UV指的是一種由200~400個同位素組成的波群，內(nèi)含多種儀器儀表及眾多的傳感器和其他器械組成。利用紫外光對特定物質(zhì)的響應(yīng)特性分析，結(jié)合光譜吸收算法，可以實現(xiàn)對特定物質(zhì)的定性定量分析，該方法具有樣品用量小，分析速度快，結(jié)果穩(wěn)定等優(yōu)點，在醫(yī)藥、衛(wèi)生、化工、食品、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。常規(guī)的UV分析儀是由薄膜光學(xué)器件，平面光柵和線陣探測器組成的。但由于紫外光的獨特性，使常規(guī)光學(xué)器件存在著紫外光譜波段反射率低的問題，同時又使平面光柵的衍射效率降低，光程增大，導(dǎo)致光強變?nèi)?，降低了光譜儀的信噪比。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對微型化紫外光譜儀進(jìn)行了大量的研究。日本HAMAMATSU公司在紫外頻段推出了TM系列，該系列采用透射式光柵和非致冷-背照式CCD圖象傳感器，具有極高的分辨率和極高的透射率，但透射式光柵的透射率和衍射效率都很低，而且很難制造。由美國海洋光學(xué)公司研制的Maya系列微型UV光譜儀，采用非對稱式光學(xué)結(jié)構(gòu)，量子轉(zhuǎn)換率可達(dá)90%，分辨率可達(dá)0.1度，非常適合于高光譜應(yīng)用。但C-T結(jié)構(gòu)對光學(xué)器件的需求越來越多，這就造成了安裝和調(diào)試的困難，而且這些產(chǎn)品價格昂貴，難以推廣。國產(chǎn)UV產(chǎn)品主要來自上海復(fù)享公司，其FX2000是UV的典型代表，但也存在光譜數(shù)據(jù)輸出不穩(wěn)定、信噪較低等缺點。采用全息凹面光柵的微型紫外光譜儀，將分光與成像結(jié)合在一起，可以有效減小系統(tǒng)像差，提高信噪比和分辨率，降低儀器成本，滿足了市場上對可在線實時監(jiān)測、便于二次開發(fā)的紫外光譜儀的要求。根據(jù)激光測光儀的特殊要求，以全息凹面光柵為核心光學(xué)器件，結(jié)合實際應(yīng)用環(huán)境，建立了紫外光譜儀的測試樣機和測試平臺，并對其進(jìn)行了性能測試和應(yīng)用試驗。
微小型傳感器UV光譜儀分析系統(tǒng)的原理與實現(xiàn)。
UV光譜系統(tǒng)的工作原理。
紫外線光譜探測技術(shù)用來測量紫外線區(qū)域的光，紫外光具有波長短、能量高的特點，當(dāng)污染物吸收光時，其分子內(nèi)的電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，所產(chǎn)生的分子吸收光譜稱為紫外吸收光譜，它是一種電子躍遷光譜，它吸收波長在200~400nm之間，由于紫外吸收光譜吸收的能量大于紅外吸收光譜，容易檢測到吸收光譜的變化，因此可用于結(jié)構(gòu)識別和定量分析。圖1顯示了紫外光譜探測技術(shù)的一般工作過程。首先利用分光計測量樣品數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)反映樣品的成分或物態(tài)信息；然后利用標(biāo)準(zhǔn)參比方法測得樣品的成分或物態(tài)信息，并將兩組測得的數(shù)據(jù)應(yīng)用相關(guān)計量建立校正模型；最后，利用未知樣品的光譜測定及建立的校正模型，快速預(yù)測分析樣品的成分或物態(tài)。
光系設(shè)計和模擬。
光譜分析儀器的核心是光學(xué)系統(tǒng)，它直接決定著分析儀器的性能。最常用于微型光譜儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)是基于C-T平面光柵和全息凹面光柵。C-T的制作成本低，結(jié)構(gòu)緊湊，但是有更多的光學(xué)裝置和更復(fù)雜的裝配工藝。它具有窄的全息凹面光柵光譜范圍，但是它的凹面光柵是分光的，成像為一體，沒有鬼線，雜散光低，信噪比高，像差小，需要的器件少，安裝方便。
這種光學(xué)系統(tǒng)主要由入射狹縫、全息凹面光柵、平面反射鏡、陣列探測器4部分組成，當(dāng)光源發(fā)射出的復(fù)合光經(jīng)入射窄縫進(jìn)入全息凹面光柵時，經(jīng)分光聚焦，不同波長的單色光經(jīng)平面反射鏡反射后，依次集中于平直的象面，最后由線陣CCD探測器獲得光譜信息。
為了減少雜散光，在探測器前及狹縫后采用限束孔技術(shù)，提高了系統(tǒng)部件的加工性能。針對儀器內(nèi)壁二次反射、儀器調(diào)節(jié)方便可靠等要求，從各個方面綜合考慮，完成了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。
關(guān)于電路設(shè)計，數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)主要包括A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA、USB2.0通道，光電檢測系統(tǒng)主要包括濱松S11151-2048線陣CCD探測器。其主要設(shè)計思想是采用USB芯片對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集控制，并將采集控制命令存入FPGA控制寄存器。FPGA根據(jù)該命令向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出相應(yīng)的控制信號，在FPGA的邏輯控制下，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并將指定信道的采樣數(shù)據(jù)存入緩存區(qū)，最后送至計算機。
系統(tǒng)的軟件部分是數(shù)據(jù)采集與分析，數(shù)據(jù)庫模塊分為五個主要模塊。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于USB2.0協(xié)議的光譜采集模塊，該模塊將硬件的光譜信號讀取到上位機上，并對讀取的光譜信號進(jìn)行平滑、濾波等基本處理；光譜標(biāo)定模塊首先實現(xiàn)峰值定位功能，然后通過讀取汞燈特征譜線的特征峰所對應(yīng)的線陣CCD探測器的每個像元，采用多項式擬合的標(biāo)定方法對紫外光譜進(jìn)行定標(biāo)；圖像顯示和數(shù)據(jù)存儲模塊主要是通過USB協(xié)議將光譜數(shù)據(jù)以字節(jié)形式傳送到上位機上，之后，為了便于用戶分析處理，還對標(biāo)定前后的光譜信息進(jìn)行了光譜顯示，并將光譜信號數(shù)據(jù)按用戶要求的格式存儲到用戶選擇的文件夾中。小型UV光譜儀是煙氣分析儀的技術(shù)核心，在線實時分析的UV光譜儀采用IV型光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，全息凹面光柵減少了光學(xué)系統(tǒng)的像差，減少了儀器體積，降低了儀器儀表及傳感器的性能，并能對200~400nm波段的光譜進(jìn)行精確測量，分辨率達(dá)到0.31nm。結(jié)果表明，所研制的紫外光譜分析儀性能穩(wěn)定，能完成差分吸收光譜技術(shù)在紫外光譜分析儀性能測試中的應(yīng)用研究。經(jīng)試驗初步驗證了紫外光譜分析儀在SO2氣體質(zhì)量濃度測試中的性能，并對數(shù)據(jù)和分析結(jié)果進(jìn)行了分析，得出了紫外光譜分析儀的各項性能指標(biāo)基本達(dá)到實用水平；但數(shù)據(jù)處理算法仍需改進(jìn)，典型的建模和光譜儀應(yīng)用場景測試是下一步工作的重點。
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