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新聞動態(tài)微型光譜儀之在線光譜技術應用
1. 工業(yè)在線光譜分析技術
目前在線光譜分析已經(jīng)以驚人的速度應用于多個領域的企業(yè)生產(chǎn)的多個環(huán)節(jié)，并已使得過程分析儀器領域發(fā)生了深刻變革。這種變革與在線光譜分析的獨特優(yōu)點是分不開的，比如:
在線光譜分析可以對多路多組分連續(xù)同時測量，且速度快，準確性高;
在線光譜分析儀器易損壞和消耗品少，維護量小;
在線光譜分析多采用光纖傳輸技術，適合環(huán)境惡劣的場合;
在線光譜分析儀器結(jié)構(gòu)相對簡單，并適合多種樣品(如液體，涂層，粉末和固體等)
這些優(yōu)點對于企業(yè)原料和生產(chǎn)的中間環(huán)節(jié)進行快速質(zhì)量控制、優(yōu)化操作、穩(wěn)定生產(chǎn)和節(jié)能降耗非常有價值。
與實驗室環(huán)境不同，工業(yè)環(huán)境在要求光譜分析系統(tǒng)具有足夠的靈敏度和探測限，同時對于性能穩(wěn)定性，體積尺寸和抗干擾能力也都有嚴格要求。光譜儀是在線光譜分析的核心模塊，它的性能好壞從根本上決定了系統(tǒng)性能。選擇合適的光譜儀對于工業(yè)在線應用十分重要。
1992年美國海洋光學公司的Mike Morris博士發(fā)明了世界上第一臺微型光纖光譜儀，他將光譜儀的大小縮小了幾十倍，價格降低了十幾倍。光纖光譜儀利用光纖把遠離光譜儀器的樣品光譜引到光譜儀器，以適應被測樣品的復雜形狀和位置。由光纖引入光信號還可使儀器內(nèi)部與外界環(huán)境隔絕，可增強對惡劣環(huán)境(潮濕氣候、強電場干擾、腐蝕性氣體)的抵抗能力，保證了光譜儀的長期可靠運行，延長使用壽命。光纖光譜儀結(jié)構(gòu)緊湊，組成包括入射狹縫、準直物鏡、光柵、成像反射鏡和陣列探測器，還包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。光信號經(jīng)入射狹縫投射到準直物鏡上，將發(fā)散光變成準平行光反射到光柵上，色散后經(jīng)成像反射鏡將光譜呈在陣列接收器的接收面上，光信號被轉(zhuǎn)換成電子信號后，經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，A/D放大后輸出，最后由軟件系統(tǒng)控制和采集信號，進而完成各種光譜信號測量分析。這些特點對于工業(yè)在線光譜應用是極其有利的?？梢哉f，微型光譜儀是光譜測量技術從實驗室走向工業(yè)應用的里程碑。
工業(yè)在線光譜分析系統(tǒng)核心為光譜儀，其配套部件一般還有采樣附件，光源，控制軟件和專用分析模型，它們對于系統(tǒng)整體性能也有重要影響。一般在線光譜分析系統(tǒng)構(gòu)成如下圖所示。
圖1 在線光譜分析系統(tǒng)組成
2. 應用案例-工業(yè)在線反射率與顏色測量
下面以一個典型案例說明在線光譜系統(tǒng)設計需要考慮的因素。某特種印刷用戶需要快速測量薄膜材料顏色，用于產(chǎn)品質(zhì)量控制。用戶主要需求為：
系統(tǒng)需滿足最快180米/分鐘的檢測速度，且具有足夠精確性。
系統(tǒng)能夠進行非接觸非破壞性采樣測量。
系統(tǒng)能直接輸出最終結(jié)果給上位機。
