微小型光纖光譜儀在過程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1、 微小型光纖光譜儀在過程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用 微小型光纖光譜儀在過程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用黎國梁 1,蹇華麗 2,姚志湘 3,宋光均 4(1.廣西大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,廣西 南寧,530004;2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院 廣東 廣州,510642;3.廣西工學(xué)院 生物與化學(xué)工程系,廣西 柳州,545006;4. 華南理工大學(xué) 后勤產(chǎn)業(yè)集團(tuán),廣東 廣州,510640摘 要 : 微小型光纖光譜儀成為一種新型的在線測(cè)量?jī)x器,具有許多優(yōu)點(diǎn)。文中主要以 Ocean Optics 公司 的光纖光譜儀為例,詳細(xì)介紹了其結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)以及光纖光譜儀在紫外-可見光、近紅外、拉曼散射和熒光 分析等多個(gè)平臺(tái)的工業(yè)在線應(yīng)用。關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞

2、:微小型光纖光譜儀,在線測(cè)量?jī)x器,應(yīng)用The Applications of Miniature Fiber Optical Spectrometer in Process MonitoringLI Guoliang1, JIAN Huali 2, YAO Zhixiang3, SONG Guangjun4(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China;2 . College of Food, South China Agricultural Univers

3、ity, Guangzhou 510642,China; 3. Department of Biological Chemical Engineering , Guangxi University of Technology, Liuzhou 545006, China; 4. The Group of Logistic Industry,South China Univ. Of Tech , Guangzhou 510640,ChinaAbstract: Miniature fiber optical spectrometer has many advantages as a new typ

4、e of the on-line instruments. The fiber optical spetrometer that produced by Ocean Optics company was a case in point. Its structure and traits were introduced detailedly. And the applications of industrial on-line measurement was intruduced, such as UV-Vis, NIR, Raman scattering and fluorescense an

5、alysis etc.Keywords: Color measurement; On-line detecting instrument; Applications引言 引言隨各個(gè)行業(yè)的發(fā)展,對(duì)生產(chǎn)商品的質(zhì)量指標(biāo)要求亦越來越高,尤其在化工、造紙、食品、 制藥等過程行業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行中,需要隨時(shí)關(guān)注體系物料的變化。對(duì)于變化的運(yùn)行過程,離線的 實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果的滯后性常迫使操作者對(duì)實(shí)時(shí)情況一知半解就做出判斷。為確保最終獲得合格 產(chǎn)品,以離線計(jì)量為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)質(zhì)量保證體系正在向以在線或現(xiàn)場(chǎng)傳感器為基礎(chǔ)的過程控制新 質(zhì)量保證體系轉(zhuǎn)移。目前,一般在線測(cè)量與控制系統(tǒng)僅限于溫度、壓力和流量等,而對(duì)過程中化學(xué)成分和許

6、多 物性變量仍不能進(jìn)行有效的連續(xù)測(cè)量,這些特殊變量卻是表征生產(chǎn)狀況的重要,甚至是決定性 的指標(biāo)參數(shù),因此,在線光譜技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,它是以現(xiàn)場(chǎng)狀況下基于分子水平基礎(chǔ)上的微觀物 -52- 理量和微觀化學(xué)量的光譜傳感技術(shù),依托于微小型光纖光譜儀的使用,在化工、制藥、輕工和 高分子材料等工業(yè)部門的過程監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要的作用。1. 微小型光纖光譜儀的出現(xiàn) 微小型光纖光譜儀的出現(xiàn)物質(zhì)發(fā)射、 吸收、 散射的光輻射, 其頻率和強(qiáng)度與物質(zhì)的含量、成分、結(jié)構(gòu)有確定的關(guān)系, 基于光譜測(cè)量而衍生出的應(yīng)用也非常廣泛,因此,科研工作者們根據(jù)應(yīng)用的需要不斷地改進(jìn)光 譜儀器 1。電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展, 使光譜儀器向著

7、高精度、 自動(dòng)化、 智能化的方向發(fā)展。 許多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)庾V儀器提出了更高的要求,即光譜儀器的尺寸的縮小比提高其分辨率更為重 要。而傳統(tǒng)的光譜儀,雖然精度高,但存在體積大、價(jià)格高、安裝調(diào)試?yán)щy、使用條件苛刻等 不足,微小型光譜儀便成了目前研究的熱點(diǎn) 2。在其發(fā)展過程中,主要有采用光柵作為分光元 件和以干涉原理進(jìn)行分光這兩類儀器 3-5。自 20世紀(jì)90年代 以來, 由 于光纖 具 有 很 高的傳 輸信息容 量, 可同 時(shí) 反映 多 維信息 ,這些 優(yōu) 勢(shì)相 對(duì)于 聲 電傳感器而 言 是難以比 擬 的。隨光 通信 技術(shù)對(duì)光纖的需求 增長(zhǎng) , 開 發(fā)出 低損耗 的 石 英 光纖, 降低 了成 本 ,

