光纤光谱仪的应用案例

光纤光谱仪通常采用光纤作为信号耦合器件，将被测光耦合到光谱仪中进行光谱分析。由于光纤的方便性，用户可以非常灵活的搭建光谱采集系统。 

光纤光谱仪的优势在于测量系统的模块化和灵活性。微型光纤光谱仪的测量速度非常快，可以用于在线分析。而且由于采用了低成本的通用探测器，降低了光谱仪的成本，从而也降低了整个测量系统的造价。光纤光谱仪检测精度高、速度快等优点，已成为光谱测量学中使用的重要测量仪器被广泛应用于农业、生物、化学、地质、食品安全、色度计算、环境检测、医药卫生、LED 检测、半导体工业、石油化工等领域。 

应用案例一：LED 分光机

 

       随着 LED 产业的快速发展，LED 的特性测量问题日益受到国际社会的关注。与白炽灯、荧光灯等传统光源相比，发光二极管（LED）具有寿命长、光效高、功耗低及便于维修等优点，因此，对 LED 性能参数的测试显得尤为重要。评价 LED 性能参数主要由LED 主波长；色坐标；光强；光亮度；色温等相关光色参数来决定 

    目前 LED 已在全球进行大面积推广，未来几年会逐步取代我们现有常规白炽灯和节能灯， 我们日常接触的 LED 一般都是以终端产品；LED 照明灯、LED 台灯、LED 交通灯、LED 隧道灯等各式各样的 LED 产品，因此面向不同的应用，会根据 LED 发光波长和光色参数去选取合适LED，这就需要对 LED 进行波长分析；LED 分光机是目前 LED 分选最有效手段。

LED 分光机即通过对LED 发出光的波长（颜色）、光强、电流电压大小进行分类筛选的机器，主要由高速光谱仪、电参量测量仪、机械传送系统三部分组成；其中高速光谱仪是LED 最为核心和关键部件；是测量 LED 波长，光强等光学参数主要部件。 

荷兰 Avantes 公 AvaSpec-ULS2048 光纤光谱仪有极高的可靠性，光谱仪的光学元件和底板间采用无应力装配，出厂前经过特殊工序处理，因此环境温度对光谱仪影响极小，环境  温度每变化 1℃仅漂移 0.1 个像元；优秀的温度稳定性确保了长时间测量的精确性和可重复性。完全适应工业测试环境；同时具有功能强大、性价比高、测量精度高、测量速度快；在LED 分光机一般可达 30-50K 高速分光。

          最早在大赢数控设备（深圳）有限公司的 LED 分光机中得到成功应用

同时由于采用了 AvaSpec-ULS2048 高速光谱仪，非常适合各种光学领域透镜的中心厚度在线检测。

                     中心厚度测量原理图

该系统主要由光谱仪、光源和光学探头组成；光源通过多模光纤进入光学探头，光学探  头将不同波长的光聚焦到透镜上不同距离处形成色散，同时在透镜上下表面不同波长的光形 成自垂直产生反射光谱信号进入光学探头传输进入光谱仪获得不同波长的离焦量；最后通过  软件算法计算得到透镜的中心厚度。 

荷兰 Avantes 公司 AvaSpec-ULS2048 光谱仪已经成功应用于透镜中心厚度测量，目前已经在各大光学透镜元件厂家的凸透镜；凹透镜进行实时在线中心厚度检测分检；该系统主要  特点不接触镜片表面测量，杜绝动作划伤镜片；同时测试速度快，检测精度高，在 1 秒内实现高稳定重复性。

检测厚度范围	0.5mm~15mm	0.1mm~0.5mm
波长范围	400~850nm	400~1000nm
相对检测误差	±2u	±1u
测定方法	与标准物比较测定
单次测量时间	﹤1s
设备重量	约 30kg（光源外置）
设备尺寸	280(W)×470(D)×591(H)mm
使用环境	水平且无振动的场所温度：23±5℃  湿度：60％以下、无结露
操作系统	Windows XP, Windows Vista，Win7
软件	中心厚度

应用案例三：CEMS 烟气连续监测系统

 

引言 

烟气排放连续监测系统（以下简称 CEMS）广泛应用于火力发电、化工、石化、钢铁、垃圾焚烧、焦化、水泥等行业的各种锅炉、窑炉，用于在线监测工业生产过程中固定污染源的 烟气排放以及指导烟气脱硫、脱硝系统的运行和控制。 

