光谱仪应用之吸收光谱 | 乙醇液膜厚度在线精准测量

在航空航天、能源动力和化工领域，燃料液膜的厚度测量一直是困扰工程师的技术难题。火箭发动机燃烧室壁面的冷却液膜、汽油直喷发动机的喷嘴油膜、喷雾冷却系统中的传热液膜——这些厚度仅有几百微米的液体薄膜，直接决定了设备的燃烧效率、传热性能和运行安全。传统的成像法需要透明光学窗口且受图像清晰度限制，电导法必须接触测量且对液体电导率敏感，超声法则容易受到工业环境噪声的干扰。正是在这些传统方法难以胜任的场景中，基于吸收光谱的测量技术展现出独特的优势：它无需接触被测液体，不受电导率影响，且能有效抵抗环境噪声干扰，为液膜厚度的实时在线监测开辟了一条全新的技术路径。

每一种分子都有其独特的振动和转动能级，当特定波长的光与其匹配时，便会被吸收。这就形成了物质的“吸收光谱”，如同独一无二的“指纹”。近红外光谱（波长范围约780-2500nm）尤其适合测量含氢基团（如O-H,C-H）的有机物，乙醇正是其绝佳测量对象。

测量的理论基础是经典的比尔-朗伯定律：当一束平行单色光通过均匀介质时，其光强的衰减与介质的浓度和光程长度（即厚度）成正比。

图1 比尔-朗伯定律原理示意图

对于固定成分的纯物质（如文中的乙醇），浓度恒定，吸光度便与厚度呈简单的线性关系。因此，只要测出吸光度，就能反推出厚度。

文中研究采用了双波长比值法来消除共同干扰：

选择特征波长：通过高精度傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）扫描，他们找到了乙醇的两个关键波长：

λ?(1583.3nm)：吸收峰波长，此处乙醇吸收最强，对厚度变化最敏感。

λ?(948.4nm)：参考波长，此处乙醇几乎不吸收，光强变化主要反映系统本身的波动（如光源起伏、窗口污染）。

图2 乙醇的吸收光谱。

建立抗干扰模型：计算两个波长下的透射率比。代入比尔-朗伯定律。这样，光源波动、光路轻微畸变等共同因素在比值中被抵消，测量结果只与厚度和已知常数有关，稳定性极大提高。

三、系统构建：从原理到实践的精密光学链路

基于上述原理，研究者搭建了一套在线测量系统。其核心光学链路，与工业在线光谱监测的经典设计高度一致：

图3 测量系统的示意图

• 宽谱光源：卤钨灯发出覆盖可见到近红外的稳定宽带光。

• 传导与整形：光经光纤导入，由准直镜变为平行光，再经滤光片滤出所需的近红外波段，以提升信噪比。

• 样品：平行光垂直穿透待测的动态乙醇液膜。

• 信号采集：透射光被透镜收集，经由另一根光纤导入由如海光电提供的近红外光谱仪中。

• 实时解算：光谱仪以高达0.02秒的时间分辨率快速获取透射光谱。计算机实时读取λ?和λ?处的光强，代入模型公式，瞬间计算出液膜厚度L。

任何测量系统，精度是生命线。研究者首先使用精度达1微米的标准具进行校准。结果如图4所示：在100-1000微米范围内，系统测量平均值与真实值高度吻合，平均相对偏差仅为1.0%，最大标准偏差为2.2微米。这为后续的动态过程研究奠定了坚实的信任基础。

图4 对每种薄膜厚度进行10次重复测量的平均薄膜厚度与相应板距的比较

在水平板上研究乙醇液膜的自然蒸发。系统与高速成像法对比结果显示（如图5），在液膜较厚阶段（>50μm），两者结果高度一致。但当液膜蒸发变薄后，成像法因对比度不足而失效，吸收光谱法却能持续稳定追踪，直至液膜完全消失。这凸显了光谱法在薄层测量和全程监控方面的绝对优势。蒸发过程的图像序列（图6）直观展示了这一变化。

图5 在整个蒸发过程中，乙醇薄膜厚度三个初始薄膜厚度（（a）366.8/（b）440.2/（c）513.5微米）。

图6 九个特定时刻的乙醇薄膜图像（初始薄膜厚度：440.2微米）

测量乙醇喷射到平板上形成的铺展液膜。系统成功捕捉到液膜到达测量点、快速铺展（厚度下降）和最终稳定三个阶段（图7）。与成像法的对比再次验证了其准确性。不同喷射速度下铺展速率的差异也被清晰记录，证明了系统对快速瞬态过程的响应能力。图像序列（图8）生动再现了这一动态过程。

图7 乙醇薄膜在不同注射速度下（（a）14.0/（b）16.0/（c）18.0 mL/min）在整个注射过程中的厚度。

图8 捕捉到的乙醇薄膜图像在九个特定时刻（注射速度：16.0 mL/min）。

在倾斜管道中，系统独立工作，揭示了蠕动泵驱动的乙醇液膜流动的奥秘（图9）。厚度曲线呈现出规律的“类正弦”波动，这正是泵头滚轮挤压管路产生“流体枕”的典型特征。数据清晰显示：流量越大，液膜平均厚度、最大/最小厚度均增加，波动频率也更快、更剧烈。这完美展现了光谱仪的高频（50Hz）采集能力，能精确刻画周期性脉动流的细节。

