3第三章红外检测技术
第三章 红外吸收光谱分析-1
波长和波数
红外区光谱用波长和波数( 红外区光谱用波长和波数(wave number) 波长和波数 ) 来表征 ; 波长多用m做单位; 做单位; 波长多用 做单位 波数: 表示, 波数:以σ表示,定义为波长的倒数,单位 表示 定义为波长的倒数, cm-1,其物理意义是每厘米长光波中波的数 目. σ=1/λ(cm)=104/λ(m)=υ/c 用波数表示频率的好处是比用频率要方便, 用波数表示频率的好处是比用频率要方便,且 数值小. 数值小. 一般用透光率 波数曲线或透光度-波长曲线 透光率-波数曲线 波长曲线来 一般用透光率 波数曲线或透光度 波长曲线来 描述红外吸收光谱. 描述红外吸收光谱.
第三章 红外吸收光谱分析
3.2 基本原理 3.2.1 产生红外吸收的条件
产生红外吸收的条件
1) 辐射光子具有的能量与发生振动 跃迁所需的跃迁能量相等. 跃迁所需的跃迁能量相等. 2)辐射与物质之间有耦合作用. )辐射与物质之间有耦合作用.
条件一: 条件一:辐射光子的能量应与振动跃 迁所需能量相等
红外光谱的特点-1 红外光谱的特点
紫外,可见吸收光谱常用于研究不饱和 紫外,可见吸收光谱常用于研究不饱和 有机物, 有机物,特别是具有共轭体系的有机化 合物; 红外光谱法主要研究在振动中 合物;而红外光谱法主要研究在振动中 伴随有偶极矩变化的化合物. 伴随有偶极矩变化的化合物. 因此,除了单原子和同核分子如Ne, , 因此,除了单原子和同核分子如 ,He, O2,H2等之外,几乎所有的有机化合物 等之外, 在红外光谱区均有吸收. 在红外光谱区均有吸收. 一般只要结构上不同, 一般只要结构上不同,就会有不同的红 外光谱图. 外光谱图.
红外光谱的特点-2 红外光谱的特点
红外谱图吸收带的位置与吸收谱带的强 红外谱图吸收带的位置与吸收谱带的强 度反映了分子结构上的特点, 度反映了分子结构上的特点,可以用来 定基团,定结构; 定基团,定结构; 谱带的强度与分子组成以及含量有关 与分子组成以及含量有关, 谱带的强度与分子组成以及含量有关, 可以用来进行定量分析及纯度的检查; 可以用来进行定量分析及纯度的检查; 红外光谱分析特征性强,气体, 红外光谱分析特征性强,气体,液体和 固体样品均可以测定,并且具有用量少, 固体样品均可以测定,并且具有用量少, 分析速度快和不破坏样品等特点. 分析速度快和不破坏样品等特点.
第三章红外光谱IR
烷烃吸收峰
正己烷的红外光谱图
2，2，4-三甲基戊烷的红外光谱图
2、不饱和烃
• 烯烃 • 炔烃 • 芳香烃
2、1 烯烃 烯烃双键的特征吸收
影响双键碳碳伸缩振动吸收的因素
• 对称性：对称性越高，吸收强度越低。 • 与吸电子基团相连，振动波数下降，吸
收强度增加。 • 取代基的质量效应：双键上的氢被氘取
代后，波数下降10-20厘米-1。质量效应 • 共轭效应：使波数下降约30厘米-1 。
1-己烯的红外光谱图
~3060cm-1: 烯烃C—H伸缩振动；~1820:910cm-1倍频； ~1650cm-1: C=C伸缩振动；~995，905cm-1: C=CH2 非平面摇摆振动
顺式和反式2，2，5，5-四甲基己烯红外光谱 a 顺式 b 反式
v~
=
1
——
K
2C M
M = m1 m2 m1 + m2
双原子分子红外吸收的频率决定于折合质量和键力常数。
C-H C-C C-O C-Cl C-Br C-I
-1 cm
3000
1200 1100
800
550
500
v cm-1
力常数/g.s-2
CC 2200~2100
12~18105
C=C 1680~1620
C-H面外弯曲振动吸收峰位置（cm-1） 670
770-730，710-690 770-735
810-750，710-690 833-810
780-760，745-705 885-870，825-805 865-810，730-675
810-800 850-840 870-855
870
各类取代苯的倍频吸收和面外弯曲振动吸收
2013923第三章红外答案
第三章红外光谱一、名词解释基频峰、倍频峰、费米共振、特征频率区、指纹区基频峰：当分子吸收一定频率的红外线后，振动能级从基态（V,）跃迁到第一激发态（V）吋所产生的吸收峰，称为基频峰。
