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1、工业在线光谱分析技术

目前，在线光谱分析已以惊人的速度应用于各领域企业生产的诸多方面，并在过程分析仪器领域引起了深刻的变革。 这种转变离不开在线光谱分析的独特优势，例如：

在线频谱分析可连续、同时测量多个通道和分量，速度快，精度高；

在线光谱分析仪易损坏，耗材少，维护量小；

在线频谱分析多采用光纤传输技术，适用于环境恶劣的场合；

在线光谱分析仪结构相对简单，适用于多种样品（如液体、涂料、粉末和固体等）的分析。

这些优势对于原料及生产中间环节的快速质量控制、优化操作、稳定生产、节能降耗都非常有价值。

与实验室环境不同，工业环境要求光谱分析系统具有足够的灵敏度和检出限，对性能稳定性、体积大小和抗干扰能力也有严格的要求。 光谱仪是在线光谱分析的核心模块，其性能从根本上决定了系统的性能。 选择合适的光谱仪对于工业在线应用非常重要。

1992年，美国海洋光学公司的Mike Morris博士发明了世界上第一台微型光纤光谱仪。 他把光谱仪的体积缩小了几十倍，价格也降低了十多倍。 光纤光谱仪利用光纤将样品光谱从光谱仪引导到光谱仪，以适应被测样品的复杂形状和位置。 光纤引入的光信号还可以将仪器内部与外界环境隔离，增强对恶劣环境（潮湿气候、强电场干扰、腐蚀性气体）的抵抗能力，保证仪器长期可靠运行光谱仪，延长使用寿命。 光纤光谱仪结构紧凑，由入射狭缝、准直物镜、光栅、成像镜和阵列探测器以及数据采集系统和数据处理系统组成。 光信号通过入射狭缝投射到准直物镜上，发散光被转换成准平行光在光栅上反射。 分光后，光谱通过成像镜呈现在阵列接收器的接收面上，光信号转化为电子。 信号由模拟转换为数字后，经A/D放大后输出。 最后由软件系统对信号进行控制和采集，进而完成对各种光谱信号的测量和分析。 这些特性对工业在线光谱应用极为有利。 可以说，微型光谱仪是光谱测量技术从实验室走向工业应用发展的里程碑。

工业在线光谱分析系统的核心是光谱仪，其配套部件一般包括采样附件、光源、控制软件和专用分析模型等，对系统的整体性能也有重要影响。 一般的在线频谱分析系统组成如下图所示。

图1 在线光谱分析系统组成

2. 应用案例——工业在线反射率与颜色测量

下面以一个典型案例来说明在线光谱系统设计中需要考虑的因素。 特殊的印刷用户需要快速测量薄膜材料的颜色以进行产品质量控制。 用户的主要需求是：

系统需要满足最快180m/min的检测速度，并有足够的精度。

该系统能够进行非接触式无损采样测量。

系统可以直接将最终结果输出到上位机。

该系统可直接输出色值，并可与用户自己的上位机系统集成。

系统应能反映被测样品的峰值波长、光谱等特性。

系统具有自检及异常报警功能。

系统必须能够适应工厂的连续噪音、细颗粒灰尘、电磁干扰和不稳定的供电环境。

系统必须能够7*24不间断工作，并且易于维护。

系统尺寸必须与空间有限的生产线兼容。

这些要求涵盖性能、尺寸和环境安全等多个方面，在工业在线光谱分析应用中很典型。

为满足检测速度要求，系统单次测量周期不得大于4毫秒。 为此，整个系统将采用流水线并行运行方式，确保测量速度和分辨率满足要求。 如果样品的移动速度小于180 m/min微型光纤光谱仪，将获得更高的检测分辨率，即小于12 mm。 所采用的工业定制光谱仪最小积分时间可达1毫秒，完全可以满足速度要求。

