微型光譜儀是光譜測(cè)量技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)應(yīng)用的里程碑。
目前在線光譜分析已經(jīng)以驚人的速度應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域的企業(yè)生產(chǎn)的多個(gè)環(huán)節(jié)，并已使得過程分析儀器領(lǐng)域發(fā)生了深刻變革。這種變革與在線光譜分析的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是分不開的，比如:
在線光譜分析可以對(duì)多路多組分連續(xù)同時(shí)測(cè)量，且速度快，準(zhǔn)確性高；
在線光譜分析儀器易損壞和消耗品少，維護(hù)量小；
在線光譜分析多采用光纖傳輸技術(shù)，適合環(huán)境惡劣的場(chǎng)合;
在線光譜分析儀器結(jié)構(gòu)相對(duì)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(diǎn)對(duì)于企業(yè)原料和生產(chǎn)的中間環(huán)節(jié)進(jìn)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(jià)值。
與實(shí)驗(yàn)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(cè)限，同時(shí)對(duì)于性能穩(wěn)定性，體積尺寸和抗干擾能力也都有嚴(yán)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(duì)于工業(yè)在線應(yīng)用十分重要。
1992年美國海洋光學(xué)公司的Mike Morris博士發(fā)明了微型光纖光譜儀，他將光譜儀的大小縮小了幾十倍，價(jià)格降低了十幾倍。光纖光譜儀利用光纖把遠(yuǎn)離光譜儀器的樣品光譜引到光譜儀器，以適應(yīng)被測(cè)樣品的復(fù)雜形狀和位置。由光纖引入光信號(hào)還可使儀器內(nèi)部與外界環(huán)境隔絕，可增強(qiáng)對(duì)惡劣環(huán)境（潮濕氣候、強(qiáng)電場(chǎng)干擾、腐蝕性氣體）的抵抗能力，保證了光譜儀的長期可靠運(yùn)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(zhǔn)直物鏡、光柵、成像反射鏡和陣列探測(cè)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(hào)經(jīng)入射狹縫投射到準(zhǔn)直物鏡上，將發(fā)散光變成準(zhǔn)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(hào)被轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)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(hào)，進(jìn)而完成各種光譜信號(hào)測(cè)量分析。這些特點(diǎn)對(duì)于工業(yè)在線光譜應(yīng)用是極其有利的?？梢哉f，微型光譜儀是光譜測(cè)量技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)應(yīng)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(duì)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。
下面以一個(gè)典型案例說明在線光譜系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的因素。某特種印刷用戶需要快速測(cè)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(cè)速度，且具有足夠精確性。
系統(tǒng)能夠進(jìn)行非接觸非破壞性采樣測(cè)量。
系統(tǒng)能直接輸出最終結(jié)果給上位機(jī)。
系統(tǒng)能直接輸出顏色值，并能與用戶自己的上位機(jī)系統(tǒng)集成。
系統(tǒng)要能反映被測(cè)樣品的峰值波長、光譜等特性。
系統(tǒng)具備自檢和異常報(bào)警功能。
系統(tǒng)要能適應(yīng)工廠持續(xù)噪聲，細(xì)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(hù)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(gè)方面，在工業(yè)在線光譜分析應(yīng)用中具有典型性。
為滿足檢測(cè)速度要求，系統(tǒng)單次測(cè)量周期不得大于4毫秒。為此整個(gè)系統(tǒng)將采用流水線并行作業(yè)方式，確保測(cè)量速度和分辨率能夠滿足要求。如樣品移動(dòng)速度小于180米/分鐘，則將得到更高的檢測(cè)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(shí)間可達(dá)到1毫秒，可以充分滿足速度要求。
為滿足用戶上位機(jī)數(shù)據(jù)接口要求，在線光譜分析系統(tǒng)應(yīng)集成數(shù)據(jù)處理算法功能，且保證運(yùn)算快速，結(jié)果準(zhǔn)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(jìn)一步提高速度，運(yùn)算處理器直接與光譜儀模塊集成。從而能夠在CCD探測(cè)器進(jìn)行下一周期積分時(shí)并行計(jì)算反射率數(shù)據(jù)。在前后兩個(gè)計(jì)算周期之間，沒有等待的延遲時(shí)間。在完成計(jì)算后，光譜儀將顏色數(shù)據(jù)提交給服務(wù)器，交由服務(wù)器判斷是否需要觸發(fā)停機(jī)信號(hào)。由于本系統(tǒng)的規(guī)模僅需要至多兩層交換機(jī)就能連接，因此網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間將小于1毫秒。