光譜技術(shù)正在經(jīng)歷一場(chǎng)革命，從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)場(chǎng)(生產(chǎn)線，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)和自然環(huán)境)。以往絕大部分光譜儀器都局限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，將采來(lái)的樣品經(jīng)過(guò)切割、粉碎、壓片、研磨、溶解、稀釋、萃取或化學(xué)反應(yīng)等處理手段后放在儀器的固定樣品室內(nèi)進(jìn)行測(cè)量分析。由于這些光譜儀器龐大笨重，很難到現(xiàn)場(chǎng)去工作。但是每個(gè)工業(yè)部門(mén)都面臨不斷改進(jìn)質(zhì)量的要求，這主要表現(xiàn)在以離線計(jì)量為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)質(zhì)量保證體系正在向以在線或現(xiàn)場(chǎng)傳感器為基礎(chǔ)的過(guò)程控制新質(zhì)量保證體系轉(zhuǎn)移。在流程工業(yè)的過(guò)程控制中，目前能在線測(cè)量與控制的變量于溫度、壓力和流量等，而對(duì)過(guò)程中化學(xué)成分和許多物性變量仍不能進(jìn)行有效的連續(xù)測(cè)量，而這些特殊變量卻是表征生產(chǎn)狀況的重要甚是決定性的指標(biāo)參數(shù)，因而嚴(yán)重影響了工業(yè)產(chǎn)品成品的產(chǎn)率和質(zhì)量的及時(shí)監(jiān)測(cè)；在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，反映環(huán)境變化的關(guān)鍵性變量的連續(xù)測(cè)量也是很困難的。
因此，在線光譜技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它正是在線或現(xiàn)場(chǎng)狀況下基于分子水平基礎(chǔ)上的微觀物理量和微觀化學(xué)量的光譜傳感技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于化工、制藥、輕工和半導(dǎo)體等工業(yè)部門(mén)的過(guò)程監(jiān)測(cè)，化學(xué)分析，色度和照度控制，環(huán)境保護(hù)，生物和醫(yī)學(xué)研究，農(nóng)業(yè)和林業(yè)，海洋和礦業(yè)，防偽和安全保證系統(tǒng)以及軍事部門(mén)等等。
原理介紹
在線光譜技術(shù)是一項(xiàng)新興的技術(shù)。因?yàn)樗膽?yīng)用對(duì)象和條件與傳統(tǒng)光譜技術(shù)不同，也就決定了它具有自己的技術(shù)特征：針對(duì)性、協(xié)調(diào)性和綜合性。針對(duì)不同的分析對(duì)象、條件和要求就需要選擇諸如吸收、反射、熒光、拉曼等光譜方法中適用的光譜手段、相應(yīng)的采樣方式和技術(shù)指標(biāo)適中的元件設(shè)備。在線光譜測(cè)量必須與生產(chǎn)流程相協(xié)調(diào)，不干擾生產(chǎn)流程正常進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、測(cè)量、控制與優(yōu)化相融合，形成一個(gè)有機(jī)的整體，即智能型生產(chǎn)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)和自然環(huán)境也有類似的非破壞性測(cè)量的要求。由于現(xiàn)場(chǎng)條件的多樣性，測(cè)量對(duì)象的復(fù)雜性，過(guò)程的進(jìn)行性，這就需要綜合運(yùn)用多項(xiàng)技術(shù)靈活解決各種實(shí)際問(wèn)題。
傳統(tǒng)光譜技術(shù)是以光譜儀為中心考慮問(wèn)題、解決問(wèn)題的技術(shù)。在線光譜技術(shù)則*相反，是*以被測(cè)樣品為中心考慮問(wèn)題、解決問(wèn)題的技術(shù)。由此，帶來(lái)了在線光譜儀器設(shè)備設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的變化：