近年来，基于差分吸收光谱（以下简称 DOAS）技术的新型 CEMS 系统逐渐成为主流技术路线。光纤光谱仪作为 CEMS 系统的核心部件，它的主要作用是将系统中的光信号转化为电信号，再对光电转化后的信号进行相关的处理后可准确测量脱硝、脱硫前后烟气中的 SO2 、

NO、 NO2 等气体的含量。 

 我们重点介绍利用光纤光谱仪和 DOAS 反演气体浓度的测试原理、典型测试系统结构、光谱仪参数选择及其对于测试系统的影响。 

一、测试原理
1.1 DOAS 算法 

DOAS 以比尔-朗伯定律为依据，该定律描述了光路中分子数与被吸收的光能之间的关系。由于每种分子，每种气体，都有其独特的吸收光谱特性，或者称为“指纹”，所以可以通过  紫外-可见波长范围内的特征吸收结构同时测量出几种不同气体的浓度。典型的 DOAS 仪器由连续光源（氙灯、氘灯等），气室（或开放光路），探测器组成。根据比尔-朗伯定律：

1.2 波长选择 
DOAS 技术主要用于紫外-可见光谱区，在此波段内的气体分子吸收谱线主要是由电子跃迁引起的。NO 和 SO2 在 200-350nm 的紫外区有强烈的特征吸收带，NO2 吸收特征谱线集中在300-550nm，从图 1 中我们可以清晰地看出这三种气体的吸收带。
    

                                                                                 图 1 气体分子吸收光谱图 
二、典型 DOAS 测试系统 
典型的 DOAS 测量气体浓度系统由连续光源（氙灯、氘灯等），气室（或开放光路），探测器组成。图 2 为系统原理图：

                                         图 2 一种典型的 DOAS 测量系统原理图
本图摘自 OPSIS AB

图 3 DOAS 法烟气浓度测量试验装置示意图 
DOAS 法烟气浓度测量试验装置如图 3 所示。试验装置分成气路和光路两部分。气路部分主要由气源、配气柜、测量池和废气回收池四部分组成。光路部分主要由光源、准直/聚焦透镜、气体池、光纤光谱仪组成。高纯氮和 SO2、NO、NO2 标准气体经各自单独的管路通过质量流量控制器后进入混合管进行混合，可通过流量显示仪调节控制和显示流量。混合后的气体经伴热管进入测量池，测量池的两端用石英透镜进行密封。在测量池的出口设有热电阻对流过测量池的气体温度进行测量，同时在测量池的中部装有差压计对气体压力进行测量。测量池出来的气体最后进入废气回收池进行吸收。 
三、光谱仪选择及其对于测试结果的影响 
微型光纤光谱仪的主要性能参数有光谱范围、光谱分辨率（FWHM）、杂散光、光路稳定性、非线性效应等。 
1. 光谱范围 
根据需要分析气体的种类特征吸收谱线的范围来确定光谱仪波长范围，同时要兼顾分辨率，光谱范围越宽分辨率越低。 
1. 光谱分辨率 
光谱分辨率也称光谱带宽，通常用 nm 或 cm-1 表示。分辨率越高，分辨光谱细节的能力越强，下图是光谱仪不同分辨率下的测试结果，

图4 不同分辨率对于测试结果的影响

从图4可以看出，分辨率提高后原本不明显的特征逐渐明显，例如290nm附近的光谱凹陷。

1. 杂散光

杂散光是指光路中被探测到的所有非信号光。杂散光的存在综合影响CEMS系统的探测限、信噪比、浓度测量准确度，杂散光越小系统误差越小。

图5 杂散光对吸光度测量的影响

图5是存在0.1%杂散光时，实测吸光度偏离理论值的情况。

1. 光路稳定性

光路稳定性主要指由于温度、外力加速度引起的光学平台形变而导致的波长和幅度漂移。光路稳定性对浓度测量结果产生较大影响，AvaSpec-ULS系列光谱仪大大降低杂散光并提高了机械和温度稳定性，具有一个双内置模式消除器和多阶复合抛物面镜，机械强度提高10倍。

1. 非线性

非线性定义为光谱仪测量实际幅值与理论幅值的比值。作为系统误差，非线性效应在测量吸光度时会影响曲线的形状、数值以及各个区间的比例。

四、结论

紫外差分光谱法对于湿法脱硫、脱硝工艺的烟气连续排放系统具有先天的优势，国内基于DOAS算法商用CEMS系统根据不同需求和应用环境正在不断改进和升级。微型光纤光谱仪具有低成本、体积小，无扫描器件，坚固稳定等优点，是CEMS系统光谱探测器的理想选择。