红外测量颜色技术

化学液体浓度和膜厚的非接触式/非破坏性测量。红外线的吸收特性可进行各种测量。

红外吸收水分仪/测厚仪为非接触式，响应速度快，操作简便。这些设备的结构相同。湿度计测量-OH基团的吸收，而厚度计测量-CH基团的吸收（包括在有机树脂中）。我们的液体成分分析仪通过同时使用八种波长的近红外线来减少重叠引起的误差。通过使用专用的光学系统，它可以以比市售光谱仪高50至100倍的准确度来测量吸光度的变化。

关于使用红外线的浓度测量

根据不同的应用需要功能性薄膜来实现不同的功能和字符。像由LCD和PDP制成的光学膜一样，这类显示材料应满足厚度和光的要求。因此，许多公司仅开发一种具有多种功能的塑料薄膜。另一方面，不言而喻，通过使用单层膜直到涂覆了功能性树脂并层叠有不同的功能性膜后，某些功能才能满足。在这种背景下，膜厚计对于生产功能性膜是必需的。膜厚计不仅有利于降低成本，提高良率，而且在改善产品原有功能方面也起着重要作用。除了我们的红外吸收法，有很多测量膜厚的方法。例如：1.辐射法（β射线，γ射线，χ射线，荧光χ射线）；2.光干扰法；3.激光方式; 4.静电容量法；5.微波法; 6.联系方式。不管选择哪种方法，都取决于测试对象的材料，层配置，测量范围，所需的精度，安装环境和价格，各有优缺点。选择能够满足测试对象和所需精度的测量方法和适用法律将更为重要。不管选择哪种方法，都取决于测试对象的材料，层配置，测量范围，所需的精度，安装环境和价格，各有优缺点。选择能够满足测试对象和所需精度的测量方法和适用法律将更为重要。不管选择哪种方法，都取决于测试对象的材料，层配置，测量范围，所需的精度，安装环境和价格，各有优缺点。选择能够满足测试对象和所需精度的测量方法和适用法律将更为重要。

■红外线测量系统的原理（方案）

有关久保宝红外测厚仪的详细信息

关于红外线的提示

提示1。

什么是红外线？

关于光的波长，人体可感知的光谱，即紫外区域（波长短于紫光）和红外区域（波长长于红光）之间的光谱，称为可见光谱。最接近可见光区域的红外区域的近红外区域称为近红外区域。相反，最远离可见区域的子区域称为远红外区域，而两者之间的子区域称为中红外区域。光根据其频率（波长的倒数）具有能量。图1显示了频率（波长）和能级之间的关系。

图1：光的波长，频率和能量之间的关系

提示2。

近红外和中红外光谱学原理

为了了解红外光谱的原理，我们首先来看一下最基本的中红外范围内的吸收。
当某种物质被中红外线照射时，某些光线会被该物质吸收。被吸收的中红外线的波长和吸收水平（吸收率或透射率）由物质决定。因此，当测量中红外线的吸收光谱时，可以获得该物质特有的光谱。
当频率为ν的光被分子吸收时，分子的能量增加E =hν（h表示普朗克常数）。在中红外线的情况下，该能量仅等于分子振动能级。如图2所示，这意味着处于振动基态的分子吸收中红外射线，然后可以转变为振动的第一激发态。但是，如果用满足E =hν的光照射该物质，则中红外射线不会总是被吸收。应该注意的是，选择原则允许某些转换（允许的转换），而其他转换则不允许（禁止的转换）。

第一个是仅允许振动量子数（v）变化+/- 1的跃迁。这些过渡对应于基本振动音调。等效于谐波声调的+/- 2，+ /-3等振动被称为禁止跳变，这实际上是不允许的。
第二个问题是，仅当整个分子的电偶极矩由于某些分子振动而改变时，中红外线才被吸收。该物质特有的中红外光谱由这两个限制条件决定。


现在，让我们考虑近红外光谱。
近红外光谱被认为是基于涉及禁止跃迁的谐波音和组合音的光谱。那么，为什么在频谱中观察到了主要被禁止的谐波音和组合音呢？原因是分子振动不是完全的谐波振动（根据胡克定律），而是具有非谐性。但是，谐波音和组合音的发生概率很低，与中红外线相比，几乎没有吸收近红外线。近红外光谱是解决非常微弱频带的光谱。该特性似乎是一个缺点，如后所述，在近红外光谱学中具有很大的优势。