1.采用柔性光纖采光技術(shù)，以適應(yīng)被測(cè)樣品的復(fù)雜形狀和位置；
2.采用小型化全固定件光學(xué)設(shè)計(jì)，以適應(yīng)高震動(dòng)、狹窄空間等復(fù)雜的工況環(huán)境檢測(cè)的需要；
3.采用低能耗便攜技術(shù)，以適應(yīng)戶外(野外)環(huán)境檢測(cè)的需要；
4.采用遙控光電傳感技術(shù)，以適應(yīng)腐蝕、污染、有毒等惡劣環(huán)境檢測(cè)的需要；
5.采用新型的傳感器-多道電荷耦合光電器件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的高速化。
因此，在線光譜技術(shù)是一項(xiàng)綜合性高技術(shù)。
在線光譜技術(shù)包括：系列在線光譜儀設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，采樣與樣品預(yù)處理技術(shù)，光譜分析軟件和模型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。
在線光譜儀主要技術(shù)指標(biāo)：
·波長(zhǎng)范圍：200nm-1000nm(可擴(kuò)展3400nm)(50000cm-1～10000cm-1)
·光譜儀焦距長(zhǎng)度：42，65，100，133，150，220，300mm任選
·光譜分辨率：0.5-5nm(因設(shè)計(jì)方案而異)
·光源：可提供各種用于吸收、反射、熒光和拉曼等光譜測(cè)量適用的光源
·探頭：備有適應(yīng)不同光譜方法的采樣頭，任選
·多模光纖：芯徑50，100，200，400μm，可互換(包括集束光纖)，長(zhǎng)度可大于100米
·CCD檢測(cè)器動(dòng)態(tài)范圍：3000 : 1 — 20000 : 1任選
·CCD檢測(cè)器積分時(shí)間：10ms-100s
·輸出：輸出已數(shù)字化，可與各種協(xié)議總線掛接，或經(jīng)串口直接接入計(jì)算機(jī)
·譜儀控制：譜儀控制全部智能化，接口協(xié)議公開(kāi)，提供開(kāi)發(fā)軟件包，方便用戶進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。
·軟件：Windows 95平臺(tái)實(shí)時(shí)采樣、繪圖和分析軟件包(自有知識(shí)產(chǎn)權(quán))，還可另外提供非線性回歸和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)光譜數(shù)據(jù)處理軟件包(上圖為化學(xué)流程成份實(shí)時(shí)測(cè)試軟件界面)。
應(yīng)用
在線光譜儀系統(tǒng)(包括各種二次開(kāi)發(fā)的檢測(cè)儀器)應(yīng)用廣泛，幾乎可以囊括全部的國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，下面分具體領(lǐng)域舉例介紹：
1、石油勘探、石油化工：
例一：某石油化工廠，應(yīng)用小型快速化學(xué)反應(yīng)光譜檢測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)聚醚多元醇(高聚物)試驗(yàn)流程(產(chǎn)品試制)中的化學(xué)成分變化情況，用以篩選控制參數(shù)，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)聚醚多元醇的伯仲羥基比值測(cè)定，提高了產(chǎn)品的成品率。
例二：某油田地質(zhì)錄井公司在石油鉆井工程中需要快速原位(現(xiàn)場(chǎng))監(jiān)測(cè)鉆井循環(huán)泥漿、巖屑的紫外受激熒光特點(diǎn)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)地下含油層或指導(dǎo)鉆井工作進(jìn)程，經(jīng)濟(jì)意義巨大。
