较髙的和恒定的分辨能力 5）具有很宽的光谱范围和极低的朵质辐射27CHIM III) AW UKrVHWm红外技术及应用：5.多通道光谱仪多通道光谱仪打单色仪的相同Z处在于均 采川棱镜或光栅作为色散元件，与单色仪 的不冋Z处在于能同时在很多波LC的通道 内收集色散能量。出财删Wfi-IO事通道比诺仪的从本结构#红外技术及应用cihm muvG uKrvream6.2基本辐射量的测量< 1.辐射亮度的测昴(6-7)o 假定用F角标=虫示。标准辐射源有关的量,而卜角 标“疋表示与待测辐射源肴矣的唏很显然.若定义仪器的 光谱辐射亮度响应度RL（“为，则”空业心S兄） Jl?|w为在波皿处仪器的

12、光诺输岀电压：LQJ为入腕处的 被测光鞘辐射壳度°借助此关系比川以码川在儿拦波段 内的响应度为(6-8)尺=-77L Jj Lr()M£红外技术及应用cihm muvG uKrvream:此时，用标准辐射源在A处测得的电压为:=厶,（几）/ （兄）（6-9）斗在人几2波长内测得的电压为<K =厶（人）心（几）必（6-10）>式屮厶他为标准辐射源的光谱辐射亮度。同样, 用待测辐射源所测得的电压为厶.和匕，则:匕严厶（Q&O <6-11）红外技禾及应用®+«<#«；rnim mi amg vKrvHBam匕訂:厶(6

13、-12) 其中L“丿为待测样品的光谱辐射亮度，于是可求得待测辐 射源的辐射亮度为(6-13)=也厶<!<lx =匕 =红广乙、“) =匕厶(6-14)r Rl 匕，八/匕，只中厶/和厶为标准辐射源在入射光瞳处的光谱辐射克度和 总辎府丸度。在运用式(6-13)和式(6-14)的鼓终结果时,不必考虑 仪器的响应度,仅仅要求知道辐射源的光谱辐射亮度,以 及仪器的输出电压信号就可以了。红外技禾及应用31®+«!<#«cihm nums vxrviwm:2辐射强度的测量J辐射源的辐射强度是通过辐对照度的测从来获得的9假设辎射穿过透射率为J的人气届 在距离为

14、d处产t的辐射照 度为匕 帕远去丁辐射源的线度时.辐射强度为_ Ed2=二(6-15)aW为表观辅射强度。如果辆射源是扩展辐射源，cosflM(6-16)33红外技术及应用#红外技术及应用 3 总辐射通疑的测虽33rwiM mi aw vKrv»®am枳分球也称积分光度计。它足个内壁涂口色漫 反射涂层，球内放待测光源的完整球売。山光源 发射并经球壁漫反对的部分辐射通过球壁上的 个小孔（窗口）射到测量用的接收器上。这部 分辐射通帚应正比于光源所发出的总辐射通准。红外技术及应用g816-11积分球原理#红外技术及应用chim ini iw vxrvrem:-如阁611所示为个半

15、徨为R的积分球其屮C是待测辆射源,町以放在球内任盘位置。假设球内雌竹点 都能产生均匀的漫反射.其漫反射比为“球心在0妳 辐 射源所发出的总辆射逋；上为0。如果在C和球壁匕 点叹 间放一档屏,拦去直接射向B点的辐射，则在E点的辐射照 度为E = 4 欣 * * /*(6-17)1 球壁上任何位置的辐射艇度源的总辐射通量成正比。 如果ft 16-11的C处依次放入标准源和待测源.由它们分 别在窗口处产生的辐射照度为殆和氏，则侍测源的总辐射 通駅为(6-18)式中吒为标准源的总辐射通比35红外技术及应用ohm iiiiiw vxrvremA如果所选用的探测器是无光惜选择性的.而IL是均匀响应 的.那

16、么就可以用相应的电信号表示待测源的辐射通址. 即药/丄帆(6-19)八;为用待测辐射源时所产生的比电流；为用标准辐射源时 所产生的光电流。如果C位丁球心,设辐射源的最大尺寸为窗口的直径 为加.则捋屏的半彳空为d=x29S/3。E ；通常要求輻射源的最大尺寸不超过球壳宜從的1/10。尺寸 较女的辐射源应选用K径较大的枳分球。#红外技术及应用ohm iiu aw vKrvwarn实际的积分球并不满足上述的理想条件其匸要原因如卜: （1）球内卑不对能发出理想的漫反恥jfl （2）球内璧各点的漫反射率不可能是严格相同的： （3）档屏不仅遮档了源的辐射，而IL也在球璽匕形成 一定的阴影；（4）落在辐射源

