中心議題：

• 微小型光纖光譜儀的結構及特點
• 微小型光纖光譜儀在過程監測中的應用

解決方案：

• 紫外-可見光測量的在線應用
• 近紅外光譜分析的在線應用
• 拉曼散射光譜的在線應用

隨各個行業的發展，對生產商品的質量指標要求亦越來越高
，尤其在化工、造紙、食品、製zhi藥yao等deng過guo程cheng行xing業ye的de生sheng產chan運yun行xing中zhong，需xu要yao隨sui時shi關guan注zhu體ti係xi物wu料liao的de變bian化hua。對dui於yu變bian化hua的de運yun行xing過guo程cheng，離li線xian的de實shi驗yan室shi分fen析xi結jie果guo的de滯zhi後hou性xing常chang迫po使shi操cao作zuo者zhe對dui實shi時shi情qing況kuang一yi知zhi半ban解jie就jiu做zuo出chu判pan斷duan。為wei確que保bao最zui終zhong獲huo得de合he格ge產chan品pin
，以yi離li線xian計ji量liang為wei基ji礎chu的de傳chuan統tong質zhi量liang保bao證zheng體ti係xi正zheng在zai向xiang以yi在zai線xian或huo現xian場chang傳感器為基礎的過程控製新質量保證體係轉移。
　　
目前，一般在線測量與控製係統僅限於溫度、yaliheliuliangdeng
，erduiguochengzhonghuaxuechengfenhexuduowuxingbianliangrengbunengjinxingyouxiaodelianxuceliang，zhexieteshubianliangqueshibiaozhengshengchanzhuangkuangdezhongyao，shenzhishijuedingxingdezhibiaocanshu，yinci，zaixianguangpujishuyingyunersheng，tashiyixianchangzhuangkuangxiajiyufenzishuipingjichushangdeweiguanwuliliangheweiguanhuaxueliangdeguangpuchuanganjishu，yituoyuweixiaoxingguangxianguangpuyideshiyong，zaihuagong
、製藥、輕工和高分子材料等工業部門的過程監測中發揮著重要的作用。
　　
1.微小型光纖光譜儀的出現
　　
物質發射、吸收、散射的光輻射，其頻率和強度與物質的含量、成分、結構有確定的關係，基於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光譜儀器[1]。
　　
電子技術和計算機技術的迅猛發展，使光譜儀器向著高精度
、自動化、zhinenghuadefangxiangfazhan。xuduoyingyonglingyuduiguangpuyiqitichulegenggaodeyaoqiu，jiguangpuyiqidechicundesuoxiaobitigaoqifenbianlvgengweizhongyao。erchuantongdeguangpuyi，suiranjingdugao，dancunzaitijida、價格高、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[2]。在其發展過程中，主要有采用光柵作為分光元件和以幹涉原理進行分光這兩類儀器[3-5]。
　　
自20世紀90年nian代dai以yi來lai，由you於yu光guang纖xian具ju有you很hen高gao的de傳chuan輸shu信xin息xi容rong量liang，可ke同tong時shi反fan映ying多duo維wei信xin息xi，這zhe些xie優you勢shi相xiang對dui於yu聲sheng電dian傳chuan感gan器qi而er言yan是shi難nan以yi比bi擬ni的de。隨sui光guang通tong信xin技ji術shu對dui光guang纖xian的de需xu求qiu增zeng長chang
，開kai發fa出chu低di損sun耗hao的de石shi英ying光guang纖xian，降jiang低di了le成cheng本ben，將jiang光guang纖xian與yu光guang譜pu技ji術shu相xiang結jie合he的de微wei型xing結jie構gou的de光guang纖xian光guang譜pu儀yi引yin起qi了le許xu多duo人ren的de關guan注zhu[6],並在各種光譜測量及相關領域得到廣泛的應用，光纖光譜儀是微型光譜儀器發展的重要方向[7]。
　　
2.微小型光纖光譜儀的結構及特點
　　
chuantongdeguangpuyiguangxuexitongjiegoufuza，xutongguoxuanzhuanguangzhaduizhenggeguangpujinxingsaomiao
，celiangsuduman
，bingqieduimouxieyangpinhaixujingguotedingdeyuchulishouduanhou
，fangzaiyiqidegudingyangpinshineijinxingceliang。yuzhixiangbi
，weixiaoxingguangxianguangpuyiyouhenduoyoudian
，ru：重量輕，體積小，價格低（體積隻有之前係統的1/1000，造價為原來的1/10）
，測量速度非常快，不必使用機械掃描就能獲取全譜數據，而且通過光纖的傳導作用，可脫離樣品室測量，適用於在線實時檢測。
　　
2.1光學平台
　　
光譜儀微型化設計的實現得益於攝譜結構，最初的光學平台采用對稱式Czerny-Turner分光結構[8]，荷蘭Avantes公司生產的微小型光纖光譜儀即使用了這種光學平台設計（圖1所示）。光信號由光纖傳導經過一個標準的SMA905jiekoujinruguangpuyineibu，jingqiumianjingzhunzhi，ranhouyouyikuaipingmianguangzhafenguanghou
，jiangrusheguangfenchenganyidingbochangshunxupailiededanseguang
，zaiyoujujiaojingjujiaodaoyiweixianxingCCD線性陣列探測器上進行檢測。

