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微小型光纖光譜儀在生産過程中的應用
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發布時間:2014-10-04 閱讀:6684

全球最大的光纖光譜消費商美國OceanOptics公司的MichaealJ.Morris等人研制的巨大型光纖光譜儀則運用非對稱穿插式Czerny-Turner分光構造(圖2所示),此光學平台的設計是在Czerny-Turner構造根底上停止光路的改良,使光譜儀外部構件布局更緊湊,可進一步小型化(USB4000系列光譜儀的尺寸規格僅爲89.1×63.3×34.4mm,可以裝置在一個小到足以放動手掌的測量平台)。與對稱式Crerny-Turner構造相比,由于延長了光程,使聚焦鏡投射到線性CCD陣列檢
    全球最大的光纖光譜消費商美國OceanOptics公司的MichaealJ.Morris等人研制的微小型光纖光譜儀則運用非對稱穿插式Czerny-Turner分光構造(圖2所示),此光學平台的設計是在Czerny-Turner構造根底上停止光路的改良,使光譜儀外部構件布局更緊湊,可進一步小型化(USB4000系列光譜儀的尺寸規格僅爲89.1×63.3×34.4mm,可以裝置在一個小到足以放動手掌的測量平台)。與對稱式Crerny-Turner構造相比,由于延長了光程,使聚焦鏡投射到線性CCD陣列檢測器的平行陳列單色光展成呈一定角度的圓弧陳列,會對光信號的檢測會發生一定的非線性誤差。


圖2非對稱穿插式Czerny-Turner分光構造光學零碎圖
  
    攝譜構造的光學平台設計使微小型光纖光譜儀外部無活動構件,光學元件都采用反射式,可在一定水平上增加像差,並使任務光譜範圍不受資料影響。儀器小型化全固定件的光學零碎設計可順應高震動、狹隘空間等複雜的工況環境檢測的需求。
  
2.2儀器的特點
  
    低損耗光纖、低噪聲高靈敏CCD陣列檢測器、全息光柵和小型高效半導體等新型光電子器件的引入,使微小型光譜儀器功能分明進步,具有以下特點[9-10]:
  
   (1)光纖技術的引入,使待測物脫離了樣品池的限制,采樣方式變得更爲靈敏,應用光纖探頭把遠離光譜儀器的樣品光譜源引到光譜儀器,以順應被測樣品的複雜外形和地位。由光纖引入光信號還可使儀器外部與外界環境隔絕,可加強對惡劣環境(濕潤氣候、強電場攪擾、腐蝕性氣體)的抵抗才能,保證了光譜儀的臨時牢靠運轉,延伸運用壽命。
  
   (2)以電荷耦合器件(CCD)陣列作爲檢測器,對光譜的掃描不用挪動光柵,可停止瞬態采集,呼應速度極快(測量工夫爲13~15ms),並經過計算機實時輸入。
  
   (3)采用全息光柵作爲分光器件,雜散光低,進步了測量精度。
  
   (4)使用計算機技術,極大地進步了光譜儀的智能化處置才能。
  
    光纖光譜儀測量零碎還具有模塊化的特點,可依據使用的不同需求選擇組件(包括各種不同類型的采樣光纖探頭,色散元件,聚焦光學零碎和檢測器等),搭建光學平台。雖然微小型光纖光譜儀的測量精度被以爲低于傳統的挪動光柵-光電管設計的離線光度計,但已到達工業現場光譜剖析的要求。

2.3光纖探頭的采樣方式
  
    結合光纖傳導技術,光纖光譜儀的在線監測零碎變得非常靈敏,可使用不同類型的附件,完成各種采樣方式。探頭的裏面還有維護層,使之具有耐低溫和抗化學腐蝕等功能。
  
    圖3爲規範反射式探頭構造圖,光纖束有7根光纖組成,經過規範SMA905接頭,可把光源收回的光耦合進由6根光纖組成的光纖束中,傳導到探頭末端,被測外表反射回來的光進入第7根光纖把信號傳輸出光譜儀內檢測。