图2：分子能级与吸收带之间的关系

提示3。

近红外和中红外光谱的特点

下面列出了近红外光谱和中红外光谱的共同优点：

・因为使用了低能级的电磁波，所以极不可能损坏样品（这也意味着人类几乎不会受到影响）

・适用于固体，粉末，纤维，糊剂，液体，溶液，气体等各种样品

・适用于漫反射和光声光谱（PAS）以及吸收。

限于中红外光谱的最大特点是中红外光谱分析等同于官能团分析。
中红外光谱法不仅能识别C = 0和C = N等官能团的种类，而且还能提供有关其所在环境的信息。该光谱学覆盖了获得类似分子“指纹”的区域。中红外光谱比近红外光谱具有更高的吸收特性。因此，对于轻松分析少量（ng量级[毫微克：1克的十分之一]）或尺寸（μm量级[微米：1 mm的千分之一]）的样品，都非常有效。 ，其近红外光谱技术相对较差。
限于近红外光谱的特征之一是它解决了禁止的跃迁。

上面显示的是近红外光谱原理与特征之间的关系。

因此，近红外光谱法允许相当自由地处理光程长度（在中红外区域，由于吸收水平通常很高，因此必须使光程长度非常短）。因此可以使用10mm和100mm的电池。特别地，与中红外区域分析相比，近红外区域能够测量更多种类的溶液用于水溶液的研究和分析。可以在不改变其厚度和尺寸的情况下测量其他种类的样品。
将近红外光谱和中红外光谱的基于原理的特征相互比较时，它们各自的优点和用途是显而易见的。
以下第2和3节介绍了流体成分分析仪和膜厚仪，近红外光谱和中红外光谱在工业上经常被应用。

关于液体成分分析仪的提示

提示1。

测量原理

近红外线是指800到2500 nm之间的波段。
该区域显示的光谱能准确反映分子信息，尽管它会因各种分子振动而出现的高阶振动和组合振动而变得复杂。这些光谱主要由OH和CH基团的振动吸收组成。
我们的液体成分分析仪利用800至1400 nm的近红外波段，这是因为（a）在这些波长下光通过液体的距离约为10 mm，这使分析仪易于操作，并且（b）光谱最大，并且关于注意力的变化最为多样。（对于中红外区域，样品池长度以微米为单位，这使得分析仪难以操作。）

但是，使用近红外区域存在以下缺点：（a）由于高次振动出现在分子振动中，因此吸收带具有较大的宽度，并且与吸收带有很大的重叠；以及（b）由于中频的特征吸收红外线显示出尖锐的光谱形状，即使最好是简单地测量与某个组分及其附近区域有关的一个波长作为比较波长，但由于仅通过简单的波长测量，浓度不能被定量确定，因为近红外波段。
由于这些原因，我们的液体成分分析仪使用8个波长通过多个波长的多变量分析来测量成分。对于这种8波长光谱，使用了称为干涉滤光片的带通滤光片。波长的选择取决于所测量的样品系统，并且使用以下标准进行全面测定。
・波长等于被测组分的官能团的特征吸收量
・由于水合现象导致光谱变化较大的波长
・可以消除温度变化和散射变化的波长组合。
・本机的波长特性，例如传感器灵敏度和光源变化。
为每个波长的吸光度变化与样品浓度变化之间的相关关系准备一条校准曲线。使用此校准曲线定量确定未知样品的成分。

提示2。

详细的测量原理

来自灯的光穿过干涉滤光片并被散射。带有8个干涉滤光片的光盘以每秒15转的速度旋转。
通过干涉滤光片的光在流通池处会聚，然后穿过样品。
通过流通池的光在传感器处会聚。
传感器将已转换为电信号的信号分离为8个波长的信号，然后将其从模拟转换为数字。
这些信号由微处理器发送到数据处理单元。
在数据处理单元中，以下公式用于获得8个波长的吸光度A1至A8。

A（i）= -log（在波长i处的样品透射强度）/（在波长i处的空白透射强度）
根据Lambert-Beer定律，
A（i）= aibc
A（i）：在波长i
a（i处）的吸光度）：在波长i处的吸光度指数
b：池长
c：样品浓度

吸光度指数ai是由给定物质确定的特定值。由于像元长度b是常数，因此我们可以假设k（i）= a（i）b为常数。
因此，建立了以下方程式，表明浓度和吸光度成比例相关。