圖1對稱式Czerny-Turner分光結構光學係統圖
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全球最大的光纖光譜生產商美國OceanOptics公司的MichaealJ.Morris等人研製的微小型光纖光譜儀則使用非對稱交叉式Czerny-Turner分光結構（圖2所示），此光學平台的設計是在Czerny-Turner結構基礎上進行光路的改進，使光譜儀內部構件布局更緊湊，可進一步小型化(USB4000係列光譜儀的尺寸規格僅為89.1×63.3×34.4mm，可以安裝在一個小到足以放入手掌的測量平台)。與對稱式Crerny-Turner結構相比，由於縮短了光程
，使聚焦鏡投射到線性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，會對光信號的檢測會產生一定的非線性誤差。


圖2非對稱交叉式Czerny-Turner分光結構光學係統圖
　　
攝(she)譜(pu)結(jie)構(gou)的(de)光(guang)學(xue)平(ping)台(tai)設(she)計(ji)使(shi)微(wei)小(xiao)型(xing)光(guang)纖(xian)光(guang)譜(pu)儀(yi)內(nei)部(bu)無(wu)活(huo)動(dong)構(gou)件(jian)，光(guang)學(xue)元(yuan)件(jian)都(dou)采(cai)用(yong)反(fan)射(she)式(shi)，可(ke)在(zai)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)上(shang)減(jian)少(shao)像(xiang)差(cha)
，並(bing)使(shi)工(gong)作(zuo)光(guang)譜(pu)範(fan)圍(wei)不(bu)受(shou)材(cai)料(liao)影(ying)響(xiang)。儀(yi)器(qi)小(xiao)型(xing)化(hua)全(quan)固(gu)定(ding)件(jian)的(de)光(guang)學(xue)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)可(ke)適(shi)應(ying)高(gao)震(zhen)動(dong)
、狹窄空間等複雜的工況環境檢測的需要。
　　
2.2儀器的特點
　　
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[9-10]：
　　
（1）光guang纖xian技ji術shu的de引yin入ru，使shi待dai測ce物wu脫tuo離li了le樣yang品pin池chi的de限xian製zhi
，采cai樣yang方fang式shi變bian得de更geng為wei靈ling活huo，利li用yong光guang纖xian探tan頭tou把ba遠yuan離li光guang譜pu儀yi器qi的de樣yang品pin光guang譜pu源yuan引yin到dao光guang譜pu儀yi器qi
，以yi適shi應ying被bei測ce樣yang品pin的de複fu雜za形xing狀zhuang和he位wei置zhi。由you光guang纖xian引yin入ru光guang信xin號hao還hai可ke使shi儀yi器qi內nei部bu與yu外wai界jie環huan境jing隔ge絕jue，可ke增zeng強qiang對dui惡e劣lie環huan境jing（潮濕氣候、強電場幹擾、腐蝕性氣體）的抵抗能力，保證了光譜儀的長期可靠運行

，延長使用壽命。
　　
（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光柵，可進行瞬態采集，響應速度極快（測量時間為13～15ms），並通過計算機實時輸出。
　　
（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，極大地提高了光譜儀的智能化處理能力。
　　
光纖光譜儀測量係統還具有模塊化的特點