圖3反射式光纖探頭
  
    此外,對其停止特殊的設計衍生出各種順應不同檢測要求的光纖探頭。


圖4各式光纖探頭
  
    圖4-A是透射式浸入探頭,在探頭末端有一段1mm、2.5mm或5mm的缺口,光經過此物理間隙由底部的白色漫反射資料反射回銜接到光譜儀的光纖,信號進入儀器內停止檢測。經過把探頭浸入或固定在液體中,可在線測量吸收率。圖4-B是工業用熒光探頭,它在反射式探頭末端加裝特殊的附件,變爲一個45。角的前端視窗,該附件可無效避免四周環境光進入探頭,並屏蔽激起光來加強熒光信號。被測液體光程還可在0-5mm之間調理。
  
    由于拉曼散射信號較弱,受攪擾影響大,故用于拉曼光譜測量的光纖探頭光路設計較爲特別(圖5所示)。


圖5拉曼光纖探頭的光路設計
  
    其中的陷波濾光器的作用是,能針對性地將以激光波長爲中心的幾個納米的波長範圍內的瑞利散射光能量無效地濾除達5到6個數量級,讓該波長範圍之外的光信號順利經過。這樣前面只需再用小型光譜儀色散分出光譜,激光用20mW的小型激光器也就夠了。整個零碎變得體積小而緊湊,容易整合到一同,進而極大加強了波動性。
  
    光纖探頭采樣的引入極大簡化了傳統光譜測量的光學零碎,並且光纖的長度可依據實踐狀況選擇,使非接觸,遠間隔,實時疾速的在線測量成爲能夠。目前已呈現多種商品化的光纖探頭。
  
3.微小型光纖光譜儀在進程監測中的使用
  
    隨著微小型光纖光譜儀的呈現,光譜技術也閱曆著一場從實驗室走向消費現場的反動,已轉化爲一種完全以被測樣品爲中心而設計現場儀器的適用技術。在實踐消費使用中,呈現了紫外、可見光、近紅外、拉曼散射和熒光剖析等多個平台的在線測量零碎。
  
3.1紫外-可見光測量的在線使用
  
    可用于傳導紫外光的高質量光纖,陣列型檢測器和化學計量學算法的引入,使經典的紫外-可見光剖析技術跨過了在線測量的門檻,在工業在線監測中有著普遍的使用。
 
3.1.1紫外-可見吸收光譜的測量
  
    基于比爾-琅勃定律,溶液或氣體中的化學成分對光的定量吸收,結合化學計量學算法對紫外光譜法數據信息的發掘,可對多組分混合物完成“數學別離”測定。如:ValerieFeigenbrugel等人[11]應用基于CCD陣列探測器紫外光譜技術,樹立檢測丙酮、甲氨基酚、二嗪農和敵敵畏等多種殺蟲劑的摩爾吸收系數的實驗辦法。RemoBucci等人[12]將紫外-可見光譜剖析用于變性酒精的檢測,十分合適于工業消費中少量樣品的檢測。這些辦法替代了傳統化學別離測定的繁瑣進程,作爲在線測量零碎的“軟件”局部,順應于在線疾速檢測的要求。
  
3.1.2薄膜厚度的測量
  
    使用光的幹預測量原理,微小型光纖光譜儀可測的薄膜厚度到達25µm,分辨率(FWHM)爲1.5nm。將光纖光譜儀與光纖探頭在消費線上構建實時測量零碎,可爲高精度工件加工的線上質量監測和工業鍍膜進程提供了一種靈敏方便的測量手腕。
  
3.1.3顔色測量
  
    顔色測量是基于物質生色基團在可見光範圍內(380-780nm)的基頻吸收原理,將測量光譜轉化爲CIE規則的顔色空間L*,a*和b*值表示。結合光纖光譜儀測量零碎的浸入式透射探頭、反射式探頭或積分球采樣附件,可方便完成對溶液、酒類産品、紡織品和紙張等系列産品.消費進程的顔色質量控制。
  
3.1.4LED的剖析測量
  
    結合積分球的運用,光纖光譜儀可方便快捷地測量出LED的相對輻射量和顔色等參數,在LED消費的質量控制中有重要的使用。
  
    此外,由可見光譜衍生出的使用也越來越多,程志海等人[13]應用CCD光纖光譜儀和K原子特征譜線的絕對強度,完成了對煤粉火焰溫度的在線測量,該辦法具有複雜,牢靠等優點。
  
