PORS-15便携式光谱仪研制及其应用.doc

PORS-15便携式光谱仪研制及其应用 马放均 陈联明 李东明（北京普析通用仪器有限责任公司 北京 101200）摘 要 PORS-15便携式光谱仪采用先进的平场凹面光栅作为分光器件，NMOS线性图象传感器作为接收器，配合外置紫外可见一体化光源，可同时测量200800nm的全波段光谱，最短测量时间0.01S。通过RS232与微机通讯，由UVWin5.0软件读取测量图谱，可以进行图谱的数据处理及打印等操作，可独立完成光谱扫描、光度测量、定量测定及峰值检出等功能。独特的液晶触摸显示屏技术，将显示与输入集成，成为在同类仪器中体积最小，功能最全的仪器之一。可应用于环保、疾控、食品、医药等领域，特别适用于现场应急检测、在线监测、外出快速测量和野外地质勘探，具有广泛的应用前景。关键词 便携式光谱仪 光纤探头 分光光度法 环境监测 海水分析Research and Manufacturing ofPORS-15 Potable Spectrophotometer and Its Application Ma Fangjun Chen Lianming Li Dongming (Beijing Purking General Instrument Co., Ltd Beijing 101200)Abstract PORS-15 portable spectrophotometer uses flat field concave grating asthe monochromator, and NMOS linear image sensor as the receiver. Connectedwith outside ultraviolet-visible integrated light source, the instrument can mea-sure spectrum wavelength from 200nm to 800nm. The shortest measure time is0.01s. Connected with PC via RS232, The instrument can read measured spe-ctrums, handle data and print by using UVWIN5.0 software. It can perform spectrum scan, photometric measure, quantitative measure and peak-value detec-tion etc. With unique LCD touching display, input and output are integrated. Ithas been one of the instruments with the least cubage and most functions, compared to the similar kinds instruments. It can be applied in field like envi-ronment protection, disease control, foodstuff, medicine etc, especially suitable for emergency detecting on-spot, online watch, outdoor quick measure and geo-logical exploration. It is expected to get a broad application foreground.Key Words potable spectrophotometer, optical fiber probe, spectrophotometry, environmental monitoring，analysis of seawater前言北京普析通用仪器有限责任公司是国家科技部十五科技攻关重点项目光谱仪器的研制与开发中光谱全谱仪子课题的承担单位，本项目PORS-15便携式快速光谱仪是光谱全谱仪子课题的重点成果之一。承担课题以来，公司始终予以高度重视，集中力量进行技术攻关。2001年底完成光谱全谱仪课题的立项，2002年初成立了专门的课题攻关组，负责仪器研制与开发。课题纳入了公司的ISO-9000管理体系，严格按照ISO-9000的设计控制程序执行。