例三：油田采油作業(yè)區(qū)的井口采油集輸站需要在線監(jiān)測(cè)井下原油采出液的含水量、含油量、含氣量、多種離子含量等參數(shù)，用來(lái)判斷井下油層參數(shù)，以及時(shí)調(diào)整休井時(shí)間和井下注水量，如延誤監(jiān)測(cè)造成油井地質(zhì)報(bào)廢，經(jīng)濟(jì)損失難以估量(1個(gè)集輸站通常控制數(shù)十口油井，單口油井經(jīng)濟(jì)價(jià)值在數(shù)百萬(wàn)數(shù)億元)。
例四：某天然氣化工企業(yè)從成份復(fù)雜的液化氣中提純特殊結(jié)構(gòu)的六碳烴以生產(chǎn)榨油(大豆油)工業(yè)所需的豆粕油，但是產(chǎn)品的純度監(jiān)測(cè)在生產(chǎn)流程中難以靠傳統(tǒng)的廠內(nèi)品管室用離線的取樣化驗(yàn)方法完成，急需可靠的在線監(jiān)測(cè)方法。
例五：汽油的辛烷值是表征汽油品質(zhì)的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)測(cè)試方法是用內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行點(diǎn)火測(cè)試(馬達(dá)法)，費(fèi)時(shí)(數(shù)小時(shí)/樣品)費(fèi)物(需要樣品較多)，而利用在線光譜技術(shù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)后，測(cè)試工作瞬間完成，而且需要樣品很少(幾毫升)，測(cè)試結(jié)果既經(jīng)濟(jì)又快速準(zhǔn)確。
2、資源調(diào)查、礦業(yè)、冶金：
例一：野外地質(zhì)隊(duì)在礦產(chǎn)勘察工作中發(fā)現(xiàn)了可能有價(jià)值的礦點(diǎn)時(shí)，目前只能采集礦物標(biāo)本回到基地后在進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)定，野外標(biāo)本的重荷造成地質(zhì)隊(duì)員只能采集少量標(biāo)本，不能長(zhǎng)途跋涉，影響全面的地質(zhì)考察評(píng)價(jià)，有了方便的礦物光譜鑒別儀器，問(wèn)題就解決了。
例二：礦砂、礦粉是礦產(chǎn)(特別是貴重礦產(chǎn))交易中的常見(jiàn)商品，在交易現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)采樣進(jìn)行礦物品位檢驗(yàn)是增強(qiáng)買(mǎi)方信心的有效手段。
例三：地物光譜航拍照片是有別于傳統(tǒng)航拍照片(只有顏色和地形信息，無(wú)光譜信息)的新的國(guó)土資源調(diào)查新方法，它可以利用光譜信息直接顯示出地物的類別甚判斷森林火情。
3、農(nóng)業(yè)：
例一：農(nóng)作物的種籽質(zhì)量(蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪、淀粉、糖分、灰份含量)是關(guān)系到農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)重要的關(guān)鍵，種籽培育、交易過(guò)程中的質(zhì)量鑒定是十分必要的。而在線光譜技術(shù)中的近紅外漫反射(漫透射)分光光度法是鑒別種籽質(zhì)量的方法。
例二：含水量是煙草工業(yè)、飼料工業(yè)、國(guó)家糧庫(kù)中品質(zhì)檢測(cè)的重要內(nèi)容。
例三：國(guó)外已經(jīng)利用色度測(cè)試的方法定量測(cè)試水果的成熟程度。
例四：廣西某企業(yè)采用近紅外技術(shù)分析甘蔗糖汁用于指導(dǎo)甘蔗的收購(gòu)計(jì)價(jià)。
例五：水稻硅質(zhì)化作用是影響稻谷(糧食)生產(chǎn)與稻草(飼料)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的主要因素，對(duì)水稻硅化特點(diǎn)的傳統(tǒng)化學(xué)分析費(fèi)時(shí)、耗資、準(zhǔn)確度較低。利用近紅外反射光譜分析技術(shù)具有分析速度快、精度高、結(jié)果穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)可以對(duì)采自不同種植地、不同季節(jié)、不同品種的稻草及稻葉、葉鞘、莖稈樣品進(jìn)行半纖維素、纖維素、木質(zhì)素、可溶及不可溶性硅化物成分的近紅外光譜分析。
