傅里叶变换红外光谱(FTIR)测量热气体温度

    引言

    利用傅里叶变换红外光谱测量热气体温度，具有非接触，实时，快速，准确，灵敏度高的特点。所以在不能直接测量温度时，人们经常采用红外光谱法来测量热气体温度。常用的方法有两种：分子转振光谱测温法、分子发射基带最大强度光谱测温法。

    我们在研究上述两种方法时发现：转动常数 B 的精确度对测量结果影响很大，分子在不同的发射带转动常数不完全相同，而相关文献上只给出了 B 的平均值，若用该值进行计算，结果会有很大的偏差。我们利用 HITRAN 数据库，结合测温方法计算了在关心波段的 B 值，并在数据处理上对分子转振光谱测温法做了改进，所得实验结果与参考值吻合的很好。

    1.1 分子转动能级和跃迁光子波数

    双原子分子转振发射基带光谱精细结构是由其转动能级引起的。我们把双原子分子当作简单刚性转子来处理^[1]。

    按照量子力学，其只存在一系列分立的能级：

    2.2 实测

    2.2.1 实验装置与仪器

    用带有温控的加热带缠绕装有一氧化碳的样品池，待温度平衡后，测量一氧化碳的发射光谱；仪器采用加拿大BOMEM公司的MR-154傅里叶变换红外光谱仪，分辨率为 1cm^－1，16 次扫描平均，液氮制冷型 InSb,卡塞格林式望远镜，仪器 NESR＝5.0×10^－9W (cm² sr cm^－1)^－1

    2.2.2 结果与处理

    可以看到图 4、5、6 并不像图 1、2、3 那样规则，有几个偏差较大的点。图 5 中第 6、8、9 峰值点的偏差是由于仪器的离散采样引起的，我们虽可以通过拟合仪器的响应函数来还原，如图 7。但为简单起见，我们这里将它们与图 6 中前三个偏差较大的数据点一并扣除。对其余数据点用最小二乘法拟合，见图 8 参考温度为 361 K 的数据做相同处理，见图 9。图 8，图 9中拟合的直线方程和反演的温度结果如表 1 所示。

    3 结论

    由上述结果可以看出，利用 FTIR 光谱可以对热气体温度进行非接触，实时，快速，准确，灵敏度高的遥测。上述方法的最大优点是：不局限于高温，对于相对较低温度的气体也可以实现精确测量。基于上述特点此方法在军事、国防预警、遥测固体推进剂温度和大气污染气体浓度遥感测量等领域将有很好的应用前景。

    参考文献：

    [1] G.赫兹堡. 分子光谱与分子结构（第一卷）双原子分子光谱[M]. 北京:科学出版社. 1983.