圖2非對稱穿插式Czerny-Turner分光構(gòu)造光學(xué)零碎圖
攝譜構(gòu)造的光學(xué)平臺設(shè)計(jì)使微小型光纖光譜儀外部無活動構(gòu)件，光學(xué)元件都采用反射式，可在一定水平上增加像差，并使任務(wù)光譜范圍不受資料影響。儀器小型化全固定件的光學(xué)零碎設(shè)計(jì)可順應(yīng)高震動、狹隘空間等復(fù)雜的工況環(huán)境檢測的需求。
2.2儀器的特點(diǎn)
低損耗光纖、低噪聲高靈敏CCD陣列檢測器、全息光柵和小型高效半導(dǎo)體等新型光電子器件的引入，使微小型光譜儀器功能分明進(jìn)步，具有以下特點(diǎn)[9-10]：
（1）光纖技術(shù)的引入，使待測物脫離了樣品池的限制，采樣方式變得更為靈敏，應(yīng)用光纖探頭把遠(yuǎn)離光譜儀器的樣品光譜源引到光譜儀器，以順應(yīng)被測樣品的復(fù)雜外形和地位。由光纖引入光信號還可使儀器外部與外界環(huán)境隔絕，可加強(qiáng)對惡劣環(huán)境（濕潤氣候、強(qiáng)電場攪擾、腐蝕性氣體）的抵抗才能，保證了光譜儀的臨時(shí)牢靠運(yùn)轉(zhuǎn)，延伸運(yùn)用壽命。
（2）以電荷耦合器件（CCD）陣列作為檢測器，對光譜的掃描不用挪動光柵，可停止瞬態(tài)采集，呼應(yīng)速度極快（測量工夫?yàn)?3～15ms），并經(jīng)過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)輸入。
（3）采用全息光柵作為分光器件，雜散光低，進(jìn)步了測量精度。
（4）使用計(jì)算機(jī)技術(shù)，極大地進(jìn)步了光譜儀的智能化處置才能。
光纖光譜儀測量零碎還具有模塊化的特點(diǎn)，可依據(jù)使用的不同需求選擇組件（包括各種不同類型的采樣光纖探頭，色散元件，聚焦光學(xué)零碎和檢測器等），搭建光學(xué)平臺。雖然微小型光纖光譜儀的測量精度被以為低于傳統(tǒng)的挪動光柵-光電管設(shè)計(jì)的離線光度計(jì)，但已到達(dá)工業(yè)現(xiàn)場光譜剖析的要求。
2.3光纖探頭的采樣方式
結(jié)合光纖傳導(dǎo)技術(shù)，光纖光譜儀的在線監(jiān)測零碎變得非常靈敏，可使用不同類型的附件,完成各種采樣方式。探頭的里面還有維護(hù)層，使之具有耐低溫和抗化學(xué)腐蝕等功能。
圖3為規(guī)范反射式探頭構(gòu)造圖，光纖束有7根光纖組成，經(jīng)過規(guī)范SMA905接頭，可把光源收回的光耦合進(jìn)由6根光纖組成的光纖束中，傳導(dǎo)到探頭末端，被測外表反射回來的光進(jìn)入第7根光纖把信號傳輸出光譜儀內(nèi)檢測。
圖3反射式光纖探頭
此外，對其停止特殊的設(shè)計(jì)衍生出各種順應(yīng)不同檢測要求的光纖探頭。
圖4各式光纖探頭
圖4-A是透射式浸入探頭，在探頭末端有一段1mm、2.5mm或5mm的缺口，光經(jīng)過此物理間隙由底部的白色漫反射資料反射回銜接到光譜儀的光纖，信號進(jìn)入儀器內(nèi)停止檢測。經(jīng)過把探頭浸入或固定在液體中，可在線測量吸收率。圖4-B是工業(yè)用熒光探頭，它在反射式探頭末端加裝特殊的附件，變?yōu)橐粋�(gè)45。角的前端視窗，該附件可無效避免四周環(huán)境光進(jìn)入探頭，并屏蔽激起光來加強(qiáng)熒光信號。被測液體光程還可在0-5mm之間調(diào)理。
由于拉曼散射信號較弱，受攪擾影響大，故用于拉曼光譜測量的光纖探頭光路設(shè)計(jì)較為特別(圖5所示)。
圖5拉曼光纖探頭的光路設(shè)計(jì)
其中的陷波濾光器的作用是，能針對性地將以激光波長為中心的幾個(gè)納米的波長范圍內(nèi)的瑞利散射光能量無效地濾除達(dá)5到6個(gè)數(shù)量級，讓該波長范圍之外的光信號順利經(jīng)過。這樣前面只需再用小型光譜儀色散分出光譜，激光用20mW的小型激光器也就夠了。整個(gè)零碎變得體積小而緊湊，容易整合到一同，進(jìn)而極大加強(qiáng)了波動性。