，可根據應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，聚焦光學係統和檢測器等），搭建光學平台。雖然微小型光纖光譜儀的測量精度被認為低於傳統的移動光柵-光電管設計的離線光度計
，但已達到工業現場光譜分析的要求。
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2.3光纖探頭的采樣方式
　　
結合光纖傳導技術，光纖光譜儀的在線監測係統變得十分靈活，可應用不同類型的附件,實現各種采樣方式。探頭的外麵還有保護層
，使之具有耐高溫和抗化學腐蝕等性能。
　　
圖3為標準反射式探頭結構圖，光纖束有7根光纖組成，通過標準SMA905接頭，可把光源發出的光耦合進由6根光纖組成的光纖束中，傳導到探頭末端，被測表麵反射回來的光進入第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de缺que口kou，光guang通tong過guo此ci物wu理li間jian隙xi由you底di部bu的de白bai色se漫man反fan射she材cai料liao反fan射she回hui連lian接jie到dao光guang譜pu儀yi的de光guang纖xian
，信xin號hao進jin入ru儀yi器qi內nei進jin行xing檢jian測ce。通tong過guo把ba探tan頭tou浸jin入ru或huo固gu定ding在zai液ye體ti中zhong，可ke在zai線xian測ce量liang吸xi收shou率lv。圖tu4-B是工業用熒光探頭，它在反射式探頭末端加裝特殊的附件
，變為一個45。角的前端視窗
，該附件可有效防止周圍環境光進入探頭，並屏蔽激發光來增強熒光信號。被測液體光程還可在0-5mm之間調節。
　　
由於拉曼散射信號較弱，受幹擾影響大，故用於拉曼光譜測量的光纖探頭光路設計較為特別(圖5所示)。


圖5拉曼光纖探頭的光路設計
　　
其中的陷波濾光器的作用是，能針對性地將以激光波長為中心的幾個納米的波長範圍內的瑞利散射光能量有效地濾除達5到6個數量級，讓該波長範圍之外的光信號順利通過。這樣後麵隻需再用小型光譜儀色散分出光譜，激光用20mW的小型激光器也就夠了。整個係統變得體積小而緊湊，容易整合到一起，進而極大增強了穩定性。
　　
光(guang)纖(xian)探(tan)頭(tou)采(cai)樣(yang)的(de)引(yin)入(ru)極(ji)大(da)簡(jian)化(hua)了(le)傳(chuan)統(tong)光(guang)譜(pu)測(ce)量(liang)的(de)光(guang)學(xue)係(xi)統(tong)，並(bing)且(qie)光(guang)纖(xian)的(de)長(chang)度(du)可(ke)根(gen)據(ju)實(shi)際(ji)情(qing)況(kuang)選(xuan)擇(ze)，使(shi)非(fei)接(jie)觸(chu)，遠(yuan)距(ju)離(li)
，實(shi)時(shi)快(kuai)速(su)的(de)在(zai)線(xian)測(ce)量(liang)成(cheng)為(wei)可(ke)能(neng)。目(mu)前(qian)已(yi)出(chu)現(xian)多(duo)種(zhong)商(shang)品(pin)化(hua)的(de)光(guang)纖(xian)探(tan)頭(tou)。
　　
3.微小型光纖光譜儀在過程監測中的應用
　　
suiweixiaoxingguangxianguangpuyidechuxian，guangpujishuyejinglizheyichangcongshiyanshizouxiangshengchanxianchangdegeming，yizhuanhuaweiyizhongwanquanyibeiceyangpinweizhongxinershejixianchangyiqideshiyongjishu。zaishijishengchanyingyongzhong，chuxianleziwai

、可見光、近紅外、拉曼散射和熒光分析等多個平台的在線測量係統。
　　
3.1紫外-可見光測量的在線應用
　　
可用於傳導紫外光的高質量光纖，陣列型檢測器和化學計量學算法的引入

，使經典的紫外-可見光分析技術跨過了在線測量的門檻，在工業在線監測中有著廣泛的應用。
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3.1.1紫外-可見吸收光譜的測量
　　
基於比爾-琅勃定律

