【安防知識網(wǎng)】系統(tǒng)組成、工作原理及類型

　　由近代光學(xué)得知，透鏡的相位變換作用使它具有獨特的付里葉變換功能，根據(jù)菲涅耳衍射原理，把一個二維光學(xué)圖像置于一個凸透鏡的前焦面上，并用垂直入射的單色相干光照明時，可在透鏡的后焦面上得到該圖像的準確的付里葉頻譜。這說明，利用透鏡可以用光學(xué)手段方便地實現(xiàn)二維圖像的付里葉變換。

　　實際上，圖像并非一定要置于透鏡的前焦面上才能得到它的付里葉頻譜，只要將它置于透鏡前任一離焦位置，甚至是置于透鏡后，都可在透鏡的后焦面上得到該圖像的付里葉頻譜。這與圖像置于透鏡的前焦面上的差別，僅僅是附加了一個與位置有關(guān)的相位因子，一般并不會改變付里葉頻譜的總體強度分布。

　　系統(tǒng)組成

　　付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)如圖1所示。它主要由光源(硅碳棒、高壓汞燈)、邁克爾遜干涉儀、檢測器、放大濾光、微型計算機和記錄儀等組成。

　　系統(tǒng)的核心部分是邁克爾遜干涉儀，它由光源、互相垂直排列的定鏡與動鏡，以及與動鏡、定鏡成45度的光束分裂器、檢測器等部件組成。

　　系統(tǒng)工作原理

　　系統(tǒng)的工作原理是，經(jīng)邁克爾遜干涉儀將樣品的信號以干涉圖的形式(檢測器輸出的信號經(jīng)放大濾光、模數(shù)轉(zhuǎn)換)，送往微型計算機去進行付里葉變換的數(shù)據(jù)處理，并進行定性與定量分析，計算機將處理與分析的結(jié)果輸出，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后將干涉圖還原成光譜圖輸出來。

　　系統(tǒng)類型

　　付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)通常也分為主動式和被動式兩類：

　　主動式就是在待測對象兩端分別放置紅外輻射源和付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)，以測量待測對象對紅外輻射源發(fā)出的紅外光的吸收光譜，然后對其進行定性與定量分析而得出結(jié)果。這種主動式的特點是，具有較高的靈敏度，且受背景影響較小。

　　被動式是使用付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)，直接遙測待測對象的自輻射的紅外光譜，然后再對其進行定性與定量的分析而得出結(jié)果。這種被動式的特點是，使用方便，并且可進行流動測定。

　　系統(tǒng)特點

　　付里葉變換紅外光譜技術(shù)是用于測量材料的紅外吸收和發(fā)射的主要方法，它所組成的檢測系統(tǒng)具有很多特點：

　　1、掃描速度極快：付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)，在整個掃描時間內(nèi)同時測定所有頻率的信息，一般只要1秒左右，因此它可用于測定不穩(wěn)定物質(zhì)的紅外光譜。而色散型紅外光譜系統(tǒng)，只能在任一瞬間觀測一個很窄的頻率范圍，它一次完整的掃描時間，通常需要8秒、15秒、甚至30秒等。

　　2、分辨力很高：一般，付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)的分辨力達0.1-0.005/cm;而一般棱鏡型的儀器的分辨力在1000/cm處有0.3/cm;光柵型的紅外光譜儀的分辨力也只有0.2/cm。

　　3、靈敏度高：由于付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)不用狹縫和單色器，且反射鏡面又大，因而能量損失小，所以到達檢測器的能量大，靈敏度高，可檢測到1×10-8g數(shù)量級的樣品。

　　4、光譜范圍寬：付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)的光譜范圍寬，一般在1000到10/cm。并且，利用多重濾光片，允許由單臺付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)同時分析幾種樣品。

　　5、檢測精度高：付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)能提供較大的光譜通過量，可把更多的紅外能量傳送到探測器上。這將把紅外頻率指向探測器，把探測器噪聲均勻地分配在整個光譜上。其檢測精度高，檢測的重復(fù)性可達0.1%。

　　6、抗干擾能力強：付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)的抗干擾能力強，受雜散光干擾小。即使是主動式付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)，也受背景影響較小。并且樣品也不會受到紅外聚焦而產(chǎn)生熱效應(yīng)的影響。

　　7、使用方便：付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)使用方便，尤其被動式系統(tǒng)是直接遙測待測對象的自輻射的紅外光譜，更方便進行流動測定。

