微型光纖光譜儀應用

微型光纖光譜儀應用1  引言

光譜儀器(qì)是應用光學技術、電(diàn)子技術及計算(suàn)機技術對物質的成分及結構等進行(xíng)分析和(hé)測量的基本設備，廣泛應用于環境監測、工業控制(zhì)、化學分析、食品品質檢測、材料分析、臨床檢驗、航空(kōng)航天遙感及科學教育等領域。由于傳統的光譜儀存在着結構複雜、使用環境受限、不便攜帶及價格昂貴等不足，不能滿足現場(chǎng)檢測和(hé)實時(shí)監控的需求。因此，微型光纖光譜儀成為(wèi)光譜儀器(qì)發展的一個(gè)重要的研究方向。近年來(lái)，由于光纖技術、光栅技術及陣列式探測器(qì)技術的發展和(hé)成熟，使得(de)光譜檢測系統形成了光源、采樣單元及攝譜單元相分離的結構形式，整個(gè)系統結構更具模塊化，使用更加方便靈活，從而使微型光纖光譜儀成為(wèi)現場(chǎng)檢測和(hé)實時(shí)監控的儀器(qì)。現以微型光纖光譜儀的 美國海洋光學的微型光纖光譜儀為(wèi)例，介紹微型光纖光譜儀的結構及特點，并且重點介紹其在實際檢測領域中的應用方案。

微型光纖光譜儀應用微型光纖光譜儀結構及特點

傳統的光譜儀光學系統結構複雜，需通(tōng)過旋轉光栅對整個(gè)光譜進行(xíng)掃描，測量速度慢，并且對某些(xiē)樣品還(hái)需經過特定的預處理(lǐ)，并要放在儀器(qì)的固定樣品室內(nèi)進行(xíng)測量。與此相比，微型光纖光譜儀有(yǒu)很(hěn)多(duō)優點，如：速度快、、體(tǐ)積小(xiǎo)、重量輕及全譜獲取，而且通(tōng)過光纖傳導可(kě)以脫離樣品室測量，适用于在線實時(shí)檢測。

微型光纖光譜儀應用 微型光纖光譜儀結構

光譜儀微型化設計的實現得(de)益于攝譜結構的優化。光纖光譜儀生(shēng)産商美國海洋光學的Michael J. Morris等人(rén)研制(zhì)的USB系列微型光纖光譜儀使用非對稱交叉式Czerny-Turner分光結構，此光學結構的設計是在Czerny-Turner結構基礎上(shàng)進行(xíng)光路的改進，使光譜儀內(nèi)部構件布局更緊湊，可(kě)進一步小(xiǎo)型化(USB4000光譜儀僅為(wèi)89.1 mm×63.3 mm×34.4mm)。

攝譜結構光學平台的優化設計使微型光纖光譜儀內(nèi)部無移動部件，光學元件都采用反射形式，可(kě)在一定程度上(shàng)減少(shǎo)像差，并使工作(zuò)光譜範圍不受材料影(yǐng)響。微型光譜儀的固定化光學平台适合于震動及窄空(kōng)間(jiān)等複雜的工作(zuò)環境。

微型光纖光譜儀應用  微型光纖光譜儀特點

低(dī)損耗光纖、率光栅及低(dī)噪聲高(gāo)靈敏CCD陣列探測器(qì)等相關技術的發展，使微型光纖光譜儀在性能上(shàng)有(yǒu)了很(hěn)大(dà)的改進，具有(yǒu)如下技術特點：

光纖傳導技術：光纖技術的發展，使待測物脫離了固定樣品池的限制(zhì)，采樣方式變得(de)更加靈活，适合于遠距離樣品品質監控。由于光纖對光信号的傳輸作(zuò)用，使得(de)光譜儀可(kě)以遠離外界環境的幹擾，光譜儀的可(kě)靠運行(xíng)。

CCD陣列探測器(qì)技術：将經光栅分光後的作(zuò)用光在探測器(qì)上(shàng)同時(shí)瞬間(jiān)采集，而不必移動光栅，因此樣品光譜采集速度及快(測量時(shí)間(jiān)為(wèi)3.8ms~10min)，并通(tōng)過計算(suàn)機實時(shí)輸出。

光栅技術：全息光栅具有(yǒu)較小(xiǎo)的雜散光，而機械刻劃光栅具有(yǒu)更高(gāo)的反射率和(hé)靈敏度。

計算(suàn)機技術：電(diàn)子計算(suàn)技術的發展極大(dà)地提高(gāo)了光譜儀的智能控制(zhì)和(hé)處理(lǐ)能力。

方案

随着測量系統的不斷拓展，其快速分析及便攜式實時(shí)應用的優勢逐漸顯現出來(lái)，光譜分析技術正逐步從實驗室分析走向現場(chǎng)實時(shí)檢測。依據現階段實際應用現狀，微型光纖光譜儀在以下領域得(de)到廣泛的應用。

3.1  透射吸收測量系統

透射吸收測量用于測定液體(tǐ)或氣體(tǐ)中介質對作(zuò)用光的吸收，依據比耳定律，吸光度正比于摩爾吸收率、光程和(hé)樣品介質濃度。透射吸收測量系統由以下部件組成：USB4000-UV-VIS光譜儀、DH2000-BAL光源、QP400-025-SR光纖、CUV-UV樣品池、CV-Q-10比色皿及電(diàn)腦(nǎo)。

