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微型光纖光譜儀在檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)例
微型光纖光譜儀在檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)例
光譜儀器是應(yīng)用光學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)物質(zhì)的成分及結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析和測量的基本設(shè)備，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制、化學(xué)分析、食品品質(zhì)檢測、材料分析、臨床檢驗(yàn)、航空航天遙感及科學(xué)教育等領(lǐng)域。由于傳統(tǒng)的光譜儀存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用環(huán)境受限、不便攜帶及價(jià)格昂貴等不足，不能滿足現(xiàn)場檢測和實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求。因此，微型光纖光譜儀成為光譜儀器發(fā)展的一個(gè)重要的研究方向。近年來，由于光纖技術(shù)、光柵技術(shù)及陣列式探測器技術(shù)的發(fā)展和成熟，使得光譜檢測系統(tǒng)形成了光源、采樣單元及攝譜單元相分離的結(jié)構(gòu)形式，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xiàn)場檢測和實(shí)時(shí)監(jiān)控的儀器。
傳統(tǒng)的光譜儀光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需通過旋轉(zhuǎn)光柵對(duì)整個(gè)光譜進(jìn)行掃描，測量速度慢，并且對(duì)某些樣品還需經(jīng)過特定的預(yù)處理，并要放在儀器的固定樣品室內(nèi)進(jìn)行測量。與此相比，微型光纖光譜儀有很多優(yōu)點(diǎn)，如：速度快、價(jià)格低、體積小、重量輕及全譜獲取，而且通過光纖傳導(dǎo)可以脫離樣品室測量，適用于在線實(shí)時(shí)檢測[1]。
1 微型光纖光譜儀結(jié)構(gòu)
光譜儀微型化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)得益于攝譜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。光纖光譜儀生產(chǎn)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(duì)稱交叉式Czerny-Turner分光結(jié)構(gòu)，此光學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是在Czerny-Turner結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行光路的改進(jìn)，使光譜儀內(nèi)部構(gòu)件布局更緊湊，可進(jìn)一步小型化（如USB4000系列光譜儀的尺寸規(guī)格僅為89.1 mm×63.3 mm×34.4mm）。
攝譜結(jié)構(gòu)光學(xué)平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)使微型光纖光譜儀內(nèi)部無移動(dòng)部件，光學(xué)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(xué)平臺(tái)適合于震動(dòng)及窄空間等復(fù)雜的工作環(huán)境。
2 微型光纖光譜儀特點(diǎn)
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(guān)技術(shù)的發(fā)展，使微型光纖光譜儀在性能上有了很大的改進(jìn)，具有如下技術(shù)特點(diǎn)：
?、?光纖傳導(dǎo)技術(shù)：光纖技術(shù)的發(fā)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(yuǎn)距離樣品品質(zhì)監(jiān)控。由于光纖對(duì)光信號(hào)的傳輸作用，使得光譜儀可以遠(yuǎn)離外界環(huán)境的干擾，保證光譜儀的長期可靠運(yùn)行。
?、?CCD陣列探測器技術(shù)：將經(jīng)光柵分光后的作用光在探測器上同時(shí)瞬間采集，而不必移動(dòng)光柵，因此樣品光譜采集速度及快（測量時(shí)間為3.8ms~10min），并通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)輸出。
?、?光柵技術(shù)：全息光柵具有較小的雜散光，而機(jī)械刻劃光柵具有更高的反射率和靈敏度。
?、?計(jì)算機(jī)技術(shù)：電子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展極大地提高了光譜儀的智能控制和處理能力。
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