倍频峰：如果振动能级从从基态（V.）跃迁到第二激发态（V2）、第三激发态（Vs）所产生的吸收峰称为倍频峰。
费米共振：当一振动的倍频（或组频）与另一振动的基频吸收峰接近时，由于发生相互作用而产生很强的吸收峰或发生裂分，这种倍频（或组频）与基频峰之间的振动偶合称费米共振特征频率区：特征谱带区有机化合物的分子中一些主要官能团的特征吸收多发生在红外区域的4000〜1500cm-2。
该区域吸收峰比较稀疏，容易辨认，故通常把该区域叫特征谱带区。
红外光谱指纹区：红外吸收光谱上1500〜40Ocm-1的低频区，通常称为，在核指纹区。
该区域中出现的谱带主要就是C-X （X=C,N s O）单键的伸缩振动以及各种弯曲振动对与确认有机化合物时用处很大。
二、填空1、....................................... 红外光谱的产生就是由于化学键的振动与转动跃迁。
2、............................................... 红外光谱产生的条件就是红外光谱产生的条件就是辐射的能量满足跃迁所需能量，辐射引起偶极矩的变化。
3、红外光谱中影响基团频率位移的因素有外部因素与内部因素，内部因素主要有_________ 、_______________ 、 ____________________ 等。
此夕卜，振动耦合、费米共振等也会使振动频率位移。
外部因素（样品的状态等）、电子效应（诱导效应、共馳效应与偶极场效应）、空间效应、氢键4、在红外光谱中，将基团在振动过程中有偶极矩变化的称为丄相反则称为________________ 。
红外活性，非红外活性。
5、基团-OH与・NH,-C三N与-C三CH,・C=C■与・C二N■的伸缩振动频率范围分别就-1 -1 -1是.cm, cm , cm。
红外检测方法
红外检测方法红外线的划分1672年英国著名科学家牛顿首次用三棱镜将太阳光分解为红、橙、黄、绿、青、兰、紫七色，开始了可见光光谱学的研究.英国著名天文学家赫胥尔在研究太阳光谱中各单色光的热效应时，发现最大的热效应是出现在红色光谱以外，从而发现了红外线的存在。
英国著名物理学家马克斯威尔在研究电磁理论时，证实了可见光及看不见的红外线，紫外线等均属于电磁波段的一部分，从而把人们的认识统一到电磁波理论中。
从波长为数千米的无线电波，到波长为10-8A ～10-10A(1A=10-4 μm )的宇宙射线均属于电磁波的范围，而可见光谱的波长从0.4～0.76μm 仅占电磁波中极窄的一部波段。
红外光谱的波段为0.76～1000μm ，要比可见光波段宽得多。
为了研究和应用的方便。
根据红外辐射与物质作用时各波长的响应特性和在大气中传输吸收的特性，可把红外线按波长划分为四部分：①近红外线——波长为0.76～3 μm ；②中红外线——波长为3～6 μm ；③远红外线——波长为6～15 μm ；④超远红外线——波长为15～1000 μm目前，600 ℃以上的高温红外线仪表多利用近红外波段。
600℃以下的中、低温测温仪表面热成像系统多利用中、远红外线波段，而红外线加热装置则主要利用远红外线波段。
超远红外线的利用尚在开发研究中。
红外线辐射的基本定理①辐射能 Q ——辐射源以电磁波形式所辐射的能量(J)。
②辐射功率 P ——辐射源在单位时间内向整个半球空间所发射的能量 (w ／s)。
③辐射度M ——辐射源单位面积所发射的功率， ( W/m -2 )。
一般，源的表面积A 越大，发射的功率也越多。
因此辐射度M 是描述辐射功率P 沿源表面分布的特性。
辐射度在某些文献上又称为辐出度或辐射出射度等。
④光谱辐射度M λ——表示在波长λ处单位波长间隔内，辐射源单位面积所发射的功率。
即单位波长的辐射度， ( W/m 2·μm )，通常辐射源所发出的红外电磁波都是由多种波长成分所组成(全波辐射)。
红外检测技术及应用
红外检测技术及应用-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII红外检测技术及应用红外基本概念红外线：白色的太阳光被分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色，位于可见光红光外侧，人眼看不见的光线叫红外线。