为满足用户上位机的数据接口要求，在线光谱分析系统应集成数据处理算法功能，并保证运算速度快，结果准确。 为此，在线光谱分析系统配备了高性能处理器，为了进一步提高运算速度，运算处理器直接与光谱仪模块集成在一起。 因此，在CCD检测器进行下一个周期的积分时，可以并行计算反射率数据。 两个计算周期之间没有等待的延迟时间。 光谱仪计算完成后，将颜色数据提交给服务器，服务器判断是否需要触发关机信号。 由于系统规模最多只需要连接两层交换机，网络延迟时间将小于1毫秒。 经计算，在普通计算机上进行50万次（相当于一部6000米长的电影）、100路组合逻辑判断平均仅需0.02毫秒，单次最大耗时为2毫秒. 据此计算，完成单次测量判断所需时间为12毫秒，即缺陷点通过探头3.6厘米后，系统将发出报警或停机信号。 通过数米的减速带后，缺陷点被充分减速，停留在质量观察板上。 报警由光谱仪与声光报警器协同工作实现。

对于颜色测量，必须有参考光谱和背景光谱，即反射测量的校准操作。 经常校准有助于使计算出的颜色结果更接近实际结果，消除光源、环境等因素对测量的影响。 进行校准操作时，需要在探头下方放置一块已知颜色的标准板，探头与样品的角度保持一致。 此时打开光源，确保光源强度不会使光谱仪饱和，并保存参考光谱（即各波长处的强度）。 然后关闭光源，此时光谱会反射暗噪声和环境光，此光谱也会被保存为背景光谱。 校准操作完成后，即可测量和计算样品的颜色。 颜色实际上是样品在特定波长下的光谱强度与标准品在特定波长下的光谱强度之比。 为了消除环境光和暗噪声的影响，还需要背景光谱参与计算。

根据以上分析结果，该系统采用了专为颜色测量优化的工业定制光谱仪。 其高性能处理器和以太网接口可在测量光谱的同时将颜色信息直接提交给服务器，服务器根据用户设定的判断规则进行报警或触发关机，确保实时性和可靠性整个系统性。

系统的探头支架可安装在用户指定滚轮位置的样品切线垂直方向，滚轮上安装速度编码器，获取当前检测样品的位置。 反射探头是一根Y型分叉光纤，其两端将连接到柜内的光谱仪和光源。 自动旋转机电装置和标准板也将安装在探头支架上，用于定期获取参考光谱。

系统板载处理器为定制的高性能FPGA模块，实现光谱数据对LCH色值的计算，并将结果上传至上位机（主控计算机）。

系统的重要部件安装在工业级机柜中，包括光谱仪、光源、电源、以太网交换机、系统服务器等，光纤和各种线缆通过顶入式或侧入式连接到机柜中。

最终的人机界面将安装在操作人员使用的面板上，工作站主机安装在面板内部，通过屏蔽双绞线与机柜内的系统服务器相连。 系统软件的服务器端和客户端分别安装在系统服务器和操作员工作站上，以呈现整卷或整批薄膜产品的质量。

系统组成示意图如下所示。

图2 系统组成示意图

在软件模块方面，系统提供的定制化软件功能模块均运行在上位机Windows系统上，主要功能模块如下图所示：

图3 软件功能模块

调度模块：主程序的核心，主要负责模块间的管理和任务调度；

通信模块：主要负责与工业现场总线通信，解析通信命令，通过调度模块完成相关任务，如启动测量进程，读取测量数据等；

计算模块：计算光谱数据得到LCH色值；

底层驱动：主要控制光谱仪、光源、电子快门、传输模块等硬件设备；

测量模块：按照测量顺序和过程完成一个完整的测量过程；

数据库：主要用于保留系统参数、测量历史数据等信息；

用户界面：完成用户交互功能，主要包括系统参数配置、测量数据显示、历史数据浏览、系统功能测试等。

在故障检修和运行维护方面，光源和光谱仪采用模块化安装布置，并标注通道编号，便于查找故障光源。 另外，通过交换机和光谱仪上的状态指示灯，可以知道网线是否有故障。 该软件还能够识别光源故障。

