引言

　　隨各個(gè)行業(yè)的發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)商品的質(zhì)量指標(biāo)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(yùn)行中，需要隨時(shí)關(guān)注體系物料的變化。對(duì)于變化的運(yùn)行過(guò)程，離線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果的滯后性常迫使操作者對(duì)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(jì)量為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)質(zhì)量保證體系正在向以在線(xiàn)或現(xiàn)場(chǎng)傳感器為基礎(chǔ)的過(guò)程控制新質(zhì)量保證體系轉(zhuǎn)移。

　　目前，一般在線(xiàn)測(cè)量與控制系統(tǒng)僅限于溫度、壓力和流量等，而對(duì)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(xù)測(cè)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(biāo)參數(shù)，因此，在線(xiàn)光譜技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它是以現(xiàn)場(chǎng)狀況下基于分子水平基礎(chǔ)上的微觀物理量和微觀化學(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(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要的作用。

1. 微小型光纖光譜儀的出現(xiàn)

　　物質(zhì)發(fā)射、吸收、散射的光輻射，其頻率和強(qiáng)度與物質(zhì)的含量、成分、結(jié)構(gòu)有確定的關(guān)系，基于光譜測(cè)量而衍生出的應(yīng)用也非常廣泛，因此，科研工作者們根據(jù)應(yīng)用的需要不斷地改進(jìn)光譜儀器［1］。

　　電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使光譜儀器向著高精度、自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。許多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)庾V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(tǒng)的光譜儀，雖然精度高，但存在體積大、價(jià)格高、安裝調(diào)試?yán)щy、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(jì)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(shì)相對(duì)于聲電傳感器而言是難以比擬的。隨光通信技術(shù)對(duì)光纖的需求增長(zhǎng)，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(jié)合的微型結(jié)構(gòu)的光纖光譜儀引起了許多人的關(guān)注［6］，并在各種光譜測(cè)量及相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

　　傳統(tǒng)的光譜儀光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需通過(guò)旋轉(zhuǎn)光柵對(duì)整個(gè)光譜進(jìn)行掃描，測(cè)量速度慢，并且對(duì)某些樣品還需經(jīng)過(guò)特定的預(yù)處理手段后，放在儀器的固定樣品室內(nèi)進(jìn)行測(cè)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(tǒng)的1/1000，造價(jià)為原來(lái)的1/10），測(cè)量速度非常快，不必使用機(jī)械掃描就能獲取全譜數(shù)據(jù)，而且通過(guò)光纖的傳導(dǎo)作用，可脫離樣品室測(cè)量，適用于在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)。

　　2.1 光學(xué)平臺(tái)#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　光譜儀微型化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)得益于攝譜結(jié)構(gòu)，最初的光學(xué)平臺(tái)采用對(duì)稱(chēng)式Czerny-Turner分光結(jié)構(gòu)［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(tái)設(shè)計(jì)（圖1所示）。光信號(hào)由光纖傳導(dǎo)經(jīng)過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SMA905接口進(jìn)入光譜儀內(nèi)部，經(jīng)球面鏡準(zhǔn)直，然后由一塊平面光柵分光后，將入射光分成按一定波長(zhǎng)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(cè)器上進(jìn)行檢測(cè)。

　　圖1 對(duì)稱(chēng)式Czerny-Turner分光結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)圖

全球最大的光纖光譜生產(chǎn)商美國(guó)Ocean Optics公司的Michaeal J.Morris等人研制的微小型光纖光譜儀則使用非對(duì)稱(chēng)交叉式Czerny-Turner分光結(jié)構(gòu)（圖2所示），此光學(xué)平臺(tái)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（USB4000系列光譜儀的尺寸規(guī)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(cè)量平臺(tái)）。與對(duì)稱(chēng)式Crerny-Turner結(jié)構(gòu)相比，由于縮短了光程，使聚焦鏡投射到線(xiàn)性CCD陣列檢測(cè)器的平行排列單色光展成呈一定角度的圓弧排列，會(huì)對(duì)光信號(hào)的檢測(cè)會(huì)產(chǎn)生一定的非線(xiàn)性誤差。

