高分子材料研究 2 0 0 7 年 第 期 T AIYU AN S C I- T E C H 1 1 文章编号: 1006- 4877( 2007) 11- 0040- 02 傅立叶变换红外光谱仪的原理与特点 ( 山西省高分子材料研究及检测重点实验室, 山西 太原 030024) 范松灿 摘 要: 阐 述 了 傅 立 叶 变 换 红 外 光 谱 仪 的 原 理,并 对 红 外 光 谱 的特点进行了归纳和总结。 关键词: FTIR ; TENSOR 27 型红外光谱仪; 迈克尔逊( Miche- lson) 干涉仪 中图分类号: TQ320.5+5 文献标志码: A 1 FTIR 的发展历程 红外光谱仪的发展经历了 3 个阶段: 第一阶段 是棱镜式红外分光光度计, 它是基于棱镜对红外辐 射的色散而实现分光的, 其缺点是光学材料制造麻 烦 , 分 辨 本 领 较 低 , 而 且 仪 器 要 求 严 格 的 恒 温 降 湿; 第二阶段是光栅式红外分光光度计, 它是基于 光栅的衍射而实现分光的, 与第一代相比, 分辨能 力大大提高, 且能量较高, 价格便宜, 对恒温、恒 湿要求不高, 是红外分光光度计发展的方向; 第三 阶 段 是 基 于 干 涉 调 频 分 光 的 傅 立 叶 变 换 红 外 光 谱 仪, 它的出现为红外光谱的应用开辟了新的领域[1]。 2 FTIR 的基本原理 本 文 以 我 实 验 室 拥 有 的 德 国 BRUKER 公 司 生 产的 TENSOR27 型红外光谱仪对 FTIR 的基本原理 进行说明。该仪器采用迈克尔逊 ( Michelson) 干涉 仪来完成干涉调频, 其原理见图 1。 光束进入干涉仪后被一分为二: 一束透射到动 镜 ( T) , 另 一 束 反 射 到 定 镜 ( R) 。 透 射 到 动 镜 的 红外光被反射到分束器后分成两部分, 一部分透射 返回光源 ( TT) , 另一部分经反射到达样品 ( TR) ; 反 射 到 定 镜 的 光 再 经 过 定 镜 的 反 射 作 用 到 达 分 束 器 , 一 部 分 经 过 分 束 器 的 反 射 作 用 返 回 光 源 收稿日期: 2007- 09- 23; 修回日期: 2007- 09- 28 作者简介: 范松灿( 1981- ) , 男, 山西太原人。2005 年 7 月 毕 业于山西大学, 助理工程师。 40 ( RR) , 另一部分透过分束器到达样品 ( RT) 。也就 是说, 在干涉仪的输出部分有两束光, 这两束相干 光被加和, 移动动镜可改变两光束的光程差, 从而 产生干涉, 得到干涉图, 做出此干涉图函数的傅立 叶余弦变化即得光谱, 这就是人们所熟悉的傅立叶 变换。 3 FTIR 的特点 1) 分 辨 能 力 高 。 一 般 棱 镜 式 红 外 分 光 光 度 计 分辨能力为 1.000 cm- 1 已经很不容易了, 光栅式仪 器 也 只 是 在 个 别 光 谱 范 围 内 达 到 0.200 cm- 1, 但 傅 立叶变换红外光谱仪在整个光谱范围内分辨能力达 到 0.100 cm- 1 并不困难, 而且更精密制造的仪器甚 至能达到 0.005 cm- 1。 2) 扫 描 时 间 极 快 。 一 般 棱 镜 式 或 光 栅 式 红 外 分光光度计在单位时间内只能记录所研究的一个光 谱元, 记录全部的光谱元就需要较长的时间, 有的 需要 3～5 min, 有 的 需 要 7～10 min。 而 傅 立 叶 变 换 红外光谱仪记录全部光谱元与记录一个光谱元的时 间相等, 一般 1 s 内即可完成光谱范围的扫描, 因 而扫描速度比一般分光光度计提高数百倍, 这主要 是由于干涉仪与扫描单色仪相比具有多路优点。有 数 据 显 示 , 在 0～400.000 cm- 1 范 围 内 , 分 辨 率 为 1.000 cm- 1, 信噪比相同, 干涉仪比单色仪在取得信 息上要快 4 000 倍[2- 3]。 3) 辐 射 通 量 大 。 干 涉 仪 测 量 光 谱 具 有 辐 射 通 量大的优点首先为物理学家 Jacquinot 发现。常规分 光计由于带有入射和出射狭缝, 使之能够达到检测 器 上 的 辐 射 能 量 非 常 有 限 , 例 如 , 在 4 000.000～ 400.000 cm- 1 区域里分辨为 8.000 cm- 1 时, 任一时刻 达到检测器上的能量仅为 0.20%左右, 而当分辨率 提 高 到 1.000 cm- 1 时 , 到 达 检 测 器 上 的 能 量 仅 为 0.03%。因为不管高分辨率还是低分 辨 率 的 分 光 计 都 是 在 一 个 宽 波 数 范 围 里 测 定 红 外 光 谱 的 低 效 设 备。色散光谱仪中, 仅那些通过单色器入射和出射 击狭缝的辐射最终才能达到探测仪 。 而 在 FTIR 的 干涉仪中没有狭缝的限制, 干涉仪辐射通量的大小 只取决于平面镜头的大小, 因此在同样分辨的情况 下, 其辐射通量要比色散型仪器大的多。由于此优 