红外线是电磁辐射频谱的一部分，电磁频谱中包括无线电波、微波、可见光、紫外线、伽马射线和X光。
红外线是一种电磁波，它的电磁波谱图见下：按波长红外波段通常又分成四个较小的波段：近红外、中红外、远红外、极远红外。
红外线波长通常以微米来表示。
红外频谱范围从0.7微米至1000微米。
实践中，红外温度测量使用的波段范围为0.7微米至14微米。
红外线遵循可见光所遵循的规律：直线传播，反射、折射。
任何大于绝对零度（-273C）的物体都会向外界辐射热能。
红外测温仪就是通过接受物体辐射的红外能量而计算出物体的表面温度。
●黑体：一个吸收所有碰撞它的任何波长红外辐射的物体被定义为黑体。
●黑体辐射：实际上的黑体就是一个空腔，上面开有一个小孔，当空腔达到某一温度并处于热平衡时，从小孔射出的红外辐射就具有稳定的特性，称为黑体辐射。
基本热传导理论：传导模式：• 辐射• 传导• 对流●传导：热量传导取决于：• 传导率（k）和厚度（L）• 温差△T（从一侧到另一侧）• 面积A传导率值●常见材料的k值●数值越大，传导性越强温差△T的变化•△T增加，热传导也增加•△T降低，热传导也降低•无△T，也没有传导●对流：对流传导的热能取决于：• h 值（对流系数）• 温差△T（从表面到该流量的一点）• 面积A对流系数（h）取决于：• 流速• 流量方向• 表面状态• 几何结构• 粘度不能简单地用数量表示温差：如传导情况一样•△T增加，热传导也增加•△T降低，热传导也降低• 没有△T，也没有传导●辐射一个表面的辐射热能取决于：• σ = S-B 常数• 发射率（ε）• 温度（T）一个热表面要比一个凉爽的表面放射更多热辐射（如果两个是同样材料的话）发射率：• 一种材料性质• 一种“效率系数”• 校正值= 0-1.0• 黑体= 1.0• 实体= <1.0.高发射率表面• 油漆（任何颜色），绝缘带或者强氧化物质表面• 可靠的、可重复的温度测定低发射率表面• 低辐射• 高热反射• 必须考虑到背景• 在0.6发射率以下辐射温度难以正确地测定发射率可以根据以下而变化:• 材料• 表面• 波长• 温度红外测温原理：完全理解红外技术及其原理是准确测量温度的基础。
红外检测技术
得焊缝宽度、焊道的熔透情况等信息，实现焊接过程的质量与
焊缝尺寸的实时控制。在自动焊管生产线上采用红外线阵CCD 实时检测焊接区的一维温度分布，通过控制焊接电流的大小， 保证获得均匀的焊缝成形。
13
2 红外无损检测仪器
1． 红外测温仪
红外测温仪是用来测量设备、结构、工件等表面某一局部 区域的平均温度的。通过特殊的光学系统，可以将目标区域限 制在1 mm以内甚至更小，因此有时也将其称为红外点温仪。 它主要是通过测定目标在某一波段内所辐射的红外辐射能量的 总和， 来确定目标的表面温度。其响应时间可小于1 s， 测 温范围可达0～3000℃。 下图为红外测温仪的结构原理图。它由光学系统、调制器、 红外探测器、放大器、显示器等部分组成。红外测温仪的主要 技术参数有温度范围、工作波段、响应时间、目标尺寸、 距离 系数和辐射率范围等。
142 Biblioteka 外无损检测仪器红外测温仪的结构原理图
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2 红外无损检测仪器
2． 红外热像仪 红外检测的主要设备是红外热像仪。
红外辐射符合几何光学的一些定律，利用红外辐射进行物 体成像不需要外加光源。红外成像时需要特殊的光学系统——红 外光学系统。红外测温仪所显示的是被测物体的某一局部的平 均温度；红外热像仪则显示的是一幅热图， 是物体红外辐射 能量密度的二维分布图。
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2 红外无损检测技术的应用
3） 压力容器衬套检测
利用红外成像技术进行压力容器衬里脱落或缺陷检测的
方法是，利用红外热像仪从容器表面温度场数据的传热理论
红外测试技术(详细超值版)ppt课件