　　圖2 非對(duì)稱(chēng)交叉式Czerny-Turner分光結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)圖

　　攝譜結(jié)構(gòu)的光學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)使微小型光纖光譜儀內(nèi)部無(wú)活動(dòng)構(gòu)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(tǒng)設(shè)計(jì)可適應(yīng)高震動(dòng)、狹窄空間等復(fù)雜的工況環(huán)境檢測(cè)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(cè)器、全息光柵和小型高效半導(dǎo)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］：

　?。?）光纖技術(shù)的引入，使待測(cè)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(yuǎn)離光譜儀器的樣品光譜源引到光譜儀器，以適應(yīng)被測(cè)樣品的復(fù)雜形狀和位置。由光纖引入光信號(hào)還可使儀器內(nèi)部與外界環(huán)境隔絕，可增強(qiáng)對(duì)惡劣環(huán)境（潮濕氣候、強(qiáng)電場(chǎng)干擾、腐蝕性氣體）的抵抗能力，保證了光譜儀的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，延長(zhǎng)使用壽命。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　?。?）以電荷耦合器件（CCD）陣列作為檢測(cè)器，對(duì)光譜的掃描不必移動(dòng)光柵，可進(jìn)行瞬態(tài)采集，響應(yīng)速度極快（測(cè)量時(shí)間為13～15ms），并通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)輸出。

　?。?）采用全息光柵作為分光器件，雜散光低，提高了測(cè)量精度。

　　（4）應(yīng)用計(jì)算機(jī)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(cè)量系統(tǒng)還具有模塊化的特點(diǎn)，可根據(jù)應(yīng)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(tǒng)和檢測(cè)器等），搭建光學(xué)平臺(tái)。雖然微小型光纖光譜儀的測(cè)量精度被認(rèn)為低于傳統(tǒng)的移動(dòng)光柵-光電管設(shè)計(jì)的離線(xiàn)光度計(jì)，但已達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)光譜分析的要求。

　　2.3 光纖探頭的采樣方式

　　結(jié)合光纖傳導(dǎo)技術(shù)，光纖光譜儀的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)變得十分靈活，可應(yīng)用不同類(lèi)型的附件，實(shí)現(xiàn)各種采樣方式。探頭的外面還有保護(hù)層，使之具有耐高溫和抗化學(xué)腐蝕等性能。

　　圖3為標(biāo)準(zhǔn)反射式探頭結(jié)構(gòu)圖，光纖束有7根光纖組成，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)到探頭末端，被測(cè)表面反射回來(lái)的光進(jìn)入第7根光纖把信號(hào)傳輸入光譜儀內(nèi)檢測(cè)。

　　圖3反射式光纖探頭

　　此外，對(duì)其進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)衍生出各種適應(yīng)不同檢測(cè)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(hào)進(jìn)入儀器內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)把探頭浸入或固定在液體中，可在線(xiàn)測(cè)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(qiáng)熒光信號(hào)。被測(cè)液體光程還可在0-5mm之間調(diào)節(jié)。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

由于拉曼散射信號(hào)較弱，受干擾影響大，故用于拉曼光譜測(cè)量的光纖探頭光路設(shè)計(jì)較為特別（圖5所示）。

　　圖5 拉曼光纖探頭的光路設(shè)計(jì)

　　其中的陷波濾光器的作用是，能針對(duì)性地將以激光波長(zhǎng)為中心的幾個(gè)納米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的瑞利散射光能量有效地濾除達(dá)5到6個(gè)數(shù)量級(jí)，讓該波長(zhǎng)范圍之外的光信號(hào)順利通過(guò)。這樣后面只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(gè)系統(tǒng)變得體積小而緊湊，容易整合到一起，進(jìn)而極大增強(qiáng)了穩(wěn)定性。

　　光纖探頭采樣的引入極大簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)光譜測(cè)量的光學(xué)系統(tǒng)，并且光纖的長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際情況選擇，使非接觸，遠(yuǎn)距離，實(shí)時(shí)快速的在線(xiàn)測(cè)量成為可能。目前已出現(xiàn)多種商品化的光纖探頭。