PORS-15便携式快速光谱仪属于北京市工业当前重点发展的技术和产品目录中的仪器仪表领域的智能光谱仪器。该仪器由光谱仪主机、光源附件、样品测量附件组成，可独立完成光谱扫描、光度测量、定量测定及峰值检出等功能。仪器配合外置紫外可见一体化光源，可进行200800nm紫外可见光波段测量。独特的液晶触摸显示屏技术，将显示与输入集成，成为在同类仪器中体积最小，功能最全的仪器之一。该仪器可广泛应用于农业、食品、卫生检验、疾控、生命科学、环境保护、地矿以及一些新兴科技行业，尤其适用于在线测量、现场应急监测等。该仪器的研制填补国内空白，是我国第一款拥有自有知识产权的快速便携式光谱仪1-4。1 系统整体概述便携式型光谱仪是一种采用线阵CCD接收器，快速电控扫描的便携式光谱仪。系统由光度计主机、光源附件、样品测量附件组成，可独立完成光谱扫描、光度测量及峰值检出等功能。可根据市场需求扩充其它附件及功能。仪器采用先进的平场凹面光栅作为分光器件，NMOS线性图象传感器作为接收器，可同时测量200800nm的全波段光谱，最短测量时间0.01S。通过RS232与微机通讯，由UVWin5.0软件读取测量图谱，可以进行图谱的数据处理及打印等操作。仪器本身配置微型光源，通过光纤连接样品池可进行基本的测量外，还配置多种功能扩充附件，能够进行反射测量、透射测量、微量样品测量，仪器体积小巧便于携带，适合现场、在线、应急检测，可应用于环保、农业、检验检疫等行业。系统由光度计主机及各种附件组成，图1是便携式系列光谱仪的系统组成。系统采用模块化设计，光谱仪主机与各种附件之间均采用SMA905标准光导纤维接口，仪器为一个工作平台，可扩充性强，能购方便连接各种附件。图1 便携式系统配置图2. 便携式光谱仪的主要特点 （1）独立操作：便携式光谱仪不象其它的光谱仪只提供分光与测量功能。它具备电源、光源、分光、光电转换及数据处理显示输出的全部功能，能够独立操作，是真正的便携光谱仪。（2） 配置齐全：便携式全谱仪除主机外配置了10几种附件，方便组成各种测量系统，大大扩展了仪器的应用范围，为各种特殊应用提供了良好的平台。（3） 功能齐全：主机具有光谱扫描，光度测量，定量测定，时间扫描，峰值检出等功能。连接UVWin5.0软件更可提供三维光谱图谱处理。（4） 方便灵活：微电脑控制，LCD显示，触摸屏人机对话，能存储100全谱谱图数据,满足野外作业要求。（5） SMA905光纤接口，可连接多种附件。（6） RS232接口可与PC通讯。（7） 主机电池供电可8小时，能满足全天工作需求。（同时可用外电源供电）（8） 快速测量，全波段扫描仅0.01s3.1.2关键技术针对便携仪器的使用特点，依据结构紧凑、操作方便的总体要求，便携式在关键零部件的开发及应用上均有所突破，申请三项核心专利，取得多项研究成果。（1） 成功开发凹面平场光栅单色器，已申请专利采用凹面平场光栅，实现同步分光，CCD多通道实时接收。独创的光纤狭缝结构，光能量的利用率高。无活动元件，能完全满足便携式仪器体积小巧，操作方便的目的。（图2）1光纤狭缝结构 2光栅 3单色器壳体 4接收器图2 仪器构造图凹面平场光栅与传统凹面光栅相比，主要不同在于传统凹面光栅分光后所呈谱带在曲面罗兰圆上，如采用线阵和面阵列CCD的接收，可导致分光波段范围内两端波长处谱线变宽，引起分辨率下降；而凹面平场光栅谱线经费球面修正呈现在近似同一平面上，很好的解决了上述问题（图3）。 图3 凹面平场光栅与普通光栅的成像对比（2） 光纤转换狭缝为提高光能量的利用率，采用光纤转换狭缝。如图，传统狭缝结构中通过狭缝能量It占投射光斑总能量I0的7.14%，能量的利用率不到10，而光纤狭缝结构使得光能量始终在密闭光纤内部传送，除了光纤耦合损失与光纤材料本身衰减之外不存在其他理论损失，而耦合损失与衰减损失综合之和远远小于10，所以该结构可大幅度提高光能量利用率（图4）。图4 传统狭缝接头与光纤狭缝转接头结构对比传统狭缝接头图 1狭缝片 2狭缝（孔）3光斑（I0） 4通过能量（It） 狭缝转接头图 1光纤狭缝头 2多股光导纤维 3入射接头（3） CCD原理及驱动电路CCD技术开发，实现快速多通道扫描，全谱扫描只需0.01s，扫描、存储、处理快速。在CCD部分的驱动电路设计中，我们将电路的噪声减小到了万分之二，在此条件下，CCD的一次取样即可保证很高的精度，充分做到了快速。（4） 独特便携结构，已申请专利为进一步减小仪器体积，独特的液晶触摸显示屏技术，将显示与输入集成。