点使 FTIR 特别适用于测量弱信号光谱, 从而具有 很高的灵敏度。 4) 具有极低的杂散 辐 射 。 因 为 具 有 某 些 波 长 的 杂 散 辐 射 到 达 探 测 器 后 , 将 产 生 不 同 的 干 涉 环 纹, 当变换为光谱之后, 它们可以被鉴别出来, 通 常在全光谱范围内可低于 0.30%。 5) 研究很宽的光谱 范 围 。 使 用 棱 镜 式 红 外 分 光光度计, 研究 4 000.000～400.000 cm- 1 光谱要使用 LiF, NaCl 和 KBr3 个棱镜, 使用光栅式红外分光光 度 计 至 少 也 得 两 块 光 栅 和 若 干 滤 光 片 。 要 研 究 400.000～10.000 cm- 1 的远红外光谱就需要另添置一 台远红外分光光度计。傅立叶变换红外光谱仪仅仅 改 变 分 束 器 和 光 源 就 可 以 研 究 整 个 红 外 区 13 330.000～10.000 cm- 1 的光谱了。 2 0 0 7 年 第 期1 1 T AIYU AN S C I- T E C H 高分子材料研究 6) 适于微少试样的 研 究 。 因 为 傅 立 叶 变 换 红 外光谱仪光束截面甚少 ( 约 1 mm 左右) , 可用于研 究单晶、单纤维这类物质, 对于微量及痕量分析特 别重要, 现代计算机化的红外光谱仪, 通过红外显 微技术仅需几纳克 ( 10- 9 g) 的样品, 或通过采用基 质分离红外技术, 仅需要几皮克 ( 10- 12 g) 的样品, 即可测出物质的红外吸收。 参考文献: [1] 范 世 福.光 学 分 析 仪 器 技 术 的 若 干 新 进 展[J]. 分 析 仪 器, 1992(2):1- 5. [2] 李 长 治.红 外 傅 立 叶 变 换 光 谱 及 其 在 分 析 化 学 中 的 应 用 [J].分析化学,1981,9(1):112- 117. [3] 李长治.红外傅立叶光谱在化学上的应用[J].光谱学与光 谱分析,1983,3(3):7- 12. ( 责任编辑 张 璇) The Pr inciple and Char acter istic of the FTIR Spectr ometer Fan Songcan Abstr act: This article has expatiated on the principle of the FTIR spectrometer, and summarized its characteristics. Key wor ds: FTIR; TENSOR27-infrared spectrometer; Michelson interferometer ( 上接第 39 页) 采用德维森科技 ( 深圳) 有限公司开发生产的 V80 系列的 PLC 控制器的挤出吹塑成型机, 具备高 精度热电偶模块和模拟量输入输出扩展模块, 这样 可以满足型坯温度、挤出压力和型坯壁厚的高精度 控制要求, 达到制品成型所要求的质量标准, 而且 精 度 重 复 性 好 。 采 用 高 速 硬 件 解 析 技 术 的 CPU 模 块 与 本 身 带 有 CPU 芯 片 和 专 用 共 享 数 据 区 的 模 拟 量扩展模块, 可极大地提高熔料塑化速度、挤出速 度以及开合模速度, 缩短了成型周期, 保证了制品 的成型质量。 以介绍温度为例, 在挤出吹塑过程中, 需要加 热和散热工作在平衡状态, 以使挤出熔料温度达到 某一动态平衡。因此, 挤出过程的温度需要实时测 量和控制。挤出机的温度经热电偶采集到热电偶模 块 中, 模 块 内 本 身 内 置 CPU 芯 片 , 具 有 5 路 热 电 偶输入和 5 路晶体管 PWM 输出, 可以在模块内完 成 PID 控制算法, 控制精度为±1 ℃。 这种采用德维森科技 ( 深圳) 有限公司开发生 产 的 V80 系 列 PLC 控 制 器 在 挤 出 吹 塑 成 型 系 统 中 的应用, 有效地提高了型坯温度、挤出压力、冷却 时间和型坯壁厚的控制精度, 进而提高了生产效率 和产品质量。 3 自动控制技术在化工领域的前景分析 随着科学技术的发展, 化工过程中控制技术的 软硬件支撑手段有了重大改观, 推动了化工过程中 控制技术的迅速发展。电子技术和计算机技术的发 展 , 使 自 动 化 仪 表 及 装 置 的 更 新 换 代 速 度 越 来 越 快, 其中仪表的智能化和现场总线技术是最具有发 展前景的。同时基于非参数模型的预测控制方法和 无需模型的自整定控制等先进方法已得到大规模应 用, 这为自控理论的发展提供了新的途径。 ( 实习编辑 刘 婷) Super ficially Analyze the Application of Autocontr ol Technology in the Ar ea of Chemical Industr y Zhou Liwen Abstr act: The paper has analyzed the developmental status quo of the autocontrol technology, and viewed autocontrol technology in the industrial application and its developmental prospect. Key wor ds: autocontrol technology; chemical industry; temperature control 41