17、、总浮装国以及挡腓匕的轴射耍被它们 反射或吸收： （5）在窗口或接收器处不可能完全像朗伯余弦迄律那样 传输辐射或吸收牺射，对T掠入射和正入射的惰况也足不 同的.零答。因此,在使用枳分Z前，应该对枳分球的测试荊度进行检 验。红外技术及应用6.3红外发射率测量:- （1）根期定义，发射率足实际物体与廉体在相同条件（温度、光错范围和几何条件）卜的辐射Z比。因此，报 道测彊结果时应指明测试条件,并把测斎结果严格地说成 足任某温度、光谱范LH和方向上的发射率。如500K时的半 球全发射率盹（500K）或8OOKIIt5gm处的法向光谱发射率 % （5阿，800K）等。（2）必须对样品状态有完整的描述：I

18、人I为材料发射率的 测量受一系列因索影响,所以,报道测吐结果时，应尽可 能详尽地说明测试样品的成分、厚度、衣而的形貌特征和 结构持征。否则将会降低测;it结*与报通的价值.#红外技术及应用ch im mi aug wrvrarno (3)对光学不均匀的样品必须考虑反对作用；关于发射、 透射和反射的相m关系的许翁论述，郝只适川尸光学均匀 的材料。因此，在发射率测駅屮，应川基本关系式 &+/HT=l时.必须注点式屮的三个展要自-致的儿何条件。 例如，当从反射率和透射率计算法向发射率时，反射率和 透射率必须屈j ：均匀漫興射和法向观测的tfL ° (4)样品温度问题:测童发射率必须

19、准确知施样品温度。39ch im mi aug wrvrarn红外技术及应用1.半球全发射率测量&当研究辐射热传递和热损耗问题时,最关心的是物体表面 的半球全发射率。对它的测届,绝大多数的方法足采用爪 热法.»这种方法的基木原理和装置如图612所示。IV AasoT = AchcfTXgxgy rw im nu iw （慎rvream 2.法向光谱发射率测量 在备种H体方案屮，可有如下几方而的变化： （1）比较的方法，包括"光路和双光路？ （2）加热样品的方法，其中包括辆射、附加电阻加热器 的热传导、对流或旋转样品炉等样品加热：（3分比讣的类型，梭镜或光栅式单色仪、

20、滤比片等：（4测晟的光谱范围，取决J：分光il和探测器的工作波 帯： （5）温度测量和控制方比仃热电偶、光学或轴射禹温计,手动或自动控制$红外技术及应用n< 1“ iiu uKrvwam红外技术及应用红外技术及应用（6）数据处理方法.个波氏个波氏地测虽比较，或 在一个宽的波长范围内力记录；（7）所用比较黑体的类型.倔立的实验室黑体源、加热样品的炉或在样品中开的参比黑体腔几。双光路法向光谱发射率测处系统，广泛采用双比束比率记 录的红外分光光度计工作模式.它以实验用懐体源和待测 样品作为两个光束的辐射源。ohm mi&va vxrvHwrn为能亡接记录样品的法向光谱发对率，上述双光

21、路测试系统能够必须满足如卜条件： (1)被测样品和比较黑体必须控制在相同温度, 样品&而的温度梯度应尽对能小：(2)为使两光束有相同的大气吸收:,并便这种吸收降到试低，两光束的光路长度必须和等，或使 仪器保持在无吸收条件或真空 I 工作：红外技术及应用ohm mi&va vxrvHwrn(3)除分光棱镜外,必须始终采用前表面反射系 统,并在两光路中使用完全对等的光学元件,以 使两光束在比学匕何和等的吸收衰减；(4)两光束的源面积的场孔径必须相瓠 以保障 两光束中的辐射功率来自相同的源面积和发射立 体角。红外技术及应用:-若仪器对比和已录模式匸作.得到的法向光谱发肘率为:“H(2

22、)-Z(/l)(6-20)红外技术及应用红外技术及应用测城方法和步骤；测蛍前i先应对仪器逬行足标，11卩波长定标和仪器线性响应定标。在不同波长范围,可用不同方法对单色仪进 行波K定标。另外,利用大气吸收曲线也町在0.415pm范围找出 52个吸收峰,从而得到更艮波长的定标曲线。红外技术及应用iv* iiu aw vxrvraamchim tin aw irxrviwrn6.4红外反射比测量:1 反射比的定义:红外技禾及应用Cli IM I1W AW UKrVHWm-在测竝反射比时，应依不同的悄况用不同的力法。H丽常 用的室内反射比测量系统主婆分为四种二积分球反射计、 热腔反射计、半球反射计.椭

23、球镜或抛物镜反射计. 2.积分球反対计枳分球圧个内壁涂仃MgO、BaSO4或BaCO3竽漫反射涂 层的球形腔体。因这匹涂圧冇近似理想漫反射性能，所以, 若存-辐射束照射球的内壁则反射辐射将按余弦定律分 布.根抑入射及收集反射辐射的儿何关系，分别有不同的赵义 和左示方法心("双向反射比-： (2)方向半球反射比£ (3)半球方向反射比专(4)双半球反射比4除r述各种反射比以外,如果入射或接收反対辐射限制在 某个有限的惟角g或g内，则又彳了下列五种反射比之分: 方向锥角反射比、锥角方向反射比、双锥反射比、半球 锥角反射比、锥角半球反射比。红外技术及应用miM mjaug uxr

