微小型光纤光谱仪在过程监测中的应用

1、 -51-微小型光纤光谱仪在过程监测中的应用 微小型光纤光谱仪在过程监测中的应用黎国梁 1,蹇华丽 2,姚志湘 3,宋光均 4(1.广西大学 化学化工学院,广西 南宁,530004;2. 华南农业大学 食品学院 广东 广州,510642;3.广西工学院 生物与化学工程系,广西 柳州,545006;4. 华南理工大学 后勤产业集团,广东 广州,510640摘 要 : 微小型光纤光谱仪成为一种新型的在线测量仪器,具有许多优点。文中主要以 Ocean Optics 公司 的光纤光谱仪为例,详细介绍了其结构和特点以及光纤光谱仪在紫外-可见光、近红外、拉曼散射和荧光 分析等多个平台的工业在线应用。关键词

2、 关键词:微小型光纤光谱仪,在线测量仪器,应用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 Uni

3、versity, 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

4、 type 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 fluorescens

5、e analysis etc.Keywords: Color measurement; On-line detecting instrument; Applications引言 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

6、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 -52- 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 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

7、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

8、 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. 2. 微小型光纤光谱仪的结构及特点 微小型光纤光谱仪的结构及特点 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

9、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

10、 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。 -53-图 1 对 称式 Czerny-Turner 分光结构光学系统 图全球 最大的光纤光谱生产商 美国 Ocean Optics 公司 的 Michaeal J.Morris 等 人 研制的微小 型光纤光谱仪 则 使用非对 称交叉式 Czerny-Turner 分光结构 (图 2所示 , 此光学平 台 的 设 计是 在 Czerny-Turner 结构基础上进行光 路 的改进,使光谱仪 内 部构件 布局 更 紧凑 , 可 进一 步

11、小型 化 (USB4000系 列 光谱仪的尺寸 规 格仅为 89.1×63.3×34.4mm, 可 以安装在一个小 到 足以 放入手 掌 的测量平 台 。与对 称式 Crerny-Turner 结构 相 比, 由 于缩 短 了光程,使 聚焦镜投 射 到 线性 CCD 阵列检 测器的平行 排列单色 光展成 呈 一定 角 度的 圆弧排列 , 会 对光 信号 的 检 测 会 产生一定 的非线性 误差 。图 2 非对 称交叉式 Czerny-Turner 分光结构光学系统 图摄 谱结构的光学平 台设 计使微小型光纤光谱仪 内 部 无活 动构件,光学元件 都 采用 反 射 式 , 可

12、 在一定程度上 减少像差 , 并 使工作光谱 范围 不 受 材料 影响 。仪器小型化 全固 定件的光学系统 设 计 可适 应高 震 动、 狭窄空间 等 复杂 的工况 环境检 测的需要。2.2 仪器的特点低损耗 光纤、 低噪声 高 灵敏CCD阵列检 测器、 全息 光栅和小型高效半 导 体等新型光电子器 件的 引入 ,使微小型光谱仪器性能 明显 提高, 具 有以下特点 9-10: -54- (1 光纤技术的 引入 ,使 待 测物 脱 离了 样 品 池 的限制,采 样 方 式 变得更为 灵活 , 利 用光 纤 探头把远 离光谱仪器的 样 品光谱 源引到 光谱仪器,以 适 应 被 测 样 品的 复杂形

13、 状和 位置 。 由 光 纤 引入 光 信号还可 使仪器 内 部与 外界环境隔绝 , 可增 强对 恶劣环境(潮湿气候 、强电场干 扰 、 腐蚀 性 气 体 的 抵抗 能力,保证了光谱仪的 长期可靠 运行, 延长 使用 寿命 。(2 以电 荷耦 合器件 (CCD阵列 作为 检 测器,对光谱的 扫描 不 必 移动光栅, 可 进行 瞬态 采 集 , 响 应 速 度 极快(测量时 间 为 1315ms , 并通 过计算机实时 输 出。(3 采用 全息 光栅作为分光器件, 杂 散光 低 ,提高了测量精度。(4 应用计算机技术, 极 大地提高了光谱仪的智能化 处 理能力。光纤光谱仪测量系统 还具 有 模块

14、 化的特点, 可 根据应用的不 同 需要 选择组 件 (包括 各 种 不 同 类型的采 样 光纤 探头 , 色 散元件, 聚焦 光学系统和 检 测器等 , 搭建 光学平 台 。虽然微小型光 纤光谱仪的测量精度 被认 为 低 于传统的移动光栅 -光电 管设 计的离线光度计, 但 已达到 工业现场 光谱分析的要求。2.3 光纤 探头 的采 样 方 式结合光纤传 导 技术,光纤光谱仪的在线监测系统变得 十 分 灵活 , 可 应用不 同 类型的 附 件 , 实现各 种 采 样 方 式 。 探头 的 外面还 有保 护层 ,使 之具 有 耐 高温和 抗 化学 腐蚀 等性能。图 3为标 准反 射 式探头 结

