在線光譜技術應用

來源：北京愛蛙科技有限公司分類：應用方案

2024-05-14 08:00:08 89閱讀次數

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目前在線光譜分析已經以驚人的速度應用于多個領域的企業生產的多個環節，并已使得過程分析儀器領域發生了深刻變革。這種變革與在線光譜分析的獨特優點是分不開的，比如:

在線光譜分析可以對多路多組分連續同時測量，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，適合環境惡劣的場合;
在線光譜分析儀器結構相對簡單，并適合多種樣品（如液體，涂層，粉末和固體等）

這些優點對于企業原料和生產的中間環節進行快速質量控制、優化操作、穩定生產和節能降耗非常有價值。

與實驗室環境不同，工業環境在要求光譜分析系統具有足夠的靈敏度和探測限，同時對于性能穩定性，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性能。選擇合適的光譜儀對于工業在線應用十分重要。

1992年美國海洋光學公司的Mike Morris博士發明了微型光纖光譜儀，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部與外界環境隔絕，可增強對惡劣環境（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。光纖光譜儀結構緊湊，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，還包括數據采集系統和數據處理系統。光信號經入射狹縫投射到準直物鏡上，將發散光變成準平行光反射到光柵上，色散后經成像反射鏡將光譜呈在陣列接收器的接收面上，光信號被轉換成電子信號后，經模擬數字轉換，A/D放大后輸出，Z后由軟件系統控制和采集信號，進而完成各種光譜信號測量分析。這些特點對于工業在線光譜應用是極其有利的。可以說，微型光譜儀是光譜測量技術從實驗室走向工業應用的里程碑。

工業在線光譜分析系統核心為光譜儀，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，它們對于系統整體性能也有重要影響。一般在線光譜分析系統構成如下圖所示。

圖1 在線光譜分析系統組成

應用案例: 工業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，用于產品質量控制。用戶主要需求為：

系統需滿足Z快180米/分鐘的檢測速度，且具有足夠精確性。
系統能夠進行非接觸非破壞性采樣測量。
系統能直接輸出Z終結果給上位機。
系統能直接輸出顏色值，并能與用戶自己的上位機系統集成。
系統要能反映被測樣品的峰值波長、光譜等特性。
系統具備自檢和異常報警功能。
系統要能適應工廠持續噪聲，細顆粒粉塵，電磁干擾以及不穩定供電環境。
系統要能7*24連續工作，且維護方便。
系統尺寸要能兼容于空間狹小的產線。

這些需求涵蓋了性能，尺寸和環境安全性多個方面，在工業在線光譜分析應用中具有典型性。

為滿足檢測速度要求，系統單次測量周期不得大于4毫秒。為此整個系統將采用流水線并行作業方式，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。所采用的工業定制型光譜儀的Z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據接口要求，在線光譜分析系統應集成數據處理算法功能，且保證運算快速，結果準確。為此，在線光譜分析系統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據。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，光譜儀將顏色數據提交給服務器，交由服務器判斷是否需要觸發停機信號。由于本系統的規模僅需要至多兩層交換機就能連接，因此網絡的延遲時間將小于1毫秒。而經過測算，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Z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，即瑕疵點在經過探頭3.6厘米后系統會給出報警或停機信號。瑕疵點在經過數米的減速區之后，足以被減速，并停留在質量觀察板上。報警采用光譜儀與聲光報警器協同工作實現。

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。經常校準能有助于使計算的顏色結果更接近于實際結果，消除光源、環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。為消除環境光和暗噪聲的影響，需要背景光譜也參與計算。

根據上述分析結果，系統使用了對顏色測量進行特殊優化的工業定制型光譜儀。其搭載的高性能處理器和以太網接口能在測量光譜的同時直接將顏色信息提交給服務器，并由服務器根據用戶預先設置的判定規則進行報警或觸發停機，確保了整個系統的實時性和可靠性。

系統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的光譜儀和光源上。在探頭支架上還將安裝可自動旋轉的機電裝置和標準板，供定期獲取參考光譜。

系統板載處理器為定制高性能FPGA模塊，實現光譜數據到LCH顏色值的計算，并將結果上傳至上位機（主控機）。

系統的重要部件均安裝在工業級機柜內，包括光譜儀、光源、供電電源、以太網交換機、系統服務器等。光纖和各種線纜則通過上進線或側進線方式接入機柜。Z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部，并通過屏蔽雙絞線與機柜內的系統服務器連接。系統服務器和操作員工作站上會分別安裝系統軟件的服務器端和客戶端，以呈現整卷或整批薄膜產品的質量情況。

圖2 系統組成示意圖

在軟件模塊上，系統提供的定制軟件功能模塊均運行于主控機的Windows系統上，主要功能模塊如下圖所示：

調度模塊：為主程序核心，主要負責承擔各模塊之間的管理及任務調度；
通訊模塊：主要負責與工業現場總線的通訊，解析通訊命令，并通過調度模塊完成相關任務，如啟動測量過程，讀取測量數據等；
計算模塊：計算光譜數據，得到LCH顏色值；
底層驅動：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：根據測量時序、流程完成一個完整的測量流程；
數據庫：主要用于保留系統參數、測量歷史數據等信息；
用戶界面：完成用戶交互功能，主要包括系統參數配置，測量數據顯示，歷史數據瀏覽，系統功能測試等。

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指示燈可了解是否存在網絡線纜故障。軟件也能夠識別光源故障。

該案例充分體現了在線光譜分析與實驗室應用的巨大差異。工業環境下，在線光譜分析系統必須充分考慮應用環境的特殊性，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應用經驗和水平，這一點在專用的在線分析系統開發方面體現的更為明顯。

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