光纖探頭采樣的引入極大簡化了傳統(tǒng)光譜測量的光學(xué)零碎，并且光纖的長度可依據(jù)實(shí)踐狀況選擇，使非接觸，遠(yuǎn)間隔，實(shí)時(shí)疾速的在線測量成為能夠。目前已呈現(xiàn)多種商品化的光纖探頭。
3.微小型光纖光譜儀在進(jìn)程監(jiān)測中的使用
隨著微小型光纖光譜儀的呈現(xiàn)，光譜技術(shù)也閱歷著一場從實(shí)驗(yàn)室走向消費(fèi)現(xiàn)場的反動，已轉(zhuǎn)化為一種完全以被測樣品為中心而設(shè)計(jì)現(xiàn)場儀器的適用技術(shù)。在實(shí)踐消費(fèi)使用中，呈現(xiàn)了紫外、可見光、近紅外、拉曼散射和熒光剖析等多個(gè)平臺的在線測量零碎。
3.1紫外-可見光測量的在線使用
可用于傳導(dǎo)紫外光的高質(zhì)量光纖，陣列型檢測器和化學(xué)計(jì)量學(xué)算法的引入，使經(jīng)典的紫外-可見光剖析技術(shù)跨過了在線測量的門檻，在工業(yè)在線監(jiān)測中有著普遍的使用。
3.1.1紫外-可見吸收光譜的測量
基于比爾-瑯勃定律，溶液或氣體中的化學(xué)成分對光的定量吸收，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)算法對紫外光譜法數(shù)據(jù)信息的發(fā)掘，可對多組分混合物完成“數(shù)學(xué)別離”測定。如：ValerieFeigenbrugel等人[11]應(yīng)用基于CCD陣列探測器紫外光譜技術(shù)，樹立檢測丙酮、甲氨基酚、二嗪農(nóng)和敵敵畏等多種殺蟲劑的摩爾吸收系數(shù)的實(shí)驗(yàn)辦法。RemoBucci等人[12]將紫外-可見光譜剖析用于變性酒精的檢測，十分合適于工業(yè)消費(fèi)中少量樣品的檢測。這些辦法替代了傳統(tǒng)化學(xué)別離測定的繁瑣進(jìn)程，作為在線測量零碎的“軟件”局部，順應(yīng)于在線疾速檢測的要求。
3.1.2薄膜厚度的測量
使用光的干預(yù)測量原理，微小型光纖光譜儀可測的薄膜厚度到達(dá)25µm，分辨率（FWHM）為1.5nm。將光纖光譜儀與光纖探頭在消費(fèi)線上構(gòu)建實(shí)時(shí)測量零碎，可為高精度工件加工的線上質(zhì)量監(jiān)測和工業(yè)鍍膜進(jìn)程提供了一種靈敏方便的測量手腕。
3.1.3顏色測量
顏色測量是基于物質(zhì)生色基團(tuán)在可見光范圍內(nèi)（380-780nm）的基頻吸收原理，將測量光譜轉(zhuǎn)化為CIE規(guī)則的顏色空間L*,a*和b*值表示。結(jié)合光纖光譜儀測量零碎的浸入式透射探頭、反射式探頭或積分球采樣附件，可方便完成對溶液、酒類產(chǎn)品、紡織品和紙張等系列產(chǎn)品.消費(fèi)進(jìn)程的顏色質(zhì)量控制。
3.1.4LED的剖析測量
結(jié)合積分球的運(yùn)用，光纖光譜儀可方便快捷地測量出LED的相對輻射量和顏色等參數(shù)，在LED消費(fèi)的質(zhì)量控制中有重要的使用。
此外，由可見光譜衍生出的使用也越來越多，程志海等人[13]應(yīng)用CCD光纖光譜儀和K原子特征譜線的絕對強(qiáng)度，完成了對煤粉火焰溫度的在線測量，該辦法具有復(fù)雜，牢靠等優(yōu)點(diǎn)。
3.2近紅外光譜剖析的在線使用
近紅外光譜法是20世紀(jì)90年代以來開展最快，最有目共睹的光譜剖析技術(shù)。因其儀器復(fù)雜，剖析速度快，非毀壞性和樣品制備量小，不需對樣品預(yù)處置，可間接停止測定，簡直合適各類樣品（液體、涂層、粉末或固體），在在線剖析儀器中表現(xiàn)突出。并且近紅外光在光纖中簡直無損傳輸，結(jié)合光纖技術(shù)容易完成遠(yuǎn)間隔多點(diǎn)同時(shí)測量，合適構(gòu)建遠(yuǎn)離現(xiàn)場的在線監(jiān)測零碎，是其它辦法難以比較的。