该案例充分体现了在线光谱分析与实验室应用的巨大差异。 在工业环境中，在线光谱分析系统必须充分考虑应用环境的特殊性，必须仔细评估各种影响因素。 除光谱仪外微型光纤光谱仪，测量附件的选择在很大程度上取决于光谱仪厂商的行业应用经验和水平，这在专用在线分析系统的开发中表现得更为明显。

3、更多行业在线应用案例

(1) LED芯片测试机

由于制造过程中未解决的技术难点，同一外延片在生产过程中不同位置的光电特性存在细微差异，表现出不均匀性。 在精加工电极和引脚的过程中也存在一定的缺陷。 这些缺陷会导致LED产品的发光强度和颜色变差。 如果在生产过程中继续加工有缺陷的芯片，将会导致生产过程中不必要的浪费。 因此，LED芯片测试机是LED生产过程中必不可少的环节。

LED芯片检测流程

LED芯片测试结果

微型光纤光谱仪主要以辐射光谱、发光强度、色坐标x、y和峰值波长作为测量指标。

一般检测设备只能筛选出不合格的电气特性。 将微型光纤光谱仪引入LED芯片检测后，发光检测的问题得到了很好的解决。 由于微纤维光谱仪测量每一粒颗粒需要5-6ms，比一般试验机探头的机械运动时间更快，提高了测量速度。 由于微型光纤光谱仪体积小，不会占用机器的使用空间，无需对原机器的机械结构进行大的调整。 同步触发功能，保证在检测过程中，每一粒谷物在被点亮后，都可以同时进行测量。

(2) LED光谱仪

LED制造过程是一个复杂而漫长的过程。 要想生产出性能一致、功能齐全的LED产品，LED光谱仪是LED制造过程中的最后一道工序。 方面参数经过筛选后，才能包装成产品，最终流入市场。

LED光谱仪的测量指标有发射光谱、发光强度、色坐标x、y、峰值波长。

LED光谱仪的工作流程一般包括：将待分选的LED器件排列送入振动盘上，依次进入电测、光测工位； 进入电测站后，LED通电进行电指标测试； 当移动到测光站时，LED芯片会被点亮，然后使用积分球和光谱仪测量其辐射光谱； 通过计算光度和色度参数，结合电学指标，一起进行数据分析； 然后将数据转换成指令，传送给指令模块，对不同的LED进行排序。 首台基于微型光纤光谱仪的LED光谱仪，每小时可完成5000片分选，使LED检测从随机检测进入全检时代。 随着微型光纤光谱仪性能的提升以及与配套LED光谱仪兼容性的提高，目前的LED光谱仪每小时可检测55000片，甚至更高。

LED光谱仪

LED器件送料，排列到检测位置

检测电学和发光特性，分选和分类

(3) 污染气体排放监测

微型光纤光谱仪用于监测不同气体浓度的污染物排放，包括氮氧化物、二氧化硫、臭氧、丙酮和氨气。 不同气体表现出的吸收光谱是特定的，但也有一定的相似性。 大多数气体的吸收峰都位于紫外区，所以气体的浓度是用紫外区的激发光或在紫外区有响应的光谱仪来测量的。 测试。

通常采用微型光纤光谱仪进行气体检测，所有检测设备都会放置在一辆移动检测车内，当到达目标检测位置时，设备就会竖立在相应的位置。 检测设备包括照相机、激光触发器、激发光、光谱仪和反射镜。 检测过程是通过光源发出一束激发光，照射到马路对面的反光板上。 光谱仪可以通过反射器的反射来检测气体光谱。 当汽车通过检测系统时，汽车排放的废气会与光路发生相互作用。 由于尾气中物体的浓度不同，光谱仪可以测量通过气体的光的强度，进而检测汽车排放的尾气是否超标。 .