电流致热型——由于电流效应引起发热的设备。
如隔离开关、断路器的接头、触头，CT的外部接头，导线及压接头， 阻波器等。通常反映设备的外部缺陷（如接触不良），但断路器的热故障 有时反映的是内部故障（触头接触不良）。
综合致热型 ——既有电压效应，又有电流效应，或者电磁效应引
起发热的设备。 其热故障可以由介损增大引起，也可以由内部连接不良引起。如电流
斯蒂芬—玻尔兹曼定律
WT4
单位时间单位面
积物体辐射的红
外线总量
斯蒂芬—玻尔兹
曼常数
物体的热力学温 度
物体表面的比辐 射率
• 物体的温度越高，辐射的红外线能量越 强。
• 对电力设备测温时，红外热像图上越亮 的地方，即温度最高的地方。
红外检测的影响因素
物体（电气设备）红外辐射的发射率
• 表面粗糙程度：越粗糙，发射率越高 • 材料性质：包括化学成分和性质，物理性能和结构 • 温度：温度越高，发射率越高。 • 颜色：绝对黑体，发射率为1。
➢ 红外线在大气中穿透比较好的波段，通常称为 “大气窗口” 。红外热成像检测技术，就是利用了所谓的“大气窗口”。 短波窗口在1～5μm之间，而长波窗口则是在8～14μm之间。
近红外 中红外
远红外
透 射 率
01
3
5
8
波长
14 15
短波 (3µm ~ 5µm); 长波 ( 8µm ~ 14µm)
小结：为什么使用红外能检测缺陷？
红外检测 通过对物体表面温度及温度场的检测，判断设备 是否有缺陷。
红外检测的优点
先进性：具有远距离、不停电、不接触、准确、 直观、快速、安全、应用范围广等优点，其中部 分优点是预防性试验所不具有的
第三章 红外吸收光谱分析-4.
H C CH2
练习： C8H7N，确定结构
解：1） =1-（1-7）/2+8=6
2）峰归属 3）可能的结构
H3C
CN
第三章 红外吸收光谱分析
3.5 试样的处理和制备
要获得一张高质量红外光谱图，除了仪 器本身的因素外，还必须有合适的样品 制备方法。
红外光谱法对试样的要求
红外光谱的试样可以是液体、固体或气体，一般应 要求：
如用计算机谱图检索，则采用相似度来判别。 使用文献上的谱图应当注意试样的物态、结晶
状态、溶剂、测定条件以及所用仪器类型均应 与标准谱图相同。
未知物结构的测定
测定未知物的结构，是红外光谱法定性分析 的一个重要用途。如果未知物不是新化合物，可 以通过两种方式利用标准谱图进行查对：
（1）查阅标准谱图的谱带索引，与寻找试样 光谱吸收带相同的标准谱图；
如果样品为新化合物，则需要结合紫外、质谱、核磁等
数据，才能决定所提的结构是否正确。
几种标准谱图
（1）萨特勒（Sadtler）标准红外光谱图 （2）Aldrich红外谱图库 （3）Sigma Fourier红外光谱图库
练习： 推测C8H8纯液体
解：1） =1-8/2+8=5
2）峰归属 3）可能的结构
谱图解析步骤-确定未知物的不饱和度
=0: 表示分子是饱和的，应是链状烃及 其不含双键的衍生物。
=1: 可能有一个双键或脂环； =2: 可能有 两个双键和脂环，也可能有
一个叁键； =4: 可能有一个苯环等。
谱图解析步骤-官能团分析
根据官能团的初步分析可以排除一部分 结构的可能性，肯定某些可能存在的结构， 并初步可以推测化合物的类别。
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红外技术的基本概念
的物体
：通过收集物体发出的整个光谱范围的全部辐射能量来确定温度。
实际只是较宽波段范围内的大部分辐射能量。
红外热成像系统是
红外热释电摄像管））非制冷凝视焦平面探测器））非制冷线列焦平面探测器））
由红外吸收材引起敏感元件温度上升引起敏感元件温度上升。
敏感再通过所设计的某种转其核心部件是红外焦平
非制冷型红外焦平面阵列原理
热敏电阻型
利用热敏电阻的阻值随温度变化来探测辐射的强弱 探测材料：氧化钒、非晶硅、钛、钇钡铜氧等
热敏电阻型红外探测器结构
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热释电型
红外辐射使材料温度改变， 红外辐射使材料温度改变，引起材料的自发极化强度变 化，在垂直于自发极化方向的两个晶面出现感应电荷。