，溶液或氣體中的化學成分對光的定量吸收，結合化學計量學算法對紫外光譜法數據信息的挖掘
，可對多組分混合物實現“數學分離”測定。如：ValerieFeigenbrugel等人[11]利用基於CCD陣列探測器紫外光譜技術，建立檢測丙酮、甲氨基酚、二嗪農和敵敵畏等多種殺蟲劑的摩爾吸收係數的實驗方法。RemoBucci等人[12]將紫外-可(ke)見(jian)光(guang)譜(pu)分(fen)析(xi)用(yong)於(yu)變(bian)性(xing)酒(jiu)精(jing)的(de)檢(jian)測(ce)，非(fei)常(chang)適(shi)合(he)於(yu)工(gong)業(ye)生(sheng)產(chan)中(zhong)大(da)量(liang)樣(yang)品(pin)的(de)檢(jian)測(ce)。這(zhe)些(xie)方(fang)法(fa)代(dai)替(ti)了(le)傳(chuan)統(tong)化(hua)學(xue)分(fen)離(li)測(ce)定(ding)的(de)繁(fan)瑣(suo)過(guo)程(cheng)
，作(zuo)為(wei)在(zai)線(xian)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)的(de)“軟件”部分
，適應於在線快速檢測的要求。
　　
3.1.2薄膜厚度的測量
　　
應用光的幹涉測量原理，微小型光纖光譜儀可測的薄膜厚度達到25µm，分辨率（FWHM）為1.5nm。jiangguangxianguangpuyiyuguangxiantantouzaishengchanxianshanggoujianshishiceliangxitong，keweigaojingdugongjianjiagongdexianshangzhiliangjiancehegongyedumoguochengtigongleyizhonglinghuofangbiandeceliangshouduan。
　　
3.1.3顏色測量
　　
顏色測量是基於物質生色基團在可見光範圍內（380-780nm）的基頻吸收原理
，將測量光譜轉化為CIE規定的顏色空間L*,a*和b*值表示。結合光纖光譜儀測量係統的浸入式透射探頭