监控系统示意图

这种废气排放监测方法之所以能够得到广泛应用，是因为微型光纤光谱仪的测量速度快。 如果被测车辆匀速通过检测系统，检测系统可以快速检测吸收光谱，并迅速输入计算机进行分析。 和存储。 微型光纤光谱仪的体积优势使其能够更好地与气体检测系统集成，方便检测车辆的运输和架设。

(4)水果分选机

吸收光谱在工业领域的应用不仅限于气体应用。 微型光纤光谱仪也应用在水果流通的分选过程中，以水果的糖分和水分含量作为测量指标，结合其他物理探头对水果进行分选。 与水果的大小相比，对于特殊人群，如糖尿病患者，糖分含量对消费者来说更为重要，可以使用近红外光谱仪来测定糖分和水分含量。

基于微型光纤光谱仪的水果分选机一般由两部分组成，一个是发射光源，另一个是检测光谱仪。 检测一般采用大功率卤钨灯，提供近红外范围内的宽光谱能量。 由于光源功率大，可以提高检测时穿透果皮的能力。 只有水果另一边的光谱仪才能获得更多更强的信号，提高信息的准确性。 在水果分选过程中，水果数量巨大，微型光纤光谱仪的检测效率恰好符合水果分选机的工作特点。

水果分选机示意图

(5)节能玻璃镀膜工艺在线监测

由于玻璃技术的发展，许多高层建筑选择使用玻璃作为外墙的建筑材料，但与传统建筑材料相比，玻璃的隔热性能有些欠缺。 要想使室内温度保持在一个稳定值，就需要对玻璃进行处理。 最常见的方法是在玻璃上镀膜，使玻璃在增强隔热性能的同时，尽可能地透过可见光。 因此，镀膜工艺的质量保证成为玻璃具有优良隔热性能的重要因素。

将多台微型光纤光谱仪与玻璃生产线集成，实时测量镀膜效果。 微型光纤光谱仪采集的测量指标，如镀膜玻璃的反射率、透射率、膜厚等数据，反馈给镀膜机，以便其在下道镀膜工序中调整镀膜工艺。 检测过程中，氘灯和卤钨灯的混合光源照射在待测样品上，部分光线会被光源同侧的光谱仪反射接收，而放在另一侧的光谱仪测量透射光谱。 因此整个检测系统可以测量反射光谱和透射光谱。 由于被测玻璃尺寸较大，为了对玻璃镀膜的均匀性进行全面测量，探头采用平移方式对整片玻璃进行扫描。 由于微型光纤光谱仪体积小，内部结构紧凑，无活动部件，可以适应高加速度和振动的环境，使微型光纤光谱仪和探头在检测过程中可以往复运动。

微型光纤光谱仪检测示意图

玻璃镀膜过程监控系统

集成平移台的微型光纤光谱仪

(6) 印刷机在线色彩监控

色彩准确度是印刷行业非常关注的一项技术指标。 由于不同纸张材质的吸水率差异和油墨的批次差异，印刷品之间会存在色差。 将微型光纤光谱仪与印刷实时色彩监控系统集成在一起尤为重要。 重要的。

印刷机上集成了反射光谱测量系统，测量印刷品校准色块的反射，并通过相应的算法将光谱数据转化为行业可接受的颜色指标。 由于纸张在印刷过程中具有快速移动的特点，为了减少测试样品在印刷过程中的振动和倾斜，常采用积分球或圆形反射镜对光源进行均匀化。 光谱仪获得的光谱数据反馈给印刷设备，以调整颜色的质量控制。

印刷机颜色监控示意图

光谱仪自带可编程逻辑电路，可将复杂的逻辑关系写入微纤维光谱仪，可直接将光谱仪与印刷设备的油控制器连接，形成在线闭环系统。