在垂直于自发极化方向的两个晶面出现感应电荷。
通过测量感应电荷量或电压的大小来探测辐射的强弱。
通过测量感应电荷量或电压的大小来探测辐射的强弱。
探测材料： 探测材料：硫酸三甘肽、 硫酸三甘肽、钽酸锂、 钽酸锂、钽铌酸钾、 钽铌酸钾、钛（铁电） 铁电） 酸铅、 酸铅、钛酸锶铅、 钛酸锶铅、钽钪酸铅、 钽钪酸铅、钛酸钡
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热电堆型
由逸出功不同的两种导体材料所组成的闭合回路， 由逸出功不同的两种导体材料所组成的闭合回路，当两接触点 处的温度不同时， 处的温度不同时，由于温度梯度使得材料内部的载流子向温度低 的一端移动， 的一端移动，在温度低的一端形成电荷积累， 在温度低的一端形成电荷积累，回路中就会产生热 电势， 电势，这种现象称为Seebeck 这种现象称为Seebeck效应 Seebeck效应。
效应。
而这种结构称之为热电偶。
而这种结构称之为热电偶。
一系列的热电偶串联称为热电堆， 一系列的热电偶串联称为热电堆，可以通过测量热电堆两端的电 压变化， 压变化，探测红外辐射的强弱。
探测红外辐射的强弱。
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二极管型
这种红外探测技术利用半导体PN结具有良好的温度特 性。
与前面所述的各种非制冷红外探测器不同，这种红外 探测器的温度探测单元为单晶或多晶PN结，与CMOS工艺完 全兼容，易于单片集成，非常适合大批量生产。
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光学读出非制冷红外焦平面
光学读出非制冷红外焦平面
光学读出方式是一种全新的红外探测技术 光学读出方式是一种全新的红外探测技术， 是一种全新的红外探测技术，与传统的电学读出红 外探测技术相比， 外探测技术相比，它具有一系列潜在的优点： 它具有一系列潜在的优点： （1）采用光学读出， 采用光学读出，利用光学原理实现像增强与像转换， 利用光学原理实现像增强与像转换，整个系统 是全光系统， 是全光系统，不需要复杂而庞大的读出电路 （2）具有可视性， 具有可视性，可以用眼睛而不用其他任何接受装置观察到红外 图像 （3）探测灵敏度高， 探测灵敏度高，其理论预测探测灵敏度极限可以达到μ 其理论预测探测灵敏度极限可以达到μk量级 （4）潜在的价格优势明显， 潜在的价格优势明显，具有高性价比的潜力
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应用光力学效应的焦平面阵列
当FPA单元吸收入射的红外辐射产生温升时，由 于组成微悬臂梁的双材料热膨胀系数存在差异，梁 会产生弯曲变形或离面位移。
每个像素的温升不同，产生的转角变化或离面位 移也就不同，再利用光学检测系统读出这些转角变 化或离面位移，并把这些信号转化成相应辐射源的 热图像
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基于F-B微腔阵列型
F-B干涉型光学读出热成像系统的工作机理是红 外热效应、双金属片效应和光的干涉原理，利用双 材料梁由于红外热效应和双金属片效应而产生的位 移对可见光的强度进行调制，从而将红外图像直接 转化为可见光图像。
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F-B微腔阵列单元工作原理
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红外热图像的应用
看得见可见光看不到的
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影响测量的因素
不要在超过45/50°时进行测量。
角度垂直时 也要留意，您自己可能成为反射源。
OK NO
OK NO
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表面反射的影响
问题在这里
这是铜导线上的反射，这里没
有热点.
不锈钢表面上的反射操作员的反射
分析。