3.2  反射測量系統

反射測量方式分為(wèi)鏡面反射和(hé)漫反射測量，在實際測量中，可(kě)以采用不同的參考白闆和(hé)測量角度來(lái)進行(xíng)區(qū)分。反射測量用于測定樣品的化學成分及表面顔色相關信息。反射測量系統由以下部件組成：USB4000光譜儀、DH2000-BAL光源、R400-7-UV-VIS反射探頭、RPH-1探頭支架、标準參考闆WS-1及電(diàn)腦(nǎo)。

3.3  發光二極管( LED)測量系統

LED測量系統用于LED光源的光譜強度及顔色指标測量。LED測量系統由以下部件組成：USB4000-VIS-NIR光譜儀、FOIS-1積分球、LS-1-CAL-INT校(xiào)準光源、QP400-2-VIS-NIR光纖、LED-PS電(diàn)源及電(diàn)腦(nǎo)。

3.4  激光測量系統

根據激光光譜的特征，檢測系統配置高(gāo)分辨率的HR4000微型光纖光譜儀，同時(shí)可(kě)用積分球或餘弦校(xiào)正器(qì)來(lái)衰減入射光，以避免CCD探測器(qì)的飽和(hé)。激光測量系統由以下部件組成：HR4000高(gāo)分辨率光譜儀、FOIS-1積分球、QP400-2-VIS-NIR光纖及電(diàn)腦(nǎo)。

3.5  熒光測量系統

熒光測量因其光譜信号特别弱，因此需要一個(gè)高(gāo)靈敏的探測器(qì)及一個(gè)率的濾光片，将樣品激發出的微弱信号光和(hé)高(gāo)強度的激發光區(qū)别開(kāi)來(lái)。熒光測量系統由以下部件組成：USB4000-FL光譜儀、PX-2光源、QP1000-2-UV-VIS光纖、LVF-HL線性可(kě)調濾光片、CUV-ALL樣品池及電(diàn)腦(nǎo)。

3.6  氧含量測量系統

氧含量是通(tōng)過光纖探頭熒光團的熒光強度的衰減來(lái)進行(xíng)測量，應用熒光淬滅原理(lǐ)可(kě)以測量溶解氧或氣态氧的分壓，從而探測出環境的氧含量。氧含量測量系統由以下部件組成：USB4000-FL光譜儀、USB-LS-450光源、QBIF600-VIS-NIR光纖、FOXY-R探頭、21-02光纖連接套管及電(diàn)腦(nǎo)。

3.7  拉曼光譜測量系統

拉曼光譜與紅外吸收光譜同為(wèi)研究物質的分子振動能級從而分析物質的組成，但(dàn)相對于紅外吸收光譜，拉曼光譜的譜線較為(wèi)簡單且具有(yǒu)*性，而且被測物不需進行(xíng)前處理(lǐ)，因此在判斷物質組成成分時(shí)有(yǒu)明(míng)顯的優勢。拉曼光譜測量系統特别适用于反應過程監控、産品識别、遙感及介質中高(gāo)散射粒子的判定。拉曼光譜測量系統由以下部件組成：QE65000高(gāo)靈敏度光譜儀、785nm/532nm激發激光器(qì)、RIP拉曼應用光纖探頭及電(diàn)腦(nǎo)。

3.8  激光誘導擊穿光譜(LIBS)測量系統

LIBS是一種用于固體(tǐ)、液體(tǐ)及氣體(tǐ)中進行(xíng)實時(shí)、定性及半定量的光譜元素分析技術，其工作(zuò)原理(lǐ)是高(gāo)強度的脈沖激光聚焦在樣品表面，脈寬為(wèi)10ns的激光脈沖蒸發樣品産生(shēng)等離子體(tǐ)，随着等離子體(tǐ)的冷卻，處于激發态的原子發射出元素的特征光譜，這個(gè)光譜被光纖探頭收集并傳送到光譜儀，通(tōng)過光譜分析軟件中預存的樣品特征光譜進行(xíng)比對分析。LIBS測量系統由以下部件組成：LIBS2500多(duō)通(tōng)道(dào)高(gāo)分辨率光譜儀、LIBS-BUN光纖束、LIBS-LASER激光器(qì)、LIBS-SC樣品室、LIBS-IM-USB圖像分析模塊及電(diàn)腦(nǎo)。

4  結論

微型光纖光譜儀具有(yǒu)系統模塊化和(hé)搭建靈活性的優勢，因此在實際生(shēng)産研究中，僅需配一套光譜儀，應用不同的測試附件就可(kě)以對各種不同的樣品進行(xíng)實時(shí)檢測。同時(shí)，微型光纖光譜儀具有(yǒu)內(nèi)部結構緊湊、無移動部件，波長覆蓋範圍廣(175~1100nm或900~2500nm)，測量速度快(1ms~15min)，等特點，在工業在線監控及便攜式檢測系統集成開(kāi)發等領域提供了廣闊的應用發展空(kōng)間(jiān)。

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