隨新型近紅外光纖光譜儀的呈現(xiàn)和軟件的晉級，近紅外光譜的使用和研討呈現(xiàn)了新場面，近紅外光譜在線測量剖析技術(shù)在煙草[14]，制藥[15-17]，石化[18]，造紙[19]和食品輕工[20]等范疇的使用最為活潑。
3.3拉曼散射光譜的在線使用
拉曼光譜剖析技術(shù)以檢測速度快，并能實(shí)時(shí)獲取詳細(xì)的化學(xué)信息等特點(diǎn)，越來越多地被用于延續(xù)或間歇反響進(jìn)程控制。光纖技術(shù)的引入，使測試人員遠(yuǎn)離風(fēng)險(xiǎn)任務(wù)現(xiàn)場，完成遠(yuǎn)間隔取樣剖析。
Dao等的實(shí)驗(yàn)室展現(xiàn)了拉曼光纖探針辦法用于近程、在位多成分檢測多能夠性[21]。Lee等人應(yīng)用拉曼光譜儀在生化反響器中同時(shí)測定了葡萄糖、醋酸纖維素、甲酸鹽和苯基丙氨酸等多組分濃度[22]。Bauer等人運(yùn)用FT-Raman光譜和非接觸式光纖探針結(jié)合的測量零碎，測定了苯乙烯單體在乳液聚合反響中的濃度變化狀況[23]。Wenz研討了用拉曼光譜剖析技術(shù)監(jiān)測ABS消費(fèi)的接枝共聚進(jìn)程，確定了恰當(dāng)?shù)姆错懫瘘c(diǎn)[24]。McCaffery討論了低分辨率拉曼光譜儀間接在小批量消費(fèi)的間歇乳液聚合反響監(jiān)測中的使用[25]。食操行業(yè)中，拉曼光譜在糖類、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素和色素等消費(fèi)的在線疾速檢測和質(zhì)量控制方面發(fā)揚(yáng)著重要的作用[26]。
另外，外表加強(qiáng)拉曼散射（SERS）效應(yīng)極大推進(jìn)了拉曼光譜技術(shù)在眾多范疇的使用。隨激光技術(shù)的開展和檢測安裝的改良，用于在線監(jiān)測的拉曼光譜剖析技術(shù)將在古代工業(yè)消費(fèi)中失掉越來越普遍的使用。
3.4激光測量
3.4.1激光波長測量
隨激光在工業(yè)范疇的普遍使用，激光器的波長測量也正成為迫切需求。采用微小型光纖光譜儀對其可停止準(zhǔn)確，疾速的實(shí)時(shí)監(jiān)測，間接獲取的數(shù)據(jù)信息比通常運(yùn)用的波長計(jì)和掃描F-P腔的辦法完好，即同時(shí)得出激光的相對波長和激光光譜的外形，而且儀器體積玲瓏，可方便地集成到零碎中操作[27]。
3.4.1激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）
LIBS技術(shù)是用高能量激光光源，在剖析樣品外表構(gòu)成高強(qiáng)度激光光斑(等離子體)，使樣品激起發(fā)光,光隨后經(jīng)過光纖引入光譜儀的檢測零碎停止剖析。這種技術(shù)對資料中的絕大局部無機(jī)元素十分靈敏，測量精度達(dá)ppm級的含量，而且樣品可以是固態(tài)，液態(tài)或氣態(tài)。
3.5熒光剖析
熒光測量要求靈敏度較高的檢測器和無效的濾光器，能區(qū)分開激起光源的光合樣品收回的絕對微弱的熒光。光纖光譜儀可在360-1000nm范圍內(nèi)檢測溶液和粉末的外表熒光，使用熒光剖析技術(shù)還可測量樣品中氧的相對含量，可將LED激起光源和帶有光纖熒光探頭的微小型光譜儀組成氧濃度傳感器的測量零碎，依據(jù)熒光的淬滅水平與氧濃度相關(guān)的原理停止實(shí)時(shí)監(jiān)測。
光纖光譜儀以零碎模塊化和靈敏性，儀器構(gòu)造緊湊，玲瓏，外部無可挪動部件，波長掩蓋范圍廣（190-2500nm），測量速度快（小于0.1秒）等優(yōu)點(diǎn)，合適于工業(yè)在線監(jiān)測，而且光譜儀選用低本錢的通用探測器，大幅降低運(yùn)用的價(jià)錢門檻。近幾年，化學(xué)計(jì)量學(xué)、光纖和計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，為以光纖光譜儀為中心的在線監(jiān)測零碎提供了一個(gè)非常寬廣的使用空間。