系統(tǒng)能直接輸出顏色值，并能與用戶自己的上位機系統(tǒng)集成。
系統(tǒng)要能反映被測樣品的峰值波長、光譜等特性。
系統(tǒng)具備自檢和異常報警功能。
系統(tǒng)要能適應工廠持續(xù)噪聲，細顆粒粉塵，電磁干擾以及不穩(wěn)定供電環(huán)境。
系統(tǒng)要能7*24連續(xù)工作，且維護方便。
系統(tǒng)尺寸要能兼容于空間狹小的產(chǎn)線。
這些需求涵蓋了性能，尺寸和環(huán)境安全性多個方面，在工業(yè)在線光譜分析應用中具有典型性。
為滿足檢測速度要求，系統(tǒng)單次測量周期不得大于4毫秒。為此整個系統(tǒng)將采用流水線并行作業(yè)方式，確保測量速度和分辨率能夠滿足要求。如樣品移動速度小于180米/分鐘，則將得到更高的檢測分辨率，即小于12毫米。所采用的工業(yè)定制型光譜儀的最小積分時間可達到1毫秒，可以充分滿足速度要求。
為滿足用戶上位機數(shù)據(jù)接口要求，在線光譜分析系統(tǒng)應集成數(shù)據(jù)處理算法功能，且保證運算快速，結(jié)果準確。為此，在線光譜分析系統(tǒng)里搭載了高性能處理器，并且為了進一步提高速度，運算處理器直接與光譜儀模塊集成。從而能夠在CCD探測器進行下一周期積分時并行計算反射率數(shù)據(jù)。在前后兩個計算周期之間，沒有等待的延遲時間。在完成計算后，光譜儀將顏色數(shù)據(jù)提交給服務器，交由服務器判斷是否需要觸發(fā)停機信號。由于本系統(tǒng)的規(guī)模僅需要至多兩層交換機就能連接，因此網(wǎng)絡的延遲時間將小于1毫秒。而經(jīng)過測算，進行50萬次(相當于6000米長的薄膜)100個通道的組合邏輯判斷在普通的計算機上每次平均耗時僅0.02毫秒，單次最大耗時為2毫秒。按此測算，完成單次測量和判斷所需時間為12毫秒，即瑕疵點在經(jīng)過探頭3.6厘米后系統(tǒng)會給出報警或停機信號。瑕疵點在經(jīng)過數(shù)米的減速區(qū)之后，足以被減速，并停留在質(zhì)量觀察板上。報警采用光譜儀與聲光報警器協(xié)同工作實現(xiàn)。
對于顏色測量，必須有參考光譜和背景光譜，即對反射測量的校準操作。經(jīng)常校準能有助于使計算的顏色結(jié)果更接近于實際結(jié)果，消除光源、環(huán)境以及其他因素對測量的影響。當進行校準操作時，需將已知顏色的標準板置于探頭下方，與探頭所呈角度與樣品一致。此時打開光源，確保光源強度不會使光譜儀飽和，并保存參考光譜(即各波長上的強度)。然后關閉光源，此時光譜將反映暗噪聲和環(huán)境光，將該光譜作為背景光譜也保存下來。在完成校準操作后，即可對樣品進行顏色的測量和計算了。顏色實際上是樣品在特定波長上的光譜強度與標準板在特定波長上的光譜強度的比值。為消除環(huán)境光和暗噪聲的影響，需要背景光譜也參與計算。
根據(jù)上述分析結(jié)果，系統(tǒng)使用了對顏色測量進行特殊優(yōu)化的工業(yè)定制型光譜儀。其搭載的高性能處理器和以太網(wǎng)接口能在測量光譜的同時直接將顏色信息提交給服務器，并由服務器根據(jù)用戶預先設置的判定規(guī)則進行報警或觸發(fā)停機，確保了整個系統(tǒng)的實時性和可靠性。
系統(tǒng)的探頭支架可安裝在用戶指定滾輪位置的樣品切線垂直方向上，并在滾軸上安裝速度編碼器，以獲取當前檢測樣品的所在位置。反射式探頭為Y型分岔光纖，其兩頭將連接到機柜內(nèi)的光譜儀和光源上。在探頭支架上還將安裝可自動旋轉(zhuǎn)的機電裝置和標準板，供定期獲取參考光譜。
