引言

　　隨各個(ge) 行業(ye) 的發展，對生產(chan) 商品的質量指標要求亦越來越高，尤其在化工、造紙、食品、製藥等過程行業(ye) 的生產(chan) 運行中，需要隨時關(guan) 注體(ti) 係物料的變化。對於(yu) 變化的運行過程，離線的實驗室分析結果的滯後性常迫使操作者對實時情況一知半解就做出判斷。為(wei) 確保最終獲得合格產(chan) 品，以離線計量為(wei) 基礎的傳(chuan) 統質量保證體(ti) 係正在向以在線或現場傳(chuan) 感器為(wei) 基礎的過程控製新質量保證體(ti) 係轉移。

　　目前，一般在線測量與(yu) 控製係統僅(jin) 限於(yu) 溫度、壓力和流量等，而對過程中化學成分和許多物性變量仍不能進行有效的連續測量，這些特殊變量卻是表征生產(chan) 狀況的重要，甚至是決(jue) 定性的指標參數，因此，在線光譜技術應運而生，它是以現場狀況下基於(yu) 分子水平基礎上的微觀物理量和微觀化學量的光譜傳(chuan) 感技術，依托於(yu) 微小型光纖光譜儀(yi) 的使用，在化工、製藥、輕工和高分子材料等工業(ye) 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(yi) 的出現

　　物質發射、吸收、散射的光輻射，其頻率和強度與(yu) 物質的含量、成分、結構有確定的關(guan) 係，基於(yu) 光譜測量而衍生出的應用也非常廣泛，因此，科研工作者們(men) 根據應用的需要不斷地改進光譜儀(yi) 器［1］。

　　電子技術和計算機技術的迅猛發展，使光譜儀(yi) 器向著高精度、自動化、智能化的方向發展。許多應用領域對光譜儀(yi) 器提出了更高的要求，即光譜儀(yi) 器的尺寸的縮小比提高其分辨率更為(wei) 重要。而傳(chuan) 統的光譜儀(yi) ，雖然精度高，但存在體(ti) 積大、價(jia) 格高、安裝調試困難、使用條件苛刻等不足，微小型光譜儀(yi) 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(wei) 分光元件和以幹涉原理進行分光這兩(liang) 類儀(yi) 器［3-5］。

　　自20世紀90年代以來，由於(yu) 光纖具有很高的傳(chuan) 輸信息容量，可同時反映多維信息，這些優(you) 勢相對於(yu) 聲電傳(chuan) 感器而言是難以比擬的。隨光通信技術對光纖的需求增長，開發出低損耗的石英光纖，降低了成本，將光纖與(yu) 光譜技術相結合的微型結構的光纖光譜儀(yi) 引起了許多人的關(guan) 注［6］，並在各種光譜測量及相關(guan) 領域得到廣泛的應用，光纖光譜儀(yi) 是微型光譜儀(yi) 器發展的重要方向［7］。

2. 微小型光纖光譜儀(yi) 的結構及特點

　　傳(chuan) 統的光譜儀(yi) 光學係統結構複雜，需通過旋轉光柵對整個(ge) 光譜進行掃描，測量速度慢，並且對某些樣品還需經過特定的預處理手段後，放在儀(yi) 器的固定樣品室內(nei) 進行測量。與(yu) 之相比，微小型光纖光譜儀(yi) 有很多優(you) 點，如：重量輕，體(ti) 積小，價(jia) 格低（體(ti) 積隻有之前係統的1/1000，造價(jia) 為(wei) 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(chuan) 導作用，可脫離樣品室測量，適用於(yu) 在線實時檢測。