、反射式探頭或積分球采樣附件，可方便完成對溶液、酒類產品、紡織品和紙張等係列產品.生產過程的顏色質量控製。
　　
3.1.4LED的分析測量
　　
結合積分球的使用，光纖光譜儀可方便快捷地測量出LED的絕對輻射量和顏色等參數，在LED生產的質量控製中有重要的應用。
　　
此外
，由可見光譜衍生出的應用也越來越多
，程誌海等人[13]利用CCD光纖光譜儀和K原子特征譜線的相對強度，實現了對煤粉火焰溫度的在線測量
，該方法具有簡單
，可靠等優點。
　　
3.2近紅外光譜分析的在線應用
　　
近紅外光譜法是20世紀90niandaiyilaifazhanzuikuai，zuiyinrenzhumudeguangpufenxijishu。yinqiyiqijiandan，fenxisudukuai，feipohuaixingheyangpinzhibeiliangxiao，buxuduiyangpinyuchuli，kezhijiejinxingceding，jihushihegeleiyangpin（液體、塗層、粉末或固體）
，在zai在zai線xian分fen析xi儀yi器qi中zhong表biao現xian突tu出chu。並bing且qie近jin紅hong外wai光guang在zai光guang纖xian中zhong幾ji乎hu無wu損sun傳chuan輸shu，結jie合he光guang纖xian技ji術shu容rong易yi實shi現xian遠yuan距ju離li多duo點dian同tong時shi測ce量liang
，適shi合he構gou建jian遠yuan離li現xian場chang的de在zai線xian監jian測ce係xi統tong
，是shi其qi它ta方fang法fa難nan以yi比bi擬ni的de。
　　
隨新型近紅外光纖光譜儀的出現和軟件的升級，近紅外光譜的應用和研究出現了新局麵，近紅外光譜在線測量分析技術在煙草[14]，製藥[15-17]
，石化[18]，造紙[19]和食品輕工[20]等領域的應用最為活躍。
　　
3.3拉曼散射光譜的在線應用
　　
拉(la)曼(man)光(guang)譜(pu)分(fen)析(xi)技(ji)術(shu)以(yi)檢(jian)測(ce)速(su)度(du)快(kuai)
，並(bing)能(neng)實(shi)時(shi)獲(huo)取(qu)詳(xiang)細(xi)的(de)化(hua)學(xue)信(xin)息(xi)等(deng)特(te)點(dian)，越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)地(di)被(bei)用(yong)於(yu)連(lian)續(xu)或(huo)間(jian)歇(xie)反(fan)應(ying)過(guo)程(cheng)控(kong)製(zhi)。光(guang)纖(xian)技(ji)術(shu)的(de)引(yin)入(ru)，使(shi)測(ce)試(shi)人(ren)員(yuan)遠(yuan)離(li)危(wei)險(xian)工(gong)作(zuo)現(xian)場(chang)
，實(shi)現(xian)遠(yuan)距(ju)離(li)取(qu)樣(yang)分(fen)析(xi)。
　　
Dao等的實驗室展示了拉曼光纖探針方法用於遠程
、在位多成分檢測多可能性[21]。Lee等人利用拉曼光譜儀在生化反應器中同時測定了葡萄糖
、醋酸纖維素、甲酸鹽和苯基丙氨酸等多組分濃度[22]。Bauer等人運用FT-Raman光譜和非接觸式光纖探針結合的測量係統，測定了苯乙烯單體在乳液聚合反應中的濃度變化情況[23]。Wenz研究了用拉曼光譜分析技術監測ABS生產的接枝共聚過程，確定了恰當的反應終點[24]。McCaffery討論了低分辨率拉曼光譜儀直接在小批量生產的間歇乳液聚合反應監測中的應用[25]。食品行業中
，拉曼光譜在糖類、蛋白質
、脂肪、維生素和色素等生產的在線快速檢測和質量控製方麵發揮著重要的作用[26]。
　　
另外，表麵增強拉曼散射（SERS）xiaoyingjidatuidonglelamanguangpujishuzaizhongduolingyudeyingyong。suijiguangjishudefazhanhejiancezhuangzhidegaijin，yongyuzaixianjiancedelamanguangpufenxijishujiangzaixiandaigongyeshengchanzhongdedaoyuelaiyueguangfandeyingyong。
　　
3.4激光測量
　　
3.4.1激光波長測量
　　
suijiguangzaigongyelingyudeguangfanyingyong

，jiguangqidebochangceliangyezhengchengweipoqiexuqiu。caiyongweixiaoxingguangxianguangpuyiduiqikejinxingjingque，kuaisudeshishijiance，zhijiehuoqudeshujuxinxibitongchangshiyongdebochangjihesaomiaoF-P腔的方法完整，即同時得出激光的絕對波長和激光光譜的形狀，而且儀器體積小巧
，可方便地集成到係統中操作[27]。
　　
3.4.1激光誘導擊穿光譜（LIBS）
　　
LIBS技術是用高能量激光光源
，在分析樣品表麵形成高強度激光光斑(等離子體)
，使樣品激發發光,光隨後通過光纖引入光譜儀的檢測係統進行分析。這種技術對材料中的絕大部分無機元素非常靈敏
，測量精度達ppm級的含量

，而且樣品可以是固態
，液態或氣態。
　　
3.5熒光分析
　　
熒光測量要求靈敏度較高的檢測器和有效的濾光器，能區分開激發光源的光合樣品發出的相對微弱的熒光。光纖光譜儀可在360-1000nm範圍內檢測溶液和粉末的表麵熒光，應用熒光分析技術還可測量樣品中氧的絕對含量，可將LED激發光源和帶有光纖熒光探頭的微小型光譜儀組成氧濃度傳感器的測量係統，根據熒光的淬滅程度與氧濃度相關的原理進行實時監測。
　　
光纖光譜儀以係統模塊化和靈活性，儀器結構緊湊，小巧
，內部無可移動部件，波長覆蓋範圍廣（190-2500nm），測量速度快（小於0.1秒）等優點，適合於工業在線監測，而且光譜儀選用低成本的通用探測器
，大幅降低使用的價格門檻。近幾年，化學計量學
、光纖和計算機技術的發展，為以光纖光譜儀為核心的在線監測係統提供了一個十分廣闊的應用空間。