4、無(wú)機(jī)化工、印染、印刷、輕工 ：
例一：金屬電鍍廠，電鍍槽內(nèi)的電鍍液的雜質(zhì)成份濃度是影響電鍍質(zhì)量的關(guān)鍵因素，傳統(tǒng)光譜方法沒(méi)有辦法及時(shí)檢測(cè)，而電化學(xué)儀器又不能很好的同時(shí)提供多種復(fù)雜成分的濃度。
例二：某印刷企業(yè)，在大量套色印刷過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)印刷顏色的漸變問(wèn)題，但苦于沒(méi)有在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，印刷物次品率高，成本居高不下。
例三：某膠粘紙帶(卷煙過(guò)濾嘴包裝紙)生產(chǎn)企業(yè)，由于儲(chǔ)膠裝置的噴口經(jīng)常出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，出現(xiàn)了紙帶上涂膠斷線而不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)的情況，造成無(wú)謂返工，成了生產(chǎn)效率提高大的障礙。
例四：某居民小區(qū)供熱中心，為防止管道內(nèi)水垢結(jié)垢現(xiàn)象，需要在循環(huán)水中添加阻垢劑，但是阻垢劑濃度大小又會(huì)影響阻垢劑的化學(xué)效果，不同的水溫也對(duì)阻垢劑濃度有不同的要求，由于循環(huán)水有循環(huán)損失需要隨時(shí)補(bǔ)充并且不同時(shí)間的水質(zhì)對(duì)阻垢劑的濃度要求不同，阻垢劑的濃度監(jiān)測(cè)與控制成為順利供熱的難題。
5、生物、醫(yī)療、制藥：
例一：在線光譜技術(shù)可以用透皮光度法檢測(cè)人體的血糖濃度、皮膚病變等。
例二：結(jié)合生物芯片或者生物修飾光探頭技術(shù)，在線光譜技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地進(jìn)行微量病毒(細(xì)菌)樣本檢測(cè)。
例三：某化妝品企業(yè)應(yīng)用在線光譜技術(shù)控制產(chǎn)品質(zhì)量。
例四：某中藥制藥企業(yè)應(yīng)用在線光譜技術(shù)建立中藥指紋圖譜，研制中藥丸劑。
6、釀造、食品：
例一：醬油、食醋、啤酒、白酒、果酒的質(zhì)量與在釀造流程中各種工藝參數(shù)的控制是離不開(kāi)的，它的色度、成份都是十分重要的質(zhì)量指標(biāo)，而終的產(chǎn)品抽檢只是“馬后炮”工程，不能解決在釀造過(guò)程中出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，所以在線監(jiān)測(cè)的需要是十分迫切的。
例二：某大型原料藥企業(yè)在青霉素的生產(chǎn)中，出現(xiàn)了釀造罐中產(chǎn)品成分隨機(jī)變化、不穩(wěn)定的情況，在得知這些參數(shù)后可以通過(guò)控制溫度、投料比等方法改善流程狀況，并可以完善工藝控制技術(shù)。
例三：目前上存在某些食品類的商品之釀造和配制之爭(zhēng)，例如配制醬油中由于生產(chǎn)工藝的限制不可避免地存在苯丙醇(有劇du性)成份，利用工業(yè)酒精配制的酒類含有超標(biāo)的甲醇(有劇du性)成份，食品衛(wèi)生執(zhí)法機(jī)關(guān)需要有方便可靠的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)方法。
7、建材：
例一：某大型玻化石瓷磚生產(chǎn)企業(yè)，產(chǎn)品燒結(jié)面(瓷磚正面)的色度、光澤度分級(jí)工作一直是靠人工(有多年經(jīng)驗(yàn)的工人)眼鏡鑒別完成的，由于存在著人工的主觀不確定性和受連續(xù)工作勞累判斷力下降以及不同工人的判斷標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一的情況，在某形象工程中出現(xiàn)了工作失誤被建筑商索賠數(shù)十萬(wàn)元的事故，故決心在全部生產(chǎn)線上采用在線檢測(cè)儀器。