A（i）= k（i）c
对于由2个成分组成的物质。C1和C2，修改了上面的公式，得出以下公式：
C1 = p11A1 + p12A2 + p13A3 +……+ p18A8
C2 = p21A1 + p22A2 + p23A3 +……+ p28A8

使用矩阵表示法处理这些参数时，将建立以下方程式：
AP矩阵对应于校准曲线的系数。事先通过使用标准样品确定p矩阵，然后测量未知浓度样品的吸光度。这使您可以获得计算出的浓度。实际的定量算法与上述方法略有不同，但是基本的数据处理概念是相同的。

图3：测量原理图

提示3。

在无机电解质浓度测量中的应用

氢氧化钠和盐酸是无机电解质的典型例子，它们没有分子。在它们的水溶液中，存在钠离子（Na +），氢氧根离子（OH-），氢离子（H +）和氯离子（Cl-）。因此，对于那些水溶液，在红外区域或近红外区域中均没有源自分子振动的吸收光谱。因此，据信不能使用红外吸收光谱测量它们的浓度。

水溶液中的离子不是简单地悬浮在水分子中，而是通过水合作用与相邻的水分子结合而形成簇。例如，氯离子（Cl-）带有负电荷，因此水分子的氢原子与氯离子配位。与离子配位的水分子的振动模式与自由水分子的振动模式略有不同，从而改变了近红外线的吸收光谱。检测到这种细微变化可以发现溶解离子的种类和浓度。在过去，

例如，可以测量LCD制造过程中经常使用的磷酸，硫酸和乙酸的混合物中的酸浓度。该酸混合物是无机电解质，在近红外区域没有明显的特征吸收。但是，混合物中所含水的光谱形式随每种酸的浓度而略有变化。我们的液体成分分析仪可以准确地检测到这种变化，使您可以使用先前创建的校准曲线数据来测量无机电解成分的浓度。

提示4。

过程测量的创新

高精度的吸光度测量；即高精度的浓度测量

为了检测由于水合键引起的非常小的光谱变化，使用了专用的明亮光学系统。因此，我们的液体成分分析仪能够读取比实验室使用的市售光谱仪小50至100倍的吸光度变化，从而实现高度准确的浓度测量。

不受样品温度变化的影响

近红外光谱的缺点是受样品温度变化的影响。通常，样品温度保持恒定。但是，必须以0.1度或更小的单位进行温度控制，以测量非常微小的光谱变化。从系统技术的角度来看，这非常困难，并且非常不切实际，因为您必须等待很长时间才能达到恒定温度。
我们将温度变化视为一个因素，并将其反映在校准曲线中。因此，实际上可以测量组分的浓度而不受样品温度变化的影响。

不受样品中气泡和波动的影响

要测量过程中的成分，请使用抽气泵提取样品，然后将其发送到分光镜中的样品池中，然后使光透射。通常，样品液体具有浓度不规则，气泡和波动。过去，为了消除它们，使液体通过消泡装置等，以便在光学测量之前将其均质化。然而，难以获得完全的消泡。特别是，高粘度液体很难消泡。消泡所需的时间明显减少了获得测量所需的时间。
我们的液体成分分析仪每秒可进行15次高速光谱测量。因此，可以以1/15秒的间隔从其他正常测量数据中清楚地区分受单元中的气泡或波动影响的数据。可以在平均过程之前消除异常数据，以便仅将正常，稳定的数据用于平均过程，从而通过事先消除气泡，波动等的影响实现非常稳定的测量。

关于红外膜厚仪的提示

提示1。

什么是红外膜厚仪？各种膜厚计。红外膜厚计的优势

什么是红外膜厚仪？

红外吸收式水分计和膜厚计以高响应速度进行非接触式测量，并且相对易于操作。因此，它们被广泛用作制造现场的在线测量仪器。这些产品是将红外光谱仪的原理在线使用的，主要用于测量水分。

湿度计用于测量化学，陶瓷，食品工业中的粉末和纸浆在生产过程中的水分百分比。膜厚计用于测量转化工业中塑料膜的厚度和各种涂料的涂覆量。它们在所有此类生产现场均被视为必不可少的测量仪器。