系統(tǒng)板載處理器為定制高性能FPGA模塊，實現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)到LCH顏色值的計算，并將結(jié)果上傳至上位機(主控機)。
系統(tǒng)的重要部件均安裝在工業(yè)級機柜內(nèi)，包括光譜儀、光源、供電電源、以太網(wǎng)交換機、系統(tǒng)服務器等。光纖和各種線纜則通過上進線或側(cè)進線方式接入機柜。
最終的人機接口將安裝在操作員使用的盤臺上，該工作站主機將安裝在盤臺內(nèi)部，并通過屏蔽雙絞線與機柜內(nèi)的系統(tǒng)服務器連接。系統(tǒng)服務器和操作員工作站上會分別安裝系統(tǒng)軟件的服務器端和客戶端，以呈現(xiàn)整卷或整批薄膜產(chǎn)品的質(zhì)量情況。
系統(tǒng)組成示意圖如下所示。
圖2 系統(tǒng)組成示意圖
在軟件模塊上，系統(tǒng)提供的定制軟件功能模塊均運行于主控機的Windows系統(tǒng)上，主要功能模塊如下圖所示：
圖3 軟件功能模塊
調(diào)度模塊：為主程序核心，主要負責承擔各模塊之間的管理及任務調(diào)度;
通訊模塊：主要負責與工業(yè)現(xiàn)場總線的通訊，解析通訊命令，并通過調(diào)度模塊完成相關任務，如啟動測量過程，讀取測量數(shù)據(jù)等;
計算模塊：計算光譜數(shù)據(jù)，得到LCH顏色值;
底層驅(qū)動：主要控制光譜儀、光源、電子快門、傳動模塊等硬件設備;
測量模塊：根據(jù)測量時序、流程完成一個完整的測量流程;
數(shù)據(jù)庫：主要用于保留系統(tǒng)參數(shù)、測量歷史數(shù)據(jù)等信息;
用戶界面：完成用戶交互功能，主要包括系統(tǒng)參數(shù)配置，測量數(shù)據(jù)顯示，歷史數(shù)據(jù)瀏覽，系統(tǒng)功能測試等。
在故障維修與運行維護方面，光源和光譜儀都采用模塊化方式安裝布置，且均對通道號進行標識，方便找到故障的光源。并且配套的通過交換機及光譜儀上的狀態(tài)指示燈可了解是否存在網(wǎng)絡線纜故障。軟件也能夠識別光源故障。
該案例充分體現(xiàn)了在線光譜分析與實驗室應用的巨大差異。工業(yè)環(huán)境下，在線光譜分析系統(tǒng)必須充分考慮應用環(huán)境的特殊性，各種影響因素都必須仔細評估。除了光譜儀，測量附件的選擇在相當大程度上取決于光譜儀廠家的行業(yè)應用經(jīng)驗和水平，這一點在專用的在線分析系統(tǒng)開發(fā)方面體現(xiàn)的更為明顯。
三、更多工業(yè)在線應用案例
?。?）LED芯片測試機
由于制作工藝存在尚未解決的技術困難，所以對于生產(chǎn)過程中同一塊外延片不同位置的光電特性是有細微差別的，呈現(xiàn)出不均勻性。在完成電極和引腳的過程中也會存在一定的瑕疵。這些缺陷會導致在LED產(chǎn)品的發(fā)光強度和顏色，在生產(chǎn)過程中如果殘次芯片繼續(xù)進行加工，會導致生產(chǎn)過程中不必要的浪費。所以LED芯片測試機是LED生產(chǎn)過程中不可或缺的一個環(huán)節(jié)。
LED芯片檢測過程
LED芯片測試結(jié)果
微型光纖光譜儀主要將輻射光譜、發(fā)光強度、色坐標x，y和峰值波長作為測量指標。