　　在安全中的應(yīng)用

　　可進行環(huán)境監(jiān)測

　　人的生活環(huán)境的好壞，是人的生命安全的重要部分。因此，要注意對環(huán)境的監(jiān)測，以便隨時采取措施使之有利于人的生存環(huán)境。而現(xiàn)代光學(xué)中的付里葉變換紅外光譜法，是進行環(huán)境監(jiān)測的一種有效的好方法。

　　1、對大氣環(huán)境的監(jiān)測

　　當前，全世畀面臨著全球變暖、臭氧層破壞、酸雨三大環(huán)境問題。對這種環(huán)境問題的研究，不僅需要大量的人力、物力與財力，還需要靈敏的能監(jiān)測污染物的設(shè)備，以定量測定工業(yè)污染源和非點源排放的污染物。而付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)為遙感測定大氣中的污染物提供了有效、準確、靈敏、方便的監(jiān)測手段。它與常規(guī)的監(jiān)測方法相比，不需要進行采樣、樣品前處理、實驗室分析，便可直接對污染源進行無損、無干擾、無影響地連續(xù)測定。

　　由于付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)采用非色散光譜技術(shù)，同時能夠測量很寬的紅外波段范圍，因而可測定多組分的污染物，以及污染物的輸送、擴散和變化情況。此外，因為測量距離遠，范圍較大，可以測定一定范圍內(nèi)的一些污染物的總量。尤其在大氣光化學(xué)反應(yīng)、污染物的示蹤實驗等方面，不論是地面還是高空測量，它都是一種經(jīng)濟和技術(shù)均可行的方法。

　　[nextpage]如對煉油廠煙囪頂進行約1.4Km的遠距離長光程紅外吸收測定。測出的污染物有丙烯、乙烯、己烷、二氧化硫、甲醇等不同的濃度。又如對水泥廠燒結(jié)窯排放氣體用約2Km的長光程吸收法測量(排放氣體溫度400K)，測出不同濃度的氨、一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、二氧化硫、氯化氫、氟化氫、甲醛等污染物。

　　此外，甲烷是一種對全球變暖作用顯著的重要氣體，而人為排放的甲烷大部分來自垃圾填埋場。利用付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)，可測定垃圾填埋場甲烷等的濃度值。

　　2、對水環(huán)境的監(jiān)測

　　水體中的有機污染物種類繁多、含量低、變化大，使用常規(guī)的紅外光譜法測定會遇到很大的困難。而使用付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)測定水體中的有機污染物，可取得良好的效果。

　　通常，使用親酯性鍍硅膜的內(nèi)反射組件(SRE)為付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)中可更換的探測器，可測定水中的污染物。實際上是將這種由純凈的十八烷基三氯硅烷制成的親酯鍍硅膜探測器，安裝在有多層光導(dǎo)晶體的反射池中即可進行測定。其測定結(jié)果表明，不論是理論上還是實驗結(jié)果，都確認了被安裝在多層光導(dǎo)晶體上的探測器，可以測定水中的正己烷等有機污染物。

　　硫脲是重要的化工原料，也是癌癥非正式的指示劑，而在一些藥廠排放的污水中即含有一定的硫脲。但由于農(nóng)藥廠排放的污水中的成分復(fù)雜、干擾嚴重，許多方法測定硫脲有一定的困難。而利用全反射付里葉變換紅外光譜法，可定量測定在硫化物存在的條件下，經(jīng)硫酸酸化的水溶液中的硫脲。在高濃度的硫化物和無機鹽存在的條件下，可用于14種含硫脲溶液的測定。該方法測定簡單、快速、準確，其相對誤差在0.07%，并且還有效地應(yīng)用于礦石和精礦中黃金的浸提實驗的研究之中。

　　可進行安全檢測

　　眾所周知，自美國“9·11”及英國爆炸案等事件發(fā)生后，能檢測與識別恐怖分子攜帶的武器和炸藥等是很重要的。而利用被動式付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)，能感受到隱藏武器和炸藥等發(fā)射的光線，并根據(jù)其輸出的頻譜，識別出武器或炸藥等。四級共振(QR)技術(shù)探測隱藏在旅客行李中的炸藥和非法毒品最有效，現(xiàn)已為機場安全應(yīng)用。

　　付里葉變換紅外光譜技術(shù)是現(xiàn)代最先進的技術(shù)之一，利用這種技術(shù)可根據(jù)殘余的爆炸物痕跡確定它的起源，或根據(jù)可恢復(fù)顯像芯片的爆炸現(xiàn)象確定犯罪分子留下的車輛牌號和年齡，因而也方便破案和抓捕罪犯。

