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行業(yè)動(dòng)態(tài)

HPSMA905/FSMA905/SMA905、906的發(fā)展

時(shí)間:2018-03-30 02:27:09 來(lái)源: 點(diǎn)擊:

隨各個(gè)行業(yè)的發(fā)展,對生產(chǎn)商品的質(zhì)量指標要求亦越來(lái)越高,尤其在化工、造紙、食品、制藥等過(guò)程行業(yè)的生產(chǎn)運行中,需要隨時(shí)關(guān)注體系物料的變化。對于變化的運行過(guò)程,離線(xiàn)的實(shí)驗室分析結果的滯后性常迫使操作者對實(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(xiàn)計量為基礎的傳統質(zhì)量保證體系正在向以在線(xiàn)或現場(chǎng)傳感器為基礎的過(guò)程控制新質(zhì)量保證體系轉移。
目前,一般在線(xiàn)測量與控制系統僅限于溫度、壓力和流量等,而對過(guò)程中化學(xué)成分和許多物性變量仍不能進(jìn)行有效的連續測量,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參數,因此,在線(xiàn)光譜技術(shù)應運而生,它是以現場(chǎng)狀況下基于分子水平基礎上的微觀(guān)物理量和微觀(guān)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(mén)的過(guò)程監測中發(fā)揮著(zhù)重要的作用。
1. 微小型光纖光譜儀的出現
物質(zhì)發(fā)射、吸收、散射的光輻射,其頻率和強度與物質(zhì)的含量、成分、結構有確定的關(guān)系,基于光譜測量而衍生出的應用也非常廣泛,因此,科研工作者們根據應用的需要不斷地改進(jìn)光譜儀器[1]。
電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展,使光譜儀器向著(zhù)高精度、自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。許多應用領(lǐng)域對光譜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。而傳統的光譜儀,雖然精度高,但存在體積大、價(jià)格高、安裝調試困難、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(guò)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(lèi)儀器[3-5]。
自20世紀90年代以來(lái),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)勢相對于聲電傳感器而言是難以比擬的。隨光通信技術(shù)對光纖的需求增長(cháng),開(kāi)發(fā)出低損耗的石英光纖,降低了成本,將光纖與光譜技術(shù)相結合的微型結構的光纖光譜儀引起了許多人的關(guān)注[6],并在各種光譜測量及相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛的應用,光纖光譜儀是微型光譜儀器發(fā)展的重要方向[7]。
2. 微小型光纖光譜儀的結構及特點(diǎn)
傳統的光譜儀光學(xué)系統結構復雜,需通過(guò)旋轉光柵對整個(gè)光譜進(jìn)行掃描,測量速度慢,并且對某些樣品還需經(jīng)過(guò)特定的預處理手段后,放在儀器的固定樣品室內進(jìn)行測量。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(體積只有之前系統的1/1000,造價(jià)為原來(lái)的1/10),測量速度非???,不必使用機械掃描就能獲取全譜數據,而且通過(guò)光纖的傳導作用,可脫離樣品室測量,適用于在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測。
2.1 光學(xué)平臺
光譜儀微型化設計的實(shí)現得益于攝譜結構,最初的光學(xué)平臺采用對稱(chēng)式Czerny-Turner分光結構[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)平臺設計(圖1所示)。光信號由光纖傳導經(jīng)過(guò)一個(gè)標準的SMA905接口進(jìn)入光譜儀內部,經(jīng)球面鏡準直,然后由一塊平面光柵分光后,將入射光分成按一定波長(cháng)順序排列的單色光,再由聚焦鏡聚焦到一維線(xiàn)性CCD線(xiàn)性陣列探測器上進(jìn)行檢測。
 
圖1 對稱(chēng)式Czerny-Turner分光結構光學(xué)系統圖  光譜儀內部構件布局更緊湊,可進(jìn)一步小型化(USB4000系列光譜儀的尺寸規格僅為89.1×63.3×34.4mm,可以安裝在一個(gè)小到足以放入手掌的測量平臺)。與對稱(chēng)式Crerny-Turner結構相比,由于縮短了光程,使聚焦鏡投射到線(xiàn)性CCD陣列檢測器的平行排列單色光展成呈一定角度的圓弧排列,會(huì )對光信號的檢測會(huì )產(chǎn)生一定的非線(xiàn)性誤差。
圖2 非對稱(chēng)交叉式Czerny-Turner分光結構光學(xué)系統圖  攝譜結構的光學(xué)平臺設計使微小型光纖光譜儀內部無(wú)活動(dòng)構件,光學(xué)元件都采用反射式,可在一定程度上減少像差,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)系統設計可適應高震動(dòng)、狹窄空間等復雜的工況環(huán)境檢測的需要。
2.2 儀器的特點(diǎn)
低損耗光纖、低噪聲高靈敏CCD陣列檢測器、全息光柵和小型高效半導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]:
(1)光纖技術(shù)的引入,使待測物脫離了樣品池的限制,采樣方式變得更為靈活,利用光纖探頭把遠離光譜儀器的樣品光譜源引到光譜儀器,以適應被測樣品的復雜形狀和位置。由光纖引入光信號還可使儀器內部與外界環(huán)境隔絕,可增強對惡劣環(huán)境(潮濕氣候、強電場(chǎng)干擾、腐蝕性氣體)的抵抗能力,保證了光譜儀的長(cháng)期可靠運行,延長(cháng)使用壽命。
(2)以電荷耦合器件(CCD)陣列作為檢測器,對光譜的掃描不必移動(dòng)光柵,可進(jìn)行瞬態(tài)采集,響應速度極快(測量時(shí)間為13~15ms),并通過(guò)計算機實(shí)時(shí)輸出。
(3)采用全息光柵作為分光器件,雜散光低,提高了測量精度。
(4)應用計算機技術(shù),極大地提高了光譜儀的智能化處理能力。
光纖光譜儀測量系統還具有模塊化的特點(diǎn),可根據應用的不同需要選擇組件(包括各種不同類(lèi)型的采樣光纖探頭,色散元件,聚焦光學(xué)系統和檢測器等),搭建光學(xué)平臺。雖然微小型光纖光譜儀的測量精度被認為低于傳統的移動(dòng)光柵-光電管設計的離線(xiàn)光度計,但已達到工業(yè)現場(chǎng)光譜分析的要求。
2.3 光纖探頭的采樣方式
結合光纖傳導技術(shù),光纖光譜儀的在線(xiàn)監測系統變得十分靈活,可應用不同類(lèi)型的附件,實(shí)現各種采樣方式。探頭的外面還有保護層,使之具有耐高溫和抗化學(xué)腐蝕等性能。
圖3為標準反射式探頭結構圖,光纖束有7根光纖組成,通過(guò)標準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,傳導到探頭末端,被測表面反射回來(lái)的光進(jìn)入第7根光纖把信號傳輸入光譜儀內檢測。
圖3反射式光纖探頭  此外,對其進(jìn)行特殊的設計衍生出各種適應不同檢測要求的光纖探頭。
 
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(guò)此物理間隙由底部的白色漫反射材料反射回連接到光譜儀的光纖,信號進(jìn)入儀器內進(jìn)行檢測。通過(guò)把探頭浸入或固定在液體中,可在線(xiàn)測量吸收率。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?chē)h(huán)境光進(jìn)入探頭,并屏蔽激發(fā)光來(lái)增強熒光信號。被測液體光程還可在0-5mm之間調節。
由于拉曼散射信號較弱,受干擾影響大,故用于拉曼光譜測量的光纖探頭光路設計較為特別(圖5所示)。
 
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