15、构 图 , 光纤 束 有 7根光纤 组 成, 通 过标 准 SMA905接头 , 可把 光 源 发出的光 耦 合进 由 6根光纤 组 成的光纤 束 中,传 导到探头 末端 , 被 测表 面反 射 回 来的光进 入 第 7 根光纤 把信号 传 输入 光谱仪 内检 测。图 3反 射 式 光纤 探头此 外 ,对其进行特殊的 设 计衍生出各 种适 应不 同检 测要求的光纤 探头 。 -55-图4 各 式 光纤 探头图4-A 是 透 射 式 浸 入探头 ,在 探头 末端 有一 段1mm 、 2.5mm 或 5mm 的 缺 口 ,光 通 过此物理 间 隙 由 底 部的 白 色 漫 反 射材料 反 射 回

16、连 接到 光谱仪的光纤, 信号 进 入 仪器 内 进行 检 测。 通 过 把探头 浸 入 或 固 定在 液 体中, 可 在线测量吸收率。 图4-B 是工业用 荧 光 探头 , 它在 反 射 式探头 末端加 装 特殊的 附 件, 变为一个 45。 角 的前 端视窗 , 该 附 件 可 有效 防止周 围环境 光进 入探头 , 并 屏蔽激 发 光来 增 强 荧 光 信号 。 被 测 液 体光程 还可 在 0-5mm之间 调 节 。由 于 拉曼 散射 信号 较弱 , 受 干 扰影响 大, 故 用于 拉曼 光谱测量的光纤 探头 光 路设 计 较 为特 别 (图5所示 。图5拉曼 光纤 探头 的光 路设

17、计其中的 陷 波 滤 光器的作用是, 能 针 对性地 将 以 激 光 波长 为中 心 的 几 个 纳米 的 波长范围内 的 瑞 利 散射光能量有效地 滤除 达5到6个数量 级 , 让该 波长范围之外 的光 信号顺利通 过。这 样 后 面 只 需 再 用小型光谱仪 色 散分出光谱, 激 光用 20m W 的小型 激 光器也就 够 了。 整 个系统变得体积小 而 紧凑 , 容 易 整 合 到 一 起 ,进而 极 大 增 强了 稳 定性。光纤 探头 采 样 的 引入极 大 简 化了传统光谱测量的光学系统, 并且 光纤的 长 度 可 根据实 际 情 况 选择 ,使非 接 触 , 远 距 离,实时 快速

18、 的在线测量成为 可 能。目前 已 出现多 种 商品化的光纤 探应的域领等 ，面局 新 了现 出究 研 和用 应的 谱光 外 红近 ，级 升 的件 软和 现出 的 仪谱 光纤 光 外红 近型 新随 。 的拟 比以难 法方它 其是，统 02 工轻品食和 91 纸造， 31 系 测监 线在 的 场现 离远 建 构合 适， 量测 时 同点 多离 距 远现 实易 容术 技 纤光 合结 ， 输传 损无 乎几 中 纤光 在光 外 红近 且并 。 出突 现表 中器 仪 析分 线在 在 ，） 体固 或末 粉 、层 涂、 体 液（ 品样 类各 合 适乎 几， 定 测行 进接 直 可， 理处 预品 样 对需 不，

19、 小 量备 制品 样和 性 坏破 非， 快 度速 析分 ，单 简 器 仪 其 因 。 术 技 析 分 谱 光 的 目 注 人 引 最 ， 快 最 展 发 来 以 代 年 09 纪 世 02 是 法 谱 光 外 红 近 用 应 线 在 的 析 分 谱 光 外 红 近 2.3 。点优等 靠可 ，单简 有具法 方该，量 测线 在的度 温焰火 粉煤对了 现实 ，度强 对相的 线谱征特 子 原 K 和 仪 谱 光 纤 光 DCC 用 利 人 等 海 志 程 ， 多 越 来 越 也 用 应 的 出 生 衍 谱 光 见 可 由 ， 外 此 。 用 应 的 要 重 有 中 制 控 量 质 的 产 生 DEL

20、在 ， 数 参 等 色 颜 和 量 射 辐 对 绝 的 DE L 出 量 测 地 捷 快 便 方 可 仪 谱 光 纤 光 ， 用 使 的 球 分 积 合 结 量测析分的 DEL 4.1.3 。制控 量质色 颜的程过 产生.品产列系等张纸和品织纺、品产类酒、液溶对成完便方可，件附样采球分积或头探式射反 、头探射透式入浸的统系量测仪谱光纤光合结。示表值*b 和 *a ,*L 间空色颜的定规 EIC 为化转 谱光量测将，理原收吸频基的）mn087-083（内围范光见可在团基色生质物于基是量测色颜 量测色颜 3.1.3 。段手 量测 的便方 活灵种 一了供提 程过 膜镀业 工和测 监量质上 线 的 工