最大特点是体积小巧，功能齐全。整个光谱仪幅面小于普通A4纸张一半大小，具备常规仪器的基本功能，能够独立进行数据采集，数据处理，数据存储，仪器能够储存100条全谱谱图数据。采用触摸显示屏，将输入输出集成一体。成为在同类仪器中体积最小，功能最全的仪器之一5。（5） 配备诸多附件配备多种附件，能够满足各种专业化需求。其中微量检测装置已申请专利3. 基本配置情况便携式主机是便携式光谱仪的通用型工作平台，它具备常规分析仪器的基本功能。能进行光谱扫描、光度测量、定量测定、时间扫描、峰值捡出等功能。主机配备不同的附件便能形成不同的系统满足不同的专业化要求。（1） 便携式在线测量系统如图4所示，便携式主机连接透射光纤探头，可非常方便的实现在线测量、野外环境测量分析。将透射式光纤探头直接浸入被测液体（生产线的流程中），无需将样品盛入比色皿，省事便捷。由于可同时获得全谱数据，因此可同时进行多个样品的定量分析。考虑到野外操作的实际需求，主机可由电池供电8小时以上，满足一天的测量要求。 图4 主机及光纤探头（2） 微量样品测量系统主机通过光纤连接微量样品测量装置（图5），适用于医疗、生物等领域，能够对少量稀有样品进行微量分析。样品与光纤头（有金属端面）无接触，高防腐。涂聚四氟乙烯的石英载样基板，微量样品不扩散。最小测量样品量10uL，可大大节省样品量与试剂。能够对高浓度样品进行分析，如化工、涂料等行业对燃（涂）料进行分析测量等。 图5 微量测量系统（3） 实验室常规测量系统实验室内可选用氘灯钨灯一体化光源，实现从紫外区到可见区的全谱扫描，光源自带10mm样品池，也可以配置不同的样品池实现透射、荧光等测量。接口带光纤耦合器，方便灵活（图6）。 图6 实验室测量系统（4） 表面反射测量系统主机连接表面反射探头，可测量固体表面的反射率，可测量纸张、布匹等表面的反射率。特制的光纤探头每条由7根光纤组成，中间一条为反射用，其余六芯端做光信号收集，可测量固体表面的镜面反射、漫反射及荧光等（图7）。 图7 表面反射系统总之由于便携式全谱仪及附件的使用灵活多变，可配置出不同需求的多种测量系统，为将来开发专用产品，提供了灵活的光谱仪平台。4. 仪器的规格和性能 PORS-15光谱测定仪的规格和性能如表1所示。 表1 PORS-15光谱测定仪的规格和性能光源配置会聚式钨灯，寿命5000h外置光源附件，采用透射式氘灯，氘灯和钨灯可单独控制（非标配）测定方式水质专用测试模块 光谱扫描，峰值检出定量测定时间扫描光度测量单色器凹面平场全息光栅检测器NMOS二极管阵列，1024像元测量部件浸入式光纤探头，10mm光程，无需专门的比色皿电源内置充电电池，一次充电满足全天工作配置车载电源适配器 （非标配）充电器操作系统完全嵌入式操作系统，集成2M-Flash存储器。有定时功能。输入/显示超大触摸式显示屏，320240点阵，带背光。仪器指标波长范围/ nm380800（标配，主机配置钨灯）数据分辨率/ nm0.6光谱带宽/ nm41波长准确度/ nm4200测量精密度/%2软件配制具有四项水质监测的专用软件模块存储可存储100条图谱，可使用RS232接口通过PC机进行数据处理外形尺寸21518570mm主机重量1.5kg环境温度操作环境0-50保存环境-10-605.仪器的应用5.1水环境监测为配合水环境监测，本仪器配有还配有专用软件，用作CODCr、六价铬、氨氮和氰化物的测量，并留有拓展其它项目的余地。在水环境和海水分析中测定的指标如表2和表3所示6。 表2 水环境监测指标测量项目方法来源测量准确度/%测量范围/mg/LCOD 高浓度酸性重铬酸钾消解-分光光度法1010150低浓度101501500 氨氮纳氏试剂分光光度法100.032.5 六价铬二苯碳酰二肼分光光度法80.010.6 氰化物7异烟酸-巴比妥酸分光光度法80.0010.2 5.2海水分析 表3 海水分析指标8测量项目方法来源测量准确度/%测量范围/mg/L无机磷磷钼蓝分光光度法80.051.0 氨氮次溴酸盐氧化分光光度法100.010.20亚硝酸盐盐酸萘乙二胺分光光度法80.010.20硝酸盐镉柱还原分光光度法150.020.50化学需氧量碱性高锰酸钾分光光度法151.010.0参考文献：1 范世福. 光谱技术和光谱仪器的近期进展. 现代科学仪器，2006（5）：14-192 万峰，孙宏伟，范世福. 紫外可见光谱仪色散系统小型化及固态化问题的研究. 仪器仪表学报，2006，27（1