例二：某彩鋼板生產(chǎn)企業(yè)，需要在線檢測(cè)烤漆顏色的儀器設(shè)備，以防止?fàn)t溫過(guò)高出現(xiàn)殘次品并可以有效節(jié)省燃料費(fèi)用。
例三：某鈦白粉(生產(chǎn)油漆的重要原材料)生產(chǎn)企業(yè)，采用在線喇曼光譜技術(shù)在線監(jiān)測(cè)金紅石(TiO2,俗稱鈦白粉)晶體的同分異構(gòu)現(xiàn)象，控制生產(chǎn)質(zhì)量。
8、環(huán)境監(jiān)測(cè)：
例一：海洋、河流、湖泊等水體經(jīng)常受到突發(fā)的污染事故，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活產(chǎn)生了負(fù)面影響，在線光譜技術(shù)可以全天候地監(jiān)測(cè)水體質(zhì)量，及時(shí)鑒別和控制污染源，將負(fù)面影響減小到小程度。
例二：汽車(chē)尾氣、工業(yè)廢氣成為城市大氣污染的大來(lái)源，成為市民某些城市病的*致病因素，定期公布的城市空氣質(zhì)量指標(biāo)也成為影響城市旅游經(jīng)濟(jì)的指揮棒，在線光譜技術(shù)的應(yīng)用可以為城市建設(shè)決策機(jī)構(gòu)提供隨時(shí)的數(shù)據(jù)旁證。
例三：土地鹽堿化和酸化是國(guó)土資源狀況惡化的重要表現(xiàn)，它分別與過(guò)量地使用化肥以及不合理垃圾填埋有關(guān)，對(duì)板結(jié)的土地進(jìn)行成分檢測(cè)是治理土地鹽堿化和制訂合理的垃圾處理方法所需要的。
9、軍事、安全、防偽：
例一：偽裝材料的應(yīng)用在軍事設(shè)施建設(shè)中的重要性日益突出，它的主要特點(diǎn)主要是利用了可見(jiàn)區(qū)色差、光反射率差，利用
例二：海關(guān)、稅務(wù)管理機(jī)關(guān)在檢查各種票據(jù)時(shí)，對(duì)于發(fā)生涂改、篡寫(xiě)的現(xiàn)象用肉眼難以分辨，而用在線光譜技術(shù)可以準(zhǔn)確顯示筆跡成分的不同。
10、光電子產(chǎn)業(yè)
例一：某玻璃鍍膜企業(yè)需要在線監(jiān)測(cè)膜厚度，而傳統(tǒng)的光譜儀不可能移到生產(chǎn)線上來(lái)對(duì)原樣產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)工作。
例二：某新型光源顯示器件企業(yè)在生產(chǎn)中需要對(duì)LED大屏幕的各種光電參數(shù)進(jìn)行品質(zhì)檢測(cè)，以確定產(chǎn)品的品質(zhì)等級(jí)率，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果調(diào)整生產(chǎn)工藝。
例三：某閃光燈生產(chǎn)企業(yè)采用在線光譜技術(shù)監(jiān)測(cè)閃光管的光電特性、時(shí)間特性，有效提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。
11、科學(xué)研究(共同特點(diǎn)：被測(cè)物不可能被進(jìn)行加工成傳統(tǒng)樣品)
例一：某大學(xué)應(yīng)用在線光譜技術(shù)進(jìn)行等離子體發(fā)光光譜特征研究。
例二：某大學(xué)應(yīng)用在線光譜技術(shù)進(jìn)行流動(dòng)注射化學(xué)分析研究。
例三：某海洋研究所應(yīng)用在線光譜技術(shù)進(jìn)行海洋有機(jī)污染航空巡測(cè)研究。
例四：某農(nóng)研院應(yīng)用在線光譜技術(shù)進(jìn)行農(nóng)作物在光合作用情況下受光的光譜特性研究。
例五：某考古單位應(yīng)用在線光譜技術(shù)對(duì)出土文物進(jìn)行光譜方法研究。
例六：某冶金研究所應(yīng)用在線光譜技術(shù)監(jiān)測(cè)金屬焊點(diǎn)成分結(jié)構(gòu)
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