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微小型光纤光谱仪在过程监测中的应用

2012-05-09 10:11
科技潮人
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引言

  随各个行业的发展,对生产商品的质量指标要求亦越来越高,尤其在化工、造纸、食品、制药等过程行业的生产运行中,需要随时关注体系物料的变化。对于变化的运行过程,离线的实验室分析结果的滞后性常迫使操作者对实时情况一知半解就做出判断。为确保最终获得合格产品,以离线计量为基础的传统质量保证体系正在向以在线或现场传感器为基础的过程控制新质量保证体系转移。

  目前,一般在线测量与控制系统仅限于温度、压力和流量等,而对过程中化学成分和许多物性变量仍不能进行有效的连续测量,这些特殊变量却是表征生产状况的重要,甚至是决定性的指标参数,因此,在线光谱技术应运而生,它是以现场状况下基于分子水平基础上的微观物理量和微观化学量的光谱传感技术,依托于微小型光纤光谱仪的使用,在化工、制药、轻工和高分子材料等工业部门的过程监测中发挥着重要的作用。

1. 微小型光纤光谱仪的出现

  物质发射、吸收、散射的光辐射,其频率和强度与物质的含量、成分、结构有确定的关系,基于光谱测量而衍生出的应用也非常广泛,因此,科研工作者们根据应用的需要不断地改进光谱仪器[1]。

  电子技术和计算机技术的迅猛发展,使光谱仪器向着高精度、自动化、智能化的方向发展。许多应用领域对光谱仪器提出了更高的要求,即光谱仪器的尺寸的缩小比提高其分辨率更为重要。而传统的光谱仪,虽然精度高,但存在体积大、价格高、安装调试困难、使用条件苛刻等不足,微小型光谱仪便成了目前研究的热点[2]。在其发展过程中,主要有采用光栅作为分光元件和以干涉原理进行分光这两类仪器[3-5]。

  自20世纪90年代以来,由于光纤具有很高的传输信息容量,可同时反映多维信息,这些优势相对于声电传感器而言是难以比拟的。随光通信技术对光纤的需求增长,开发出低损耗的石英光纤,降低了成本,将光纤与光谱技术相结合的微型结构的光纤光谱仪引起了许多人的关注[6],并在各种光谱测量及相关领域得到广泛的应用,光纤光谱仪是微型光谱仪器发展的重要方向[7]。

2. 微小型光纤光谱仪的结构及特点

  传统的光谱仪光学系统结构复杂,需通过旋转光栅对整个光谱进行扫描,测量速度慢,并且对某些样品还需经过特定的预处理手段后,放在仪器的固定样品室内进行测量。与之相比,微小型光纤光谱仪有很多优点,如:重量轻,体积小,价格低(体积只有之前系统的1/1000,造价为原来的1/10),测量速度非常快,不必使用机械扫描就能获取全谱数据,而且通过光纤的传导作用,可脱离样品室测量,适用于在线实时检测。

  2.1 光学平台

  光谱仪微型化设计的实现得益于摄谱结构,最初的光学平台采用对称式Czerny-Turner分光结构[8],荷兰Avantes公司生产的微小型光纤光谱仪即使用了这种光学平台设计(图1所示)。光信号由光纤传导经过一个标准的SMA905接口进入光谱仪内部,经球面镜准直,然后由一块平面光栅分光后,将入射光分成按一定波长顺序排列的单色光,再由聚焦镜聚焦到一维线性CCD线性阵列探测器上进行检测。

  

  图1 对称式Czerny-Turner分光结构光学系统图

 

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