　　2.1 光學平台#p#分頁標題#e#

　　光譜儀(yi) 微型化設計的實現得益於(yu) 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(lan) Avantes公司生產(chan) 的微小型光纖光譜儀(yi) 即使用了這種光學平台設計（圖1所示）。光信號由光纖傳(chuan) 導經過一個(ge) 標準的SMA905接口進入光譜儀(yi) 內(nei) 部，經球麵鏡準直，然後由一塊平麵光柵分光後，將入射光分成按一定波長順序排列的單色光，再由聚焦鏡聚焦到一維線性CCD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

全球最大的光纖光譜生產(chan) 商美國Ocean Optics公司的Michaeal J.Morris等人研製的微小型光纖光譜儀(yi) 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(yi) 內(nei) 部構件布局更緊湊，可進一步小型化（USB4000係列光譜儀(yi) 的尺寸規格僅(jin) 為(wei) 89.1×63.3×34.4mm，可以安裝在一個(ge) 小到足以放入手掌的測量平台）。與(yu) 對稱式Crerny-Turner結構相比，由於(yu) 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(hui) 對光信號的檢測會(hui) 產(chan) 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

　　攝譜結構的光學平台設計使微小型光纖光譜儀(yi) 內(nei) 部無活動構件，光學元件都采用反射式，可在一定程度上減少像差，並使工作光譜範圍不受材料影響。儀(yi) 器小型化全固定件的光學係統設計可適應高震動、狹窄空間等複雜的工況環境檢測的需要。

　　2.2 儀(yi) 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(ti) 等新型光電子器件的引入，使微小型光譜儀(yi) 器性能明顯提高，具有以下特點［9-10］：

　　（1）光纖技術的引入，使待測物脫離了樣品池的限製，采樣方式變得更為(wei) 靈活，利用光纖探頭把遠離光譜儀(yi) 器的樣品光譜源引到光譜儀(yi) 器，以適應被測樣品的複雜形狀和位置。由光纖引入光信號還可使儀(yi) 器內(nei) 部與(yu) 外界環境隔絕，可增強對惡劣環境（潮濕氣候、強電場幹擾、腐蝕性氣體(ti) ）的抵抗能力，保證了光譜儀(yi) 的長期可靠運行，延長使用壽命。#p#分頁標題#e#

　　（2）以電荷耦合器件（CCD）陣列作為(wei) 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(wei) 13～15ms），並通過計算機實時輸出。

　　（3）采用全息光柵作為(wei) 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(yi) 的智能化處理能力。

　　光纖光譜儀(yi) 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(yi) 的測量精度被認為(wei) 低於(yu) 傳(chuan) 統的移動光柵-光電管設計的離線光度計，但已達到工業(ye) 現場光譜分析的要求。

　　2.3 光纖探頭的采樣方式

　　結合光纖傳(chuan) 導技術，光纖光譜儀(yi) 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(wei) 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(chuan) 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(chuan) 輸入光譜儀(yi) 內(nei) 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的缺口，光通過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(yi) 的光纖，信號進入儀(yi) 器內(nei) 進行檢測。通過把探頭浸入或固定在液體(ti) 中，可在線測量吸收率。圖4-B是工業(ye) 用熒光探頭，它在反射式探頭末端加裝特殊的附件，變為(wei) 一個(ge) 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(ti) 光程還可在0-5mm之間調節。#p#分頁標題#e#

由於(yu) 拉曼散射信號較弱，受幹擾影響大，故用於(yu) 拉曼光譜測量的光纖探頭光路設計較為(wei) 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(wei) 中心的幾個(ge) 納米的波長範圍內(nei) 的瑞利散射光能量有效地濾除達5到6個(ge) 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(yi) 色散分出光譜，激光用20mW的小型激光器也就夠了。整個(ge) 係統變得體(ti) 積小而緊湊，容易整合到一起，進而極大增強了穩定性。

　　光纖探頭采樣的引入極大簡化了傳(chuan) 統光譜測量的光學係統，並且光纖的長度可根據實際情況選擇，使非接觸，遠距離，實時快速的在線測量成為(wei) 可能。目前已出現多種商品化的光纖探頭。