21、 加 件 工 度 精 高 为 可 ， 统 系 量 测 时 实 建 构 上 线 产 生 在 头 探 纤 光 与 仪 谱 光 纤 光 将 。mn5.1 为 ）MHWF （ 率 辨 分 ，mµ 52 到 达 度 厚 膜 薄 的 测 可 仪 谱 光 纤 光 型 小 微 ， 理 原 量 测 涉 干 的 光 用 应 量测的度厚膜薄 2.1.3 。 求要的 测检速快 线在 于应适 ，分部 ”件软“ 的统 系量测 线在为 作，程过 琐 繁的 定测 离 分学 化统 传 了替 代法 方些 这 。测 检的 品 样量 大中 产生 业 工于 合适 常 非， 测检 的精 酒性变于用析分谱光见可-外紫将 人等 i

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23、列阵，纤光量质高的光外紫导传于用可 用 应 线 在 的 量 测 光 见 可- 外 紫 1.3 。统 系量测线 在的 台平个 多等析 分光荧和 射散 曼拉、 外红近 、光见可 、外紫了现出，中用应产生际实在。术技用实的器仪场现计设而心中为品样测被以全完种一为化 走 从 历 21 11 转已， 命 的 场现 产 生向 室 验实 场一 着 经 也术 技谱 光， 现 出的 仪谱 光 纤光 型小 微随 用应的中测监程过在仪谱光纤光型小微 .3 革 -56- 81 化石， 71-51 药制， 41 草烟在术 技析分量测线在谱光外红近 。头 .573-273:4(9,1002，程工密精学光.J状现展发的仪谱

24、光型微.辉一吴，挥鞠 2 .9891 ， 社 版 出 业 工 械 机: 京 北.M 学 器 仪 谱 光. 福 世 范 ， 中 林 1 献文考参 。 间空 用应的 阔广分 十个一了 供提 统系测 监线在 的心核为 仪谱 光纤光 以为， 展发的术 技 机算 计和 纤 光、 学量 计 学化 ，年 几近 。 槛门 格价 的 用使 低降 幅大 ， 器测 探用 通 的本 成低 用选 仪谱光且而，测监线在业工于合适，点优等）秒 1.0 于小（快度速量测， mn0052-091（广围范 ） 盖覆长 波 ，件 部动 移 可无 部内 ，巧 小 ，凑 紧构 结 器仪 ，性 活灵 和 化块 模统 系 以仪 谱光 纤光

25、 望展.4 望展.4 望展.4 望展.4 。测监 时实 行进理 原的关 相度浓氧 与度 程灭淬 的光荧 据根，统 系量 测的器 感传度 浓氧成组 仪 谱 光 型 小 微 的 头 探 光 荧 纤 光 有 带 和 源 光 发 激 DEL 将 可 ， 量 含 对 绝 的 氧 中 品 样 量 测 可 还 术 技 析 分光荧用应，光荧面表的末粉和液溶测检内围范 mn0001-063 在可仪谱光纤光。光荧的弱微对相 的出发 品 样合 光的 源 光发 激开 分区 能 ，器 光滤 的 效有 和器 测检 的 高较 度敏 灵 求要 量测 光荧 析 分 光 荧 5.3 。 态 气 或 态 液 ， 态 固 是 以 可

26、 品 样 且 而 ， 量 含 的 级 mpp 达 度 精 量 测 ， 敏 灵 常 非 素 元 机 无 分 部 大 绝 的 中 料 材 对 术 技 种 这 析 分 行 进 统 系 测 检 的 仪 谱 光 入 引 纤 光 过 通 后 随 光, 光 发 发 激 。 品样使，体子离等(斑光光激度强高成形面表品样析分在，源光光激量能高用是术技 SBIL ）SBIL（谱光穿击导诱光激 1.4.3 。 地 便方 可， 巧 小积 体器 仪 且而 ，状 形的 谱 光光 激和 长 波对 绝的 光激 出 得时 同即 ， 整完 法方 的腔 P-F 描 扫 和 计 长 波 的 用 使 常 通 比 息 信 据 数 的 取

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29、员人 试 测使 ，入 引 的术 技纤 光。 制 控程 过应 反 歇间 或续 连于 用被地 多 越来 越， 点 特等 息信 学化 的 细详 取获 时 实能 并， 快度 速 测检 以术 技 析分 谱光 曼拉 用 应 线 在 的 谱 光 射 散 曼 拉 3.3 。跃 活为最用 -57- 作 操中统 系到成集 用 应的 中测 监 应反 合聚 液 乳歇 间的 产生 点终 应反 的当 恰 了定 确， 程 过聚 共枝 度浓分 况 情化变度 浓的 中应反 合聚液 乳在体单 22 42 32 .061 -741:3 ,3991 ,lacimehC:B ,srotautcA dna srosneS .Jsnoit

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