3.2近紅外光譜剖析的在線使用
  
    近紅外光譜法是20世紀90年代以來開展最快,最有目共睹的光譜剖析技術。因其儀器複雜,剖析速度快,非毀壞性和樣品制備量小,不需對樣品預處置,可間接停止測定,簡直合適各類樣品(液體、塗層、粉末或固體),在在線剖析儀器中表現突出。並且近紅外光在光纖中簡直無損傳輸,結合光纖技術容易完成遠間隔多點同時測量,合適構建遠離現場的在線監測零碎,是其它辦法難以比較的。
  
    隨新型近紅外光纖光譜儀的呈現和軟件的晉級,近紅外光譜的使用和研討呈現了新場面,近紅外光譜在線測量剖析技術在煙草[14],制藥[15-17],石化[18],造紙[19]和食品輕工[20]等範疇的使用最爲活潑。
  
3.3拉曼散射光譜的在線使用
  
    拉曼光譜剖析技術以檢測速度快,並能實時獲取詳細的化學信息等特點,越來越多地被用于延續或間歇反響進程控制。光纖技術的引入,使測試人員遠離風險任務現場,完成遠間隔取樣剖析。
  
    Dao等的實驗室展現了拉曼光纖探針辦法用于近程、在位多成分檢測多能夠性[21]。Lee等人應用拉曼光譜儀在生化反響器中同時測定了葡萄糖、醋酸纖維素、甲酸鹽和苯基丙氨酸等多組分濃度[22]。Bauer等人運用FT-Raman光譜和非接觸式光纖探針結合的測量零碎,測定了苯乙烯單體在乳液聚合反響中的濃度變化狀況[23]。Wenz研討了用拉曼光譜剖析技術監測ABS消費的接枝共聚進程,確定了恰當的反響起點[24]。McCaffery討論了低分辨率拉曼光譜儀間接在小批量消費的間歇乳液聚合反響監測中的使用[25]。食操行業中,拉曼光譜在糖類、蛋白質、脂肪、維生素和色素等消費的在線疾速檢測和質量控制方面發揚著重要的作用[26]。
  
    另外,外表加強拉曼散射(SERS)效應極大推進了拉曼光譜技術在衆多範疇的使用。隨激光技術的開展和檢測安裝的改良,用于在線監測的拉曼光譜剖析技術將在古代工業消費中失掉越來越普遍的使用。
  
3.4激光測量
  
3.4.1激光波長測量
  
    隨激光在工業範疇的普遍使用,激光器的波長測量也正成爲迫切需求。采用微小型光纖光譜儀對其可停止准確,疾速的實時監測,間接獲取的數據信息比通常運用的波長計和掃描F-P腔的辦法完好,即同時得出激光的相對波長和激光光譜的外形,而且儀器體積玲珑,可方便地集成到零碎中操作[27]。
  
3.4.1激光誘導擊穿光譜(LIBS)
  
    LIBS技術是用高能量激光光源,在剖析樣品外表構成高強度激光光斑(等離子體),使樣品激起發光,光隨後經過光纖引入光譜儀的檢測零碎停止剖析。這種技術對資料中的絕大局部無機元素十分靈敏,測量精度達ppm級的含量,而且樣品可以是固態,液態或氣態。
  
3.5熒光剖析
  
    熒光測量要求靈敏度較高的檢測器和無效的濾光器,能區分開激起光源的光合樣品收回的絕對微弱的熒光。光纖光譜儀可在360-1000nm範圍內檢測溶液和粉末的外表熒光,使用熒光剖析技術還可測量樣品中氧的相對含量,可將LED激起光源和帶有光纖熒光探頭的微小型光譜儀組成氧濃度傳感器的測量零碎,依據熒光的淬滅水平與氧濃度相關的原理停止實時監測。
  
    光纖光譜儀以零碎模塊化和靈敏性,儀器構造緊湊,玲珑,外部無可挪動部件,波長掩蓋範圍廣(190-2500nm),測量速度快(小于0.1秒)等優點,合適于工業在線監測,而且光譜儀選用低本錢的通用探測器,大幅降低運用的價錢門檻。近幾年,化學計量學、光纖和計算機技術的開展,爲以光纖光譜儀爲中心的在線監測零碎提供了一個非常寬廣的使用空間。
 
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