一般檢測設備只能對電氣特性不合格進行篩選，微型光纖光譜儀被引入到LED芯片檢測后，發(fā)光檢測方面問題得到了很好地解決。由于微型光纖光譜儀測量每顆晶粒的時間是5-6ms，快于一般測試機探針機械移動時間，因此測量速度提到提高。由于微型光纖光譜儀體積小，因此不會占用機臺的使用空間，不需要對原有機臺的機械結(jié)構(gòu)做出較大調(diào)整。同步觸發(fā)功能保證了在檢測過程中，能夠保證每個晶粒在點亮后的相同時間進行測量。
?。?）LED分光機
LED制造流程是復雜、漫長的一個過程，想要生產(chǎn)出性能一致，功能完整的LED產(chǎn)品，LED分光機作為LED制造流程中靠后的工序，需要對封裝后的器件根據(jù)光、色、電三方面參數(shù)進行篩選，然后才能將其包裝為產(chǎn)品，最終流入市場。
LED分光機的測量指標是發(fā)射光譜、發(fā)光強度、色坐標x，y、峰值波長。
LED分光機工作流程一般包括：待分選的LED器件會在震動盤上排列進料，依次進入電測和光測的工位;進入電測工位后，LED會被通電進行電學指標測試;當被移動到光測工位時，LED芯片會被點亮，繼而使用積分球和光譜儀測量其輻射光譜;通過計算光度學和色度學參數(shù)，并聯(lián)合電學指標，一起進行數(shù)據(jù)分析;隨后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為指令，傳輸?shù)街噶钅K，將不同LED進行分選。基于微型光纖光譜儀的第一臺LED分光機，可以完成分選5000顆/小時，使得LED檢測從抽檢進入到全檢的時代。隨著微型光纖光譜儀性能的提升以及與配套LED分光機兼容度提高，現(xiàn)在的LED分光機檢測已經(jīng)可以完成55000顆/小時，甚至更高。
LED分光機
LED器件進料、排列進入檢測位置
檢測電學和發(fā)光特性、進行分選歸類
?。?）污染氣體排放監(jiān)測
微型光纖光譜儀在污染氣體排放監(jiān)測指標是不同氣體濃度，包括氮氧化物、二氧化硫、臭氧、丙酮和氨氣等。不同氣體所表現(xiàn)出的吸收光譜具有特異性，但也有一定相同性，大部分氣體的吸收峰都位于紫外區(qū)域，所以采用在紫外區(qū)域的激發(fā)光或在紫外區(qū)域有響應的光譜儀對氣體進行濃度的測試。
通常使用微型光纖光譜儀對氣體進行檢測，會將所有檢測設備放置于一輛移動檢測車中，到達目標檢測位時，將設備架設在相應位置。檢測設備包括攝像機、激光器觸發(fā)裝置、激發(fā)光、光譜儀和反射鏡。檢測過程是通過光源發(fā)出一束激發(fā)光，照射到馬路另一邊的反射鏡，通過反射鏡反射使光譜儀能夠檢測到氣體光譜。當一輛汽車經(jīng)過檢測系統(tǒng)時，汽車排放的尾氣會和光路進行相互的作用，尾氣中的物體由于濃度的不同，光譜儀可以測量光穿過氣體的強度，就可以檢測出汽車排放的尾氣是否超標。
監(jiān)測系統(tǒng)示意圖
這種尾氣排放監(jiān)測方法之所以能夠得到廣泛應用，首先得益于微型光纖光譜儀測量速度快，若被測汽車勻速通過檢測系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)就能快速檢測出吸收光譜，并且迅速處輸入電腦進行分析和儲存。微型光纖光譜儀的體積優(yōu)勢，使其能夠與氣體檢測系統(tǒng)更好的集成到一起，方便檢測車輛進行運輸與架設。
?。?）水果分選機
