光谱分析技术优化措施

油样光谱分析就是利用油样中所含金属元素原子的光学电子在原子内能级间跃迁产生的特征谱线来检测该种元素的存在与否，而特征谱线的强度则与该种金属元素的含量多少有关，这样，通过光谱分析，就能检测出油样中所含金属元素的种类及其浓度，以此推断产生这些元素的磨损发生部位及其严重程度，并依此对相应零部件的工况作出判断。

光谱分析有三种方法：原子发射光谱测定法、原子吸收光谱测定法、X射线荧光光谱测定法。这三种方法各有优缺点，见表4-4。

表4-4 光谱不同分析方法的优缺点

（1）原子发射光谱测定法

1）基本原理：

在正常的情况下，原子处于稳定状态，它的能量最低，这种状态称为基态。当物质受到外界能量（电能、热能等）作用时，核外电子就跃迁到高能级，处于高能态的原子很不稳定，被称为激发态。激发态原子可存在的时间约10^-8s，它从高能态跃迁至基态或较低能级时，把多余的能量以光的形式释放出来。若使辐射光通过棱镜或光栅，就能得到按一定波长顺序排列的图谱，即光谱。

自由原子或离子产生的光谱呈线状，称为线光谱（如图4-12a所示），分子激发辐射出来的光谱为带光谱（如图4-12b所示）。

图4-12 线光谱a和带光谱b

液态或固态物质受热时，往往辐射出各种不同波长的光，通过棱镜或光栅后得到的是连续光谱。气体分子在高温中受激发后，辐射出来的光分成几个波段，经过棱镜或光栅可以得到带状光谱。气体的原子或离子受激发后辐射的光谱是一些单一波长的光，即线光谱。原子发射光谱分析法所利用的正是这种线光谱。

利用物质受电极或热能激发后，辐射出的特征线光谱来判断物质组成的方法，叫作原子发射光谱分析法。

2）光谱分析：

如图4-13所示，使待分析的油样在一定的试验条件下蒸发为气体原子态，然后使之激发，将辐射出的光经过色散，得到按波长排列的线光谱。根据特征谱线有无出现判断某物质是否存在，根据特征谱线的强弱判断该物质含量的多少。

图4-13 原子发射光谱示意

1—光源 2—光谱仪（2a—狭缝 2b—透镜 2c—色散器） 3—接收器（3a—感光板 3b—目镜 3c—光电管） 4—投影仪 5—测微光度计(www.zuozong.com)

（2）原子吸收光谱测定法

1）基本原理：

原子吸收光谱测定法是将待测元素的化合物（或溶液）在高温下进行试样原子化，使其变为原子蒸气。当锐线光源（单色光，或称特征辐射线）发射出的一束光穿过一定厚度的原子蒸气时，光的一部分被原子蒸气中待测元素的基态原子吸收。透射光经单色器将其他发射线分离掉，检测系统测量特征辐射线减弱后的光强度，根据光吸收定律就能求得待测元素的含量。假定入射光强度为I₀，投射光强度为I，当原子蒸气的厚度保持一定时，，透射率，吸光度A=I_n=kc，实际测量吸光度是比较方便的。在一定的基态原子浓度范围内，吸光度A与浓度c具有线性关系，可以方便地做出标准试样吸光度与浓度的工作曲线。因此，实际分析测量中，只需测出试样浓度的吸光度值，便可根据标准工作曲线求出试样中待测元素的浓度。

2）原子吸收光谱仪：

原子吸收光谱仪装置如图4-14所示。

图4-14 原子吸收光谱仪装置

1—电源 2—光源 3—试样 4—火焰原子化器 5—光学系统 6—光电元件 7—放大器 8—读数系统

润滑油试样经过预处理后，在原子吸收分光光度计上由雾化器将试液喷成雾状，与燃料气及助燃气一起进入燃烧器的火焰中。在高温下，试样经去溶剂化作用，挥发及解离，润滑油中的待测物质（如铁）转变为原子蒸气，由待测含量的物质（如铁）相同元素做成的空心阴极灯辐射出波长为3720Å（1Å=0.1nm）的特征辐射，通过火焰后，一部分光被Fe的基态原子吸收。测量吸光度，根据标准系列法做吸光度-浓度曲线图，根据未知试样的吸光度从曲线上即可查出Fe的含量。

此法的优点在于分析灵敏度高，精确度高，适用范围广，取样量少。缺点在于：①测一个元素换一个灯（光源），比较麻烦；②火焰法要用燃料气，不方便也不安全；③只能给出磨屑中的元素含量，不能了解磨屑的外形、尺寸等信息。

原子吸收光谱测定法就是原子吸收分光光度法，分光光度计法所用的光源是可见光。若所用的光源为红外光，则称为红外分光光度法；若所用光源为紫外光，则称为紫外分光光度法。

（3）X射线荧光光谱测定法 被测元素在原子化池中转变为自由原子，它共振吸收了激发光源中的光子而光致激发为激发态，再辐射为原子荧光。

若光源为X射线管发出的X射线波长，它又比待分析的元素可吸收的限波长λ_k稍短时，该元素就会发射出大量的二次标识（具有特征频率）的X射线，称为荧光X射线。各元素的荧光X射线波长是固定不变的，是该发射元素的特征。通过荧光X射线波长色散仪，我们可以了解发射相应荧光X射线的元素种类；通过荧光X射线的强度及激发X射线强度的换算，可以知道吸收X射线的元素含量。

因此，利用X射线荧光光谱仪可以分析油液中磨屑的元素含量及元素成分，图4-15是其结构简图。

图4-15 荧光X射线光谱仪的基本部件