这两种测量仪器具有完全相同的配置。水分计使用水中的OH基吸收带，而膜厚计使用有机树脂中的CH基吸收带。

各类膜厚计

除了红外线计之外，还使用各种测量方法将各种其他类型的膜厚度计和厚度计投放市场。
这些类型包括：
辐射类型（使用β射线，γ射线，X射线，荧光X射线等）；
光学干涉型；
激光类型；
电容类型；以及
电容类型；和
联系人类型。

一些使用相同红外线的膜厚计采用此处所述的全波长光谱，而不是先前固定的波长（干涉滤光片类型）。近来，光热测量类型已经上市，它可以释放红外线并根据从被测物体反射的热波的相位差来分析膜厚。

理想的膜厚计仅对被测物体具有灵敏度。所有上述测量方法在被测物体的材料和层结构，可测量范围，所需精度，安装环境，价格等方面都有优缺点。在这方面，这是最重要的选择最适合被测物体和预期测量目的的膜厚计。

本节主要介绍最常见且具有可靠记录的干涉滤光片式红外膜厚仪的原理及其使用示例。

红外膜厚计的优势

红外薄膜测厚仪与其他类型的薄膜测厚仪相比，其主要特点如下：
以高响应速度进行非接触式测量，并可以进行连续测量；对被测物体的影响最小。
与辐射型测厚仪不同，它不需要监管安全控制，并且易于操作。
不太可能受到被测物体的振动，表面状况，颜色，浊度等的影响。
通过结合最合适的波长，可适用于更广泛的可测量物体，各种材料和更宽的膜厚可测量范围。

提示2。

红外膜厚仪的测量原理

在红外线的波长在2至20μm的范围内的区域中，发生针对被测物质的特征吸收。在“ 1-2。近红外和中红外光谱的原理”中对此进行了描述。该特征吸收本质上且独立于分子原子之间的化学键合能力以及每个原子的质量而发生。例如，图4显示了水（H20）和聚乙烯（-CH2-CH2-）n的红外吸收光谱，可以看到-OH基团在1.9和2.9μm处被水吸收，-CH基团在聚乙烯为2.3和3.4μm。

图4：水和聚乙烯的红外吸收光谱

为了显示在光谱中膜厚如何出现差异，图5显示了不同厚度的水膜的红外吸收光谱。

图5：不同厚度的水膜的红外吸收光谱

因此，材料的物质之间的差异导致在红外区域发生各种吸收。如果选择了最合适的波段并可以测量其吸收率，则理论上可以测量的样品范围从0.1微米的非常薄的涂层到几毫米的厚涂层。容易理解的是，在转换工业中，仅要测量被测物体的膜厚，红外类型的测量仪可以选择最合适的波段，比其他类型的膜具有更多的优势。厚度计使用不同的测量原理。

要将红外类型实际用作膜厚计，请事先记录校准曲线之间的关系（即吸光度和膜厚），然后将实际膜厚计测得的吸光度转换为带有校准曲线的厚度值并显示出来实时。

为了使与薄膜厚度的变化不直接相关的外部因素的影响最小化，例如传感器光源的变化，光学系统的污染以及被测物体的颜色和浊度，我们采用了三波长方法，该方法除了使用波长本身之外，还使用特征吸收波长下两端的比较波长（低频和高频）。

图6：膜厚与吸光度之间的关系（校正曲线）

提示3。

主要用途和特点

测量单层膜的厚度

测量透明和半透明膜的厚度，例如PE，PP，PVC，PS，PET和PI

测量多层膜的厚度

测量多层膜各层的
厚度多层膜的总厚度

膜和金属上涂膜厚度的测量

测量涂在薄膜上的涂膜和铜箔上的金属（例如聚酰亚胺）上的涂膜的厚度

图7示出了在膜制造商处的安装示例，其中测量了双轴拉伸膜的厚度。

图7：同构匹配

提示4。

应用范围更广

对于红外膜厚仪，您需要根据被测物体选择型号，干涉滤光片，检测器和其他部件。为此，您必须具有一定的知识和经验。以上选择可以测量无法测量的物体。

红外膜厚仪的组件性能得到了改善，并发布了新产品。预计这些组件将随着微处理器的技术创新而进一步发展。除了有机膜之外，最近还可以根据物质的组合来测量无机氧化物，例如磷酸，硅（SiO2）和氧化铝（Al2O3）以及金属和气相沉积膜上的涂层。
将来，由于与客户之间更好的合作和信息交流，我们将能够进一步改善产品的性能和功能，并提供适合客户目的的新型号。这将导致我们可以提供用于各种领域的产品的进一步扩展。