吸收光譜在工業(yè)領域應用案例不僅僅局限于氣體應用，微型光纖光譜儀也被應用于水果流通的分選環(huán)節(jié)，將水果的糖分和水分作為測量指標，結(jié)合其他物理探頭對水果進行分選。相對于水果的大小，對于特殊人群，如糖尿病患者，其糖分對于消費者而言意義更為重要，使用近紅外光譜儀可以對糖分和水分的含量進行判定。
基于微型光纖光譜儀的水果分選機一般由兩部分組成，一個是發(fā)射的光源，一個是用來檢測的光譜儀。一般在檢測中會采用高功率的鹵鎢燈，提供近紅外段寬光譜的能量，由于光源的高功率也就能提升了檢測時穿透水果果皮的能力，在水果另一側(cè)的光譜儀才能夠獲得更多更強的信號，提高信息的準確性。在水果分選過程中，水果數(shù)量巨大，微型光纖光譜儀檢測的高效性正好滿足了水果分選機的工作特點。
水果分選機示意圖
（5）節(jié)能玻璃鍍膜工藝在線監(jiān)控
由于現(xiàn)在玻璃工藝技術的發(fā)展，很多高樓選擇使用玻璃作為外墻的建筑材料，但與傳統(tǒng)建筑材料相比，玻璃的隔熱性能有所欠缺。如果想使室內(nèi)溫度維持在一個穩(wěn)定值，就需要對玻璃進行處理，最常見的手段是將玻璃進行鍍膜工藝，使得玻璃能夠盡可能的透過可見光，而同時增強隔熱性能。所以鍍膜過程的質(zhì)量保證，成為了玻璃隔熱性能優(yōu)良與否的重要因素。
將多個微型光纖光譜儀與玻璃生產(chǎn)線相集成，對鍍膜的效果進行實時測量。微型光纖光譜儀所采集到測量指標，如鍍膜玻璃的反射率，透過率，膜厚數(shù)據(jù)，反饋給鍍膜機，使其在下一次鍍膜過程中對鍍膜工藝進行調(diào)整。在檢測過程中，氘燈和鹵鎢燈混合光源照射到被測樣品上，會反射一部分光，被光源同側(cè)的光譜儀接收，而另一側(cè)放置的光譜儀對透射光譜進行測量。所以整個檢測系統(tǒng)能對反射光譜和透射光譜進行測量。由于檢測的玻璃尺寸較大，所以為了對玻璃鍍膜的均勻性進行全面的測量，探頭采取平移方法掃描整塊玻璃。由于微型光纖光譜儀的體積小巧，內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，無移動部件，可以適應較高加速度和震動的環(huán)境，使得微型光纖光譜儀和探頭可以進行在檢測過程中進行往復運動。
微型光纖光譜儀檢測示意圖
玻璃鍍膜工藝監(jiān)控系統(tǒng)
微型光纖光譜儀與平移臺集成
?。?）印刷機的在線顏色監(jiān)控
顏色準確性是印刷行業(yè)重點關注的技術指標，由于不同紙張材料的吸水性差異于油墨的批次差異會導致印刷品之間存在色差，將微型光纖光譜儀與印刷實時顏色監(jiān)控系統(tǒng)相集成就顯得尤為的重要。
在印刷機上集成一個反射光譜的測量系統(tǒng)，對印刷品的校準色塊進行反射測量，并通過相應算法將光譜數(shù)據(jù)換算為行業(yè)內(nèi)能夠接受的顏色指標。由于印刷中的紙張具有快速移動的特性，所以在運用中往往會采用積分球或環(huán)形的反射鏡對光源進行勻化，從而減小檢測樣品在印刷過程中的振動與傾斜。光譜儀所得光譜數(shù)據(jù)反饋到印刷設備對顏色的品控進行調(diào)整。
印刷機顏色監(jiān)控示意圖
光譜儀自帶可編程邏輯電路，可將復雜的邏輯關系寫入微型光纖光譜儀中，可以使光譜儀直接與印刷設備油料控制器對接，產(chǎn)生在線的閉環(huán)系統(tǒng)。
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