8、 將 光纖與光譜技術(shù) 相 結(jié)合的微型結(jié)構(gòu)的光纖光譜儀 引起 了許多 人 的關(guān)注6,并 在各 種 光譜測(cè)量 及相 關(guān)領(lǐng)域得 到 廣泛的應(yīng)用, 光纖光譜儀是微型光譜儀器發(fā)展的重要方向7。2. 2. 微小型光纖光譜儀的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 微小型光纖光譜儀的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 微小型光纖光譜儀的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)傳統(tǒng)的光譜儀光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 復(fù)雜 ,需 通 過 旋 轉(zhuǎn)光柵對(duì) 整 個(gè)光譜進(jìn)行 掃描 ,測(cè)量 速 度 慢 , 并 且 對(duì) 某 些 樣 品 還 需 經(jīng) 過特定的 預(yù)處 理 手段 后, 放 在儀器的 固 定 樣 品室 內(nèi) 進(jìn)行測(cè)量。與 之相 比, 微小型光纖光譜儀有 很 多 優(yōu) 點(diǎn), 如:重量輕,體積小,價(jià)格 低(體積 只

9、有 之 前系統(tǒng)的 1/1000, 造價(jià)為原來的 1/10 , 測(cè)量 速 度非常 快 ,不 必 使用機(jī) 械掃描 就能獲 取全 譜數(shù)據(jù), 而 且通 過光纖的 傳 導(dǎo) 作用, 可脫 離 樣 品室測(cè)量, 適 用于在線實(shí)時(shí) 檢 測(cè)。2.1 光學(xué)平 臺(tái)光譜儀微型化 設(shè) 計(jì)的實(shí)現(xiàn)得 益 于 攝 譜結(jié)構(gòu),最 初 的光學(xué)平 臺(tái) 采用對(duì) 稱式 Czerny-Turner 分 光結(jié)構(gòu) 8, 荷蘭 Avantes 公司 生產(chǎn)的微小型光纖光譜儀即使用了這 種 光學(xué)平 臺(tái)設(shè) 計(jì) (圖 1所示 。 光 信號(hào)由 光纖傳 導(dǎo)經(jīng) 過一個(gè)標(biāo) 準(zhǔn) 的 SMA905接口 進(jìn) 入 光譜儀 內(nèi) 部, 經(jīng)球面鏡準(zhǔn)直 , 然后 由 一 塊 平

10、 面 光柵分光后, 將入 射光分成 按 一定 波長(zhǎng)順序排列 的 單色 光, 再由聚焦鏡聚焦到 一 維 線性 CCD 線性 陣列探 測(cè)器上進(jìn)行 檢 測(cè)。 -53-圖 1 對(duì) 稱式 Czerny-Turner 分光結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng) 圖全球 最大的光纖光譜生產(chǎn)商 美國 Ocean Optics 公司 的 Michaeal J.Morris 等 人 研制的微小 型光纖光譜儀 則 使用非對(duì) 稱交叉式 Czerny-Turner 分光結(jié)構(gòu) (圖 2所示 , 此光學(xué)平 臺(tái) 的 設(shè) 計(jì)是 在 Czerny-Turner 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行光 路 的改進(jìn),使光譜儀 內(nèi) 部構(gòu)件 布局 更 緊湊 , 可 進(jìn)一 步 小型 化

11、 (USB4000系 列 光譜儀的尺寸 規(guī) 格僅為 89.1×63.3×34.4mm, 可 以安裝在一個(gè)小 到 足以 放入手 掌 的測(cè)量平 臺(tái) 。與對(duì) 稱式 Crerny-Turner 結(jié)構(gòu) 相 比, 由 于縮 短 了光程,使 聚焦鏡投 射 到 線性 CCD 陣列檢 測(cè)器的平行 排列單色 光展成 呈 一定 角 度的 圓弧排列 , 會(huì) 對(duì)光 信號(hào) 的 檢 測(cè) 會(huì) 產(chǎn)生一定 的非線性 誤差 。圖 2 非對(duì) 稱交叉式 Czerny-Turner 分光結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng) 圖攝 譜結(jié)構(gòu)的光學(xué)平 臺(tái)設(shè) 計(jì)使微小型光纖光譜儀 內(nèi) 部 無活 動(dòng)構(gòu)件,光學(xué)元件 都 采用 反 射 式 , 可 在一定

