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北京海科思锐光电仪器有限公司
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光纤光谱仪的应用案例

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  AvaSpec-ULS2048 光纤光谱仪有极高的可性,光谱仪的光学件和底板间采用力装配,出过特序处理,因此环境温度对光谱仪影响极小,环境  温度每变 1℃仅漂移 0.1 像元;优的温度定性确保了长时间测量的精性和可重性。全适应工业测试环境;同具有功能强大、性价比高、测量精度高、测量速度快;在LED 分光机一般可 30-50K 高速分光。

          最在大控设备深圳)有限公司 LED 分光机中得到成功应用

应用案例二:光学镜片厚度检测仪

 

在光学领域中,透镜的三项基本参数是中心度、折射率曲率,其中透镜中心 工的误差影响光学系统成的重要因例如航空航天等高精度光学系统产品中,  透镜公差有着严格的要,透镜的光轴偏角偏移间隙需要根据镜头透镜 的中心度来进行精计算;因此光学透镜中心度测量是一最为重要的参数。 

透镜中心度检测是透镜生产中的一个重要环节,传统的方是采用接触式测量,这  检测 度低、耗长、容易划伤透镜并无法实实时在线测量。而另外非接触

式测量采用光学原理-差共焦原理可以避免上面的问题,其检测结果更为精。可,由   于整个系统任何运动部件非接触式测量,在检测结果性和定性方面,为出色;



由于采用了 AvaSpec-ULS2048 高速光谱仪,非常适合各光学领域透镜的中心度在线检测。



                     中心度测量原理图

系统主要由光谱仪、光源和光学探组成;光源通过模光纤进光学探,光学探  将不同波长的光聚焦透镜上不同距离处形成色,同透镜上下表面不同波长的光 自垂直产生反射光谱信号进光学探光谱仪得不同波长的离焦量;最通过  件算计算得到透镜的中心度。 


荷兰 Avantes 公司 AvaSpec-ULS2048 光谱仪已成功应用于透镜中心度测量,目前已在各大光学透镜元厂家凸透镜凹透镜进行实时在线中心度检测分检;系统主要  特点不接触镜片表面测量,杜绝动划伤镜片;同测试速度快,检测精度高,在 1 秒内实现高定重性。



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 

 

与标物比测定

 

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 

 

水平无振动场所温度:23±5℃ 

湿:60%无结露 

 

操作系统 

 

Windows XP, Windows VistaWin7 

 

软件 

 

中心度 


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下简称 CEMS广泛应用于火力发电、化工、石化、钢铁圾焚烧化、水泥等行业的各种锅炉窑炉,用于在线测工业生产过污染源的 烟气排放以及烟气脱硫脱硝系统的行和控制 

年来,吸收光谱下简称 DOAS技术 CEMS 系统逐成为主流技术路线。光纤光谱仪作为 CEMS 系统的核心部件,的主要作用是将系统中的光信号化为电信号,对光电的信号进行相关的处理后准确测量脱硝脱硫后烟气中的 SO2 

NO NO2 体的量。 

 我们重点介绍利用光纤光谱仪和 DOAS 反演气度的测试原理型测试系统结构光谱仪参数选及其对于测试系统的影响 


一、测试
原理
1.1 DOAS  


DOAS 以比-朗伯据,律描述了光中分与被吸收的光能之间的关系。由于每种每种气体,都有其特的吸收光谱特性,或者称“指纹”以可以通过  紫外-波长范围内的特征吸收结构测量出几不同体的度。型的 DOAS 仪器由连续光源灯、灯等),气室或开放,探测器组成。根据比-朗伯律:


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


                                  1 高纯氮;2 SO2 标气;3 NO 标气;4 NO2 标气;5 输气管;6 配气柜;7 质量流量控制器;
                  8 截止阀;9 混合管;10 流量显示仪;11 拌热管;12 光源模块;13 光源供电电源;14 高温试验箱;
                  15 准直透镜;16 测量池;17 聚焦透镜;18 差压计;19 温度控制仪;20 光纤;21 光谱仪;22 电脑;23 废气回收池 
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。



应用案例
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