而經(jīng)過測(cè)算，進(jìn)行50萬次（相當(dāng)于6000米長的薄膜）100個(gè)通道的組合邏輯判斷在普通的計(jì)算機(jī)上每次平均耗時(shí)僅0.02毫秒，單次最大耗時(shí)為2毫秒。按此測(cè)算，完成單次測(cè)量和判斷所需時(shí)間為12毫秒，即瑕疵點(diǎn)在經(jīng)過探頭3.6厘米后系統(tǒng)會(huì)給出報(bào)警或停機(jī)信號(hào)。瑕疵點(diǎn)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(bào)警采用光譜儀與聲光報(bào)警器協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于顏色測(cè)量，必須有參考光譜和背景光譜，即對(duì)反射測(cè)量的校準(zhǔn)操作。經(jīng)常校準(zhǔn)能有助于使計(jì)算的顏色結(jié)果更接近于實(shí)際結(jié)果，消除光源、環(huán)境以及其他因素對(duì)測(cè)量的影響。當(dāng)進(jìn)行校準(zhǔn)操作時(shí)，需將已知顏色的標(biāo)準(zhǔn)板置于探頭下方，與探頭所呈角度與樣品一致。此時(shí)打開光源，確保光源強(qiáng)度不會(huì)使光譜儀飽和，并保存參考光譜（即各波長上的強(qiáng)度）。然后關(guān)閉光源，此時(shí)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(zhǔn)操作后，即可對(duì)樣品進(jìn)行顏色的測(cè)量和計(jì)算了。顏色實(shí)際上是樣品在特定波長上的光譜強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)板在特定波長上的光譜強(qiáng)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(jì)算。
根據(jù)上述分析結(jié)果，系統(tǒng)使用了對(duì)顏色測(cè)量進(jìn)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(cè)量光譜的同時(shí)直接將顏色信息提交給服務(wù)器，并由服務(wù)器根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)置的判定規(guī)則進(jìn)行報(bào)警或觸發(fā)停機(jī)，確保了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(dāng)前檢測(cè)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(jī)柜內(nèi)的光譜儀和光源上。在探頭支架上還將安裝可自動(dòng)旋轉(zhuǎn)的機(jī)電裝置和標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)到LCH顏色值的計(jì)算，并將結(jié)果上傳至上位機(jī)（主控機(jī)）。
系統(tǒng)的重要部件均安裝在工業(yè)級(jí)機(jī)柜內(nèi)，包括光譜儀、光源、供電電源、以太網(wǎng)交換機(jī)、系統(tǒng)服務(wù)器等。光纖和各種線纜則通過上進(jìn)線或側(cè)進(jìn)線方式接入機(jī)柜。
最終的人機(jī)接口將安裝在操作員使用的盤臺(tái)上，該工作站主機(jī)將安裝在盤臺(tái)內(nèi)部，并通過屏蔽雙絞線與機(jī)柜內(nèi)的系統(tǒng)服務(wù)器連接。系統(tǒng)服務(wù)器和操作員工作站上會(huì)分別安裝系統(tǒng)軟件的服務(wù)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。
在軟件模塊上，系統(tǒng)提供的定制軟件功能模塊均運(yùn)行于主控機(jī)的Windows系統(tǒng)上，主要功能模塊如下圖所示：
調(diào)度模塊：為主程序核心，主要負(fù)責(zé)承擔(dān)各模塊之間的管理及任務(wù)調(diào)度；
通訊模塊：主要負(fù)責(zé)與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊，解析通訊命令，并通過調(diào)度模塊完成相關(guān)任務(wù)，如啟動(dòng)測(cè)量過程，讀取測(cè)量數(shù)據(jù)等；
計(jì)算模塊：計(jì)算光譜數(shù)據(jù)，得到LCH顏色值；
底層驅(qū)動(dòng)：主要控制光譜儀、光源、電子快門、傳動(dòng)模塊等硬件設(shè)備；
測(cè)量模塊：根據(jù)測(cè)量時(shí)序、流程完成一個(gè)完整的測(cè)量流程；
數(shù)據(jù)庫：主要用于保留系統(tǒng)參數(shù)、測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)顯示，歷史數(shù)據(jù)瀏覽，系統(tǒng)功能測(cè)試等。
在故障維修與運(yùn)行維護(hù)方面，光源和光譜儀都采用模塊化方式安裝布置，且均對(duì)通道號(hào)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，方便找到故障的光源。并且配套的通過交換機(jī)及光譜儀上的狀態(tài)指示燈可了解是否存在網(wǎng)絡(luò)線纜故障。軟件也能夠識(shí)別光源故障。
該案例充分體現(xiàn)了在線光譜分析與實(shí)驗(yàn)室應(yīng)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(yīng)用環(huán)境的特殊性，各種影響因素都必須仔細(xì)評(píng)估。除了光譜儀，測(cè)量附件的選擇在相當(dāng)大程度上取決于光譜儀廠家的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和水平，這一點(diǎn)在專用的在線分析系統(tǒng)開發(fā)方面體現(xiàn)的更為明顯。
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