12、程度上 減少像差 , 并 使工作光譜 范圍 不 受 材料 影響 。儀器小型化 全固 定件的光學(xué)系統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 可適 應(yīng)高 震 動(dòng)、 狹窄空間 等 復(fù)雜 的工況 環(huán)境檢 測(cè)的需要。2.2 儀器的特點(diǎn)低損耗 光纖、 低噪聲 高 靈敏CCD陣列檢 測(cè)器、 全息 光柵和小型高效半 導(dǎo) 體等新型光電子器 件的 引入 ,使微小型光譜儀器性能 明顯 提高, 具 有以下特點(diǎn) 9-10: -54- (1 光纖技術(shù)的 引入 ,使 待 測(cè)物 脫 離了 樣 品 池 的限制,采 樣 方 式 變得更為 靈活 , 利 用光 纖 探頭把遠(yuǎn) 離光譜儀器的 樣 品光譜 源引到 光譜儀器,以 適 應(yīng) 被 測(cè) 樣 品的 復(fù)雜形 狀和

13、位置 。 由 光 纖 引入 光 信號(hào)還可 使儀器 內(nèi) 部與 外界環(huán)境隔絕 , 可增 強(qiáng)對(duì) 惡劣環(huán)境(潮濕氣候 、強(qiáng)電場(chǎng)干 擾 、 腐蝕 性 氣 體 的 抵抗 能力,保證了光譜儀的 長(zhǎng)期可靠 運(yùn)行, 延長(zhǎng) 使用 壽命 。(2 以電 荷耦 合器件 (CCD陣列 作為 檢 測(cè)器,對(duì)光譜的 掃描 不 必 移動(dòng)光柵, 可 進(jìn)行 瞬態(tài) 采 集 , 響 應(yīng) 速 度 極快(測(cè)量時(shí) 間 為 1315ms , 并通 過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí) 輸 出。(3 采用 全息 光柵作為分光器件, 雜 散光 低 ,提高了測(cè)量精度。(4 應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù), 極 大地提高了光譜儀的智能化 處 理能力。光纖光譜儀測(cè)量系統(tǒng) 還具 有 模塊 化的特

14、點(diǎn), 可 根據(jù)應(yīng)用的不 同 需要 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(xué)系統(tǒng)和 檢 測(cè)器等 , 搭建 光學(xué)平 臺(tái) 。雖然微小型光 纖光譜儀的測(cè)量精度 被認(rèn) 為 低 于傳統(tǒng)的移動(dòng)光柵 -光電 管設(shè) 計(jì)的離線光度計(jì), 但 已達(dá)到 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng) 光譜分析的要求。2.3 光纖 探頭 的采 樣 方 式結(jié)合光纖傳 導(dǎo) 技術(shù),光纖光譜儀的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)變得 十 分 靈活 , 可 應(yīng)用不 同 類型的 附 件 , 實(shí)現(xiàn)各 種 采 樣 方 式 。 探頭 的 外面還 有保 護(hù)層 ,使 之具 有 耐 高溫和 抗 化學(xué) 腐蝕 等性能。圖 3為標(biāo) 準(zhǔn)反 射 式探頭 結(jié)構(gòu) 圖

15、, 光纖 束 有 7根光纖 組 成, 通 過標(biāo) 準(zhǔn) SMA905接頭 , 可把 光 源 發(fā)出的光 耦 合進(jìn) 由 6根光纖 組 成的光纖 束 中,傳 導(dǎo)到探頭 末端 , 被 測(cè)表 面反 射 回 來的光進(jìn) 入 第 7 根光纖 把信號(hào) 傳 輸入 光譜儀 內(nèi)檢 測(cè)。圖 3反 射 式 光纖 探頭此 外 ,對(duì)其進(jìn)行特殊的 設(shè) 計(jì)衍生出各 種適 應(yīng)不 同檢 測(cè)要求的光纖 探頭 。 -55-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 通 過此物理 間 隙 由 底 部的 白 色 漫 反 射材料 反 射 回 連 接到

16、 光譜儀的光纖, 信號(hào) 進(jìn) 入 儀器 內(nèi) 進(jìn)行 檢 測(cè)。 通 過 把探頭 浸 入 或 固 定在 液 體中, 可 在線測(cè)量吸收率。 圖4-B 是工業(yè)用 熒 光 探頭 , 它在 反 射 式探頭 末端加 裝 特殊的 附 件, 變?yōu)橐粋€(gè) 45。 角 的前 端視窗 , 該 附 件 可 有效 防止周 圍環(huán)境 光進(jìn) 入探頭 , 并 屏蔽激 發(fā) 光來 增 強(qiáng) 熒 光 信號(hào) 。 被 測(cè) 液 體光程 還可 在 0-5mm之間 調(diào) 節(jié) 。由 于 拉曼 散射 信號(hào) 較弱 , 受 干 擾影響 大, 故 用于 拉曼 光譜測(cè)量的光纖 探頭 光 路設(shè) 計(jì) 較 為特 別 (圖5所示 。圖5拉曼 光纖 探頭 的光 路設(shè) 計(jì)其中的 陷 波 濾 光器的作用是, 能 針 對(duì)性地 將 以 激 光 波長(zhǎng) 為中 心 的 幾 個(gè) 納米 的 波長(zhǎng)范圍內(nèi) 的 瑞 利 散射光能量有效地 濾