图9 在管内流工艺中，乙醇薄膜厚度在不同流量（（a）10.0/（b）15.0/（c）20.0mL/min）下的变化。

本研究使用由如海光电提供的近红外光谱仪，成功构建并验证了一套基于近红外吸收光谱的乙醇液膜厚度在线测量系统。该系统利用乙醇在近红外波段的特征吸收，通过双波长比值法有效消除了光路波动等共同干扰，实现了对动态液膜厚度的高精度（平均偏差1.0%）、高时间分辨率（0.02秒）的非接触测量。实验证明，该系统能精准追踪乙醇在蒸发、喷射和管内流动全过程中的瞬态厚度变化，其性能在薄层测量和动态响应方面均优于传统成像法。

近红外光谱仪是实现液膜厚度高精度、非接触、实时监测的核心关键设备，为燃料液膜相关研究与工业在线检测提供了可靠的光学检测手段。

• 非接触与无损测量：近红外光谱测量基于光子与被测物质的相互作用，无需任何物理接触。这使其成为监测动态、易扰或高温高压过程的理想选择。

• 高辨率和动态过程捕捉能力：近红外光谱仪能够实现极高的数据采集速率。这使得它能够实时、连续地追踪厚度、浓度等参数的快速瞬态变化，这种能力对于研究蒸发动力学、喷射雾化、燃烧过程等至关重要。

• 卓越的抗干扰与稳定性：通过选择特征吸收波长和参考波长，或利用全谱信息建立模型，可以有效抵消由光源波动、光纤弯曲损耗、窗口污染、环境光变化等引起的共同干扰。这种内置的自我补偿机制，保证了仪器在复杂的工业现场环境中仍能保持长期测量的稳定性和可靠性。

• 无需样品预处理：通常无需添加任何荧光染料、示踪剂或对样品进行复杂预处理，简化了操作，避免了引入外来物质可能带来的污染或物性改变。

• 对复杂样品和物理状态的强大适应性：近红外光具有较强的穿透能力，不仅能测量透明液体，也能测量浑浊液体、悬浮液、乳状液以及某些固体、粉末。其测量方式灵活，可根据样品特性选择透射、漫反射或透反射等多种测量模式，应用场景极为广泛。

• 易于实现在线化和集成化：得益于技术的成熟，近红外光谱仪可以轻松实现远距离、多通道的在线监测。光源、光谱仪主体可以安装在环境良好的控制室，仅通过光纤将测量探头引至恶劣的现场（如高温反应釜、高速产线）。这种“主-从”分离的架构，使其非常易于集成到现有的自动化生产线或过程控制系统中，实现7x24小时不间断的质量监控。

• 从单一参数到多参数同时分析的扩展潜力：一台近红外光谱仪采集的是一段连续波段的光谱信息，其中包含了丰富的样品组成和结构信息。通过建立先进的化学计量学模型（如PLS，PCR），可以从一张光谱中间时预测多个关键参数，极大提升监测效率和经济性。

  
  

• 半导体薄膜计量：近红外光谱仪可用于测量晶圆上纳米级薄膜（如光刻胶、二氧化硅、氮化硅、多晶硅）的厚度和折射率测试系统。这是芯片制造中每一步光刻和沉积工艺后必须进行的质量控制步骤。

• 平板显示与柔性电子：用于测量OLED显示面板中各种有机功能层的涂层厚度、触摸屏ITO导电膜的厚度与均匀性，确保显示效果和电学性能的一致性。

• 光学镀膜：实时监测相机镜头、激光镜片、AR眼镜镜片上多层抗反射膜、滤光膜的厚度，直接影响产品的光学性能。

• 药片包衣在线监测：在包衣锅内实时、无损地测量药片糖衣或薄膜衣的厚度与均匀性，实现从“时间终点”到“质量终点”的工艺变革，确保每批药片的药效释放一致性。

• 生物过程分析：将探头直接插入生物反应器，在线监测发酵或细胞培养过程中关键营养物（如葡萄糖、谷氨酰胺）和产物（如抗体、乙醇）的浓度变化，为补料和工艺优化提供实时数据，替代繁琐的离线取样分析。

• 液体成分在线分析：在管道上安装流通池探头，实时监测果汁的糖度、酒类的酒精度、牛奶的脂肪/蛋白质含量、食用油的酸价和过氧化值等，用于混合、调配和成品的即时质量判定。

• 农产品品质分级：通过漫反射测量，快速检测粮食的水分含量、水果的糖酸度、茶叶的内含物成分，实现自动化分级和定价。

• 燃料与润滑油膜监测：用于内燃机、燃气轮机研发中，实时测量不同燃油（汽油、柴油、航空燃油）在进气道、活塞顶、叶片表面的油膜形成、蒸发和残留情况，为清洁燃烧和减排设计提供关键数据。

• 管道多相流分析：在石油、化工管道上，通过特殊设计的法兰式探头，利用近红外光谱对不同组分（油、水、气）吸收特性的差异，在线分析各相的体积分数（相含率），辅助流量计量和工艺控制。

• 聚合物与涂层工艺：在线监测塑料薄膜（如PET、PE）的拉伸厚度、涂布工艺中胶粘剂或功能涂层的湿膜厚度与溶剂残留，实现涂布量的精确控制。

• 废气排放连续监测：可监测烟气中CO、CO?、SO?、NOx等气体浓度，其核心就是测量特定气体在红外波段的特征吸收强度。

• 油污检测：可开发用于检测水体表面浮油厚度的传感器，用于海事环保和泄漏应急响应。

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