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微型光纖光譜儀在檢測領域中的應用實例
閱讀：435 發布時間：2020-12-2
微型光纖光譜儀在檢測領域中的應用實例
光譜儀器是應用光學技術、電子技術及計算機技術對物質的成分及結構等進行分析和測量的基本設備，廣泛應用于環境監測、工業控制、化學分析、食品品質檢測、材料分析、臨床檢驗、航空航天遙感及科學教育等領域。由于傳統的光譜儀存在著結構復雜、使用環境受限、不便攜帶及價格昂貴等不足，不能滿足現場檢測和實時監控的需求。因此，微型光纖光譜儀成為光譜儀器發展的一個重要的研究方向。近年來，由于光纖技術、光柵技術及陣列式探測器技術的發展和成熟，使得光譜檢測系統形成了光源、采樣單元及攝譜單元相分離的結構形式，整個系統結構更具模塊化，使用更加方便靈活，從而使微型光纖光譜儀成為現場檢測和實時監控的儀器。
傳統的光譜儀光學系統結構復雜，需通過旋轉光柵對整個光譜進行掃描，測量速度慢，并且對某些樣品還需經過特定的預處理，并要放在儀器的固定樣品室內進行測量。與此相比，微型光纖光譜儀有很多優點，如：速度快、價格低、體積小、重量輕及全譜獲取，而且通過光纖傳導可以脫離樣品室測量，適用于在線實時檢測[1]。
1 微型光纖光譜儀結構
光譜儀微型化設計的實現得益于攝譜結構的優化。光纖光譜儀生產商美國Ocean Optics公司的Michael J. Morris等人研制的USB系列微型光纖光譜儀使用非對稱交叉式Czerny-Turner分光結構，此光學結構的設計是在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（如USB4000系列光譜儀的尺寸規格僅為89.1 mm×63.3 mm×34.4mm）。
攝譜結構光學平臺的優化設計使微型光纖光譜儀內部無移動部件，光學元件都采用反射形式，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。微型光譜儀的固定化光學平臺適合于震動及窄空間等復雜的工作環境。
2 微型光纖光譜儀特點
低損耗光纖、高效率光柵及低噪聲高靈敏CCD陣列探測器等相關技術的發展，使微型光纖光譜儀在性能上有了很大的改進，具有如下技術特點：
⑴ 光纖傳導技術：光纖技術的發展，使待測物脫離了固定樣品池的限制，采樣方式變得更加靈活，適合于遠距離樣品品質監控。由于光纖對光信號的傳輸作用，使得光譜儀可以遠離外界環境的干擾，保證光譜儀的長期可靠運行。
⑵ CCD陣列探測器技術：將經光柵分光后的作用光在探測器上同時瞬間采集，而不必移動光柵，因此樣品光譜采集速度及快（測量時間為3.8ms~10min），并通過計算機實時輸出。
⑶ 光柵技術：全息光柵具有較小的雜散光，而機械刻劃光柵具有更高的反射率和靈敏度。
⑷ 計算機技術：電子計算技術的發展極大地提高了光譜儀的智能控制和處理能力。