24、vHam积分球结构大同小异。归纳起来主要有下列两种类型; （1）将待测样品盘丁球壁或球心.把光東引入球内.并依次照射样品和球内樂的高漫反射涂层（或己知及射比的 标准反射体），从样骷及球内壁反射的光束经球内多次 反射后，在球曙产卞的辐射照度卩样詁从球内片次被照面 的反射比有关。 /（2将待测样品置于球墜或球心.把光束引入球内（或在入射扎处放_漫透射体）并在入射孔与样品之间用拦 板屛蔽。红外技术及应用miM mjaug uxrvHam16-14积分球I作廉理红外技术及应用miM mi amg uxmwrn<6.5红外吸收比和透射比测量<吸收和透射的光谱测量不能采用量热法,可运用 下列方

25、広：:（1）对于气体、半透明液体和固体材料，测量光 谱吸收和光谱透射比的赠简便的方法足H接利用 6.1节描述的色散型红外分光光度计或傅里时变换 红外光谱仪测量。必要时应作表面反射修正。红外技术及应用niiM iiuAUG uxrvmm（2）对于不透明固体材料,往往首先测量其光谱反对比“仇丿.然后根据皿丿-5Q确定光谱吸收比e（3）对F不能使用透射和反射法测ft的固体材料,可测星材料红外光诜发射比，获得光谱吸收系数 a（A）e知道了光谱吸收系数&（人）后，町根据关系式 a （川和a/Q二J -T（k）确定光谱透射比和光 谱吸收比。、(A) +片.其中&为衣面涂一泾吸收比也己知的材

26、料作 标准面。广圈& 15仇卜浙积比软01 im niJ au> uxmwm :如图615所示，设，和心是两块完金相同的试样薄红外技术及应用红外技术及应用红外技术及应用>若调节S,上方窗口光阑,改变投射到标准浙上的辐射功率, r至两反试样温度相同(测定温皮垄热电偶的电位罡讣仗 数为'冬为止。此时两块试样的热状态朴I图6-15稳态曲 枳比较法示意图同，所以EAg = EA2a?( 6-21 ):式屮E为试样衣面綿照度，厲和乩分别是待测血和杯准面 的实际受照面积,的和衍分别为它们的吸收比.由式(6- 21)得到待测而的吸收比为(6-22)ohm iiijaw vKivi

27、wm红外技术及应用ohm iiijaw vKiviwm一、分光光度计定义与应用定义:分光光度计是利用物质对光的选择吸收或发光现 象，通过测童不同波长的光能童变化而对物质进行定 性和定童分析的仪器.它同时具有分光及光度测量的 作用.特点：灵敏、精确、快速和简便，在复杂组分系统中， 不需要分离，即能检测出其中所含的极少量物质.应用：对于物质的吸收光谱、芟光光谱、拉曼散射光谱 等均可利用分光光度计进行测量.生物化学研究中广 泛使用的方法之一，广泛用于各种物质成份的快速定 量检测分光光度计的分类厂红外分光光度计：测定波长范围为大于760 nm的红外光区可见光分光光度计：测定波长范围为加°76

28、0ntn的可见光区紫外分光光度计:测定波长范围为200-400 mn的紫外光区57红外技术及应用n«ua iih au« vxrvHjam二、分光光度计的工作原理（一）物质的吸收光谱如果在光源和枚镜之间放上某种物质的溶液，此时在屏上所显示的光谱已不再是光源的光谱，它 出现了几条暗线.即光源发射光谱中某些波长的光 因溶液吸收而消失，这种被溶液吸收后的光谱称为 该溶液的吸收光谱.不同物质的吸收光谱是不同的.因此根据吸收 光谱，可以鉴别涿液中所含的物质.miM iiuaw vKmwrn当光线通过某种物质的溶液时，透过的光的強度 减弱.因为有一部分光在溶液的表面反対或分散，一 部分

29、光被组成此溶液的物质所吸收，只有一部分光可 透过溶液.入射光-反射光+分散光*吸收光*透过光 如果我们用蒸饰水(或组成此溶液的溶剂)作为“空白"去校正反射、分散等因素造成的入射光的损 失，W：入射光吸收光十透过jL红外技木及应用miM iiuaw vKmwrn设Io为经过空白校正后入射光的强度；I为透过 光的强度.根据实验得知I二1。10小式中，c表示吸收物质的浓度；I表示吸收物质的 光程，用CH1表示；£表示吸收物质的消光系数，它表 示物质对光的吸收特性，不同物质的£数值不同. 所以 1/1。=l()-ce,令 T (透射比)=I/I(l T=10 -1由上式可得 lg (1/T) =£C1lg (I/T)为物质的吸光度A=lg (1/T)红外技术及应用上式说明了物质的吸光度与吸收物质的浓度和液层的厚度成正比，这就是光吸收的基本定律一 Lambert-Beer （朗伯