　　最危險的化學(xué)毒劑包含致命的神經(jīng)毒氣沙林、氰化物、光氣和芥子氣，它們都能造成人員的大量死亡。因為這些襲擊的發(fā)生是以蒸氣或氣溶膠的形式緩慢泄放，而且又是秘密進行的，因而探測將相當緩慢和困難。并且，由于化學(xué)毒劑顆粒尺寸小和化學(xué)成分單一，用光譜探測比較靈敏，所以應(yīng)用付里葉變換紅外光譜技術(shù)探測靈敏而容易。

　　可進行毒品檢測及提取罪犯的證據(jù)

　　目前，打擊犯罪組織面對的是一群不顧人的生命和財產(chǎn)的狡猾犯罪分子的新挑戰(zhàn)，且毒品偵察是法制年代所面臨的主要問題。因此，需要快速探測與識別毒品及其成分，而利用付里葉變換紅外光譜技術(shù)即能解決此問題。

　　付里葉變換紅外光譜技術(shù)現(xiàn)已被國際上的主要犯罪實驗室廣泛使用，因為它提供給研究人員一種快而可靠的方法，以便決定毒品販子或罪犯的嫌疑證據(jù)。因為付里葉變換紅外光譜技術(shù)能得到分子的信息，并很容易區(qū)分不同的同質(zhì)異構(gòu)體，而使用氣體色譜-質(zhì)譜技術(shù)則很難區(qū)分。在甲苯丙胺和二甲苯乙胺毒品情況中，調(diào)查人員選用付里葉變換紅外光譜技術(shù)可得到清楚而可靠的讀數(shù)。此外，付里葉變換紅外光譜技術(shù)能確切區(qū)分裂化可卡因和鹽酸可卡因，而氣體色譜-質(zhì)譜技術(shù)則不能區(qū)分。

　　付里葉變換紅外光譜技術(shù)能從一滴血中提供脫氧核糖核酸證據(jù)，這樣可排除性襲擊案件的嫌疑犯或加強起訴證據(jù)。有經(jīng)驗的化學(xué)家能使用付里葉變換紅外光譜技術(shù)分析毒品的包裝袋，甚至能區(qū)分毒品的類型。因此，該技術(shù)為法醫(yī)、犯罪實驗室領(lǐng)導(dǎo)人等，提供了一個高精度和可靠性的正確手段。

　　可監(jiān)控食品的安全

　　食品的安全監(jiān)控也是非常重要的，而付里葉變換紅外光譜技術(shù)可應(yīng)用于食品加工工業(yè)中的快速分析和精確監(jiān)控。首先鑒定在食品的配料中有無致命的細菌存在，或在細菌出現(xiàn)之前避免在烹調(diào)中發(fā)生任何問題。而不可靠的食品分析或檢測會產(chǎn)生食品中毒，并導(dǎo)致與消費者昂貴的法律訴訟。利用付里葉變換紅外光譜技術(shù)則可安全、可靠、有效和十分簡明地進行食品的分析和監(jiān)控。

　　付里葉變換紅外光譜技術(shù)能得到分子的信息，以及得到像糖或使糕餅松脆的油等材料明確的識別。如食品加工者在食品產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)黑色條紋，若是油脂狀物，最適于用付里葉變換紅外光譜技術(shù)檢測。此外，用付里葉變換紅外光譜技術(shù)能比較容易地識別食油的產(chǎn)地，而用付里葉變換拉曼光譜技術(shù)能適合作可靠食油和摻假混合食油之間的鑒別等。

　　可監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)過程

　　付里葉變換紅外光譜技術(shù)能監(jiān)視和控制工業(yè)生產(chǎn)過程，如半導(dǎo)體生產(chǎn)過程。例如，在復(fù)雜的多層制作布線圖案的芯片腐蝕期間，可靠監(jiān)視腐蝕過程最好是用付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)。它為優(yōu)化等離子體功率提供可靠的方法，盡量使有效腐蝕部分最大。在腐蝕過程中，沒有其它傳感器能夠達到或超過付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)的性能水平。

　　半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中排出的氣體，一般是含有有毒的溫室氣體，因而不適合于排放到大氣中。在除氣系統(tǒng)前后，用付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)采樣排氣含量，如CO、NO、SiF4、C2F6、CF4等，它為分析和鑒別排氣中存在的氣體組分提供可靠的方法。并且，也能用來測量除氣系統(tǒng)的破壞效果和潛在的二次污染的產(chǎn)生率?？傊?，付里葉變換紅外光譜系統(tǒng)在這里是氣體監(jiān)控系統(tǒng)，它為從除氣系統(tǒng)廢氣排放到半導(dǎo)體加工室整個工藝過程，提供定性定量的測量與監(jiān)控，并且快速、一致性好。