微小型光纤光谱仪在过程监测中的应用(一)

　　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，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。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。

　　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］：

　　（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13～15ms），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。

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。

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。

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。

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