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光谱仪的作用及可以测量的指标

作者: 来源: 日期:2015-12-6 10:39:56 人气:543

    光谱分析仪是能够非常精确地测量未知光源辐射的光谱的仪器。自然界中的一切物体,只要温度在绝对温度零度以上,都以电磁波的形式时刻不停地向外传送热量,这种传送能量的方式称为辐射.物体通过辐射所放出的能量,称为辐射能,简称辐射.,每个物体的辐射的大小不同。我们人之所以看不见,是因为人的肉眼可以看到的光是介于紫外线和红外线中间的这一部分(如图所示)。通过光谱仪就能测量并分析出物质的辐射光谱从而知道物质的成分和性质等信息。

    光谱分析仪的使用非常广泛,它在如农业、天文、汽车、生物、化学、镀膜、色度计量、环境检测、薄膜工业、食品、宝石检测、LED检测、印刷、造纸、拉曼光谱、半导体工业等领域发挥着巨大的作用。下面就来谈谈它的具体应用及可以测量的指标。
不同类型的光谱仪功能也不一样,就拿常见的 ICP等离子光谱仪来说,ICP基本能检测能碰到的绝大部分液体或者固体物质。
使用icp光谱仪可以用于测定各种物质(可溶解于盐酸、硝酸、氢氟酸等)中常量、微量、痕量金属元素或非金属元素的含量、金属材料(包括贵金属、稀有金属)、非金属材料、矿石、土壤、核燃料、煤、石油及其产品、化肥、化工原料、半导体晶片、陶瓷材料、食品、药品、血液、水(纯水、废水)、空气等几乎所有材料中杂质(或粒子)的测定。
光谱仪最常用的应用主要有以下各个方面。

     1.颜色测量--色度仪,色度计

     一般来说,物体和浓稠液体的颜色测量可以使用不同的实验布局,比如使用反射型光纤探头或积分球。在该测量中,可以使用波长范围在380到780nm,分辨率(FWHM)为5nm的光谱仪;此外,还需要白光连续光源和白色反射瓦。对于测量纺织品、纸张、水果、葡萄酒、鸟类羽毛颜色等不同的应用可以使用不同的光纤探头。

    2.紫外/可见吸收光谱测量

 液体的吸收率测量可以用不同的实验布局和波长范围来实现,如使用浸入型光纤探头或流动样品池进行在线吸收率测量,或使用样品固定器进行样品的吸收率测量。对于测量紫外/可见波长范围的光谱仪,可以选择波长范围200-1100nm、分辨率1.4nm(FWHM)。此外还需要氘-卤素灯作为光源。不同的应用可以选择不同的光纤探头。吸收率测量的典型实验布局如图所示。

    3.发射光谱测量

    发射光谱测量可以用不同的实验布局和波长范围来实现,还要用到余弦校正器或积分球。发射光谱测量可以在紫外/可见和可见/近红外波长范围内测量。

对于发射光谱的绝对测量,光谱仪可以配置成波长范围从200-400nm或350-1100nm,或组合起来实现紫外/可见200-1100nm,并可以在定标实验室里进行辐射定标。定标后的实验布局不能改变,如光纤和匀光器都不能更改。

    为了使实验布局更灵活,用可见/近红外定标光源或紫外/可见/近红外定标光源可以在用户现场进行定标。定标并载入辐射定标数据。

    4.LED测量

    最简单而且迅速地测量LED的整个光通量的方法就是使用一个积分球,并把它连接到一个光谱仪上。该系统可以用卤素灯进行定标,然后用软件从测量到的光谱分布计算出相关参数,并实现辐射量的绝对测量。所测光源的光谱发光强度还可以用μW/cm2/nm来计算、显示并存储。另外的窗口还可以显示大约10个参数:辐射量μW/cm2, μJ/cm2, μW或μJ;光通量lux或lumen,色轴X, Y, Z, x, y, z, u, v和色温。LED测量的典型实验布局如图所示。

    5.薄膜厚度测量

    膜厚测量系统基于白光干涉测量原理,可以测量的膜层厚度10nm-50μm,分辨率为1nm。薄膜测量在半导体晶片生长过程中经常被用到,因为等离子体刻蚀和淀积过程需要监控;其它应用如在金属和玻璃材料基底上镀透明光学膜层也需要测量膜层厚度。配套的应用软件包括丰富的各种常用材料和膜层的n值和k值,可以实现膜层厚度的在线监测,并可以输出到Excel文件进行过程控制。薄膜厚度测量的典型实验布局如图所示。

    6.真空室镀膜过程监控

    光纤光谱仪为真空室内镀膜过程的监控提供了一种灵活的测量手段,它可以方便地把光引入并引出真空室或洁净工作仓,同时选择镀膜过程分析所需要测量的参数。在实际的在线生产中,可以在工作仓中放置几个探头来检测整个生产过程。图示为真空室镀膜过程监控的典型实验布局。在这里一个反射型光纤探头用来在线监测镀膜过程。氘-卤素灯发出的光被导入真空室并传导到反射探头上,反射光由反射探头传导到光谱仪中;也可以再增加一个通道作为参考测量来补偿光源的波动。

    7.氧浓度传感器

    氧浓度传感器包括一个光纤荧光探头,探头表面镀有专利技术的膜层,并使用一个蓝光LED作为激发源,还有一台高灵敏度的微型光谱仪。该传感器应用荧光技术测量氧的绝对含量,样品产生的荧光反射回探测器上。当气态或液态样品中的氧扩散到探头的膜层上时,就会使荧光猝灭,猝灭的程度与样品中的氧的浓度是相关的。

    氧浓度测量的典型实验布局如图所示。

    8.宝石成分检测

    颜色是判断钻石成色的决定因素之一,天然钻石和人造钻石可以用波长范围在400-750nm的光检测出来。在天然Ia类钻石的吸收谱中可以发现415nm和478nm的特征波长,而人造钻石在该波长处则没有吸收峰。人造钻石中可以探测到592nm和741nm的波长。而且天然钻石和人造钻石的吸收峰幅值相差近10倍。当然其它宝石也可以用这种方法检测,如红宝石、紫翠玉、蓝宝石等。宝石成分检测的典型实验布局如图所示。

    9.荧光测量--荧光光谱仪系统

    在许多应用领域如生物学(叶绿素和类胡萝卜素)、生物医学(恶性病的荧光诊断)和环境应用中都需要用到荧光检测技术。荧光检测通常需要高灵敏度光谱仪。在大多数应用中荧光能量仅为激发光能量的3%,波长要长于激发光,而且时散射光。在荧光测量系统中,一定要避免激发光进入到光谱仪中。荧光测量的典型实验布局如图所示。

    10.生物医学应用

    在过去的十年中,许多用户进行了血成分分析的非侵入式和侵入式的光谱学测量手段,测量了许多重要的医学指标,如组织和纹理中的氧浓度、血色素、细胞色素和水浓度等。非侵入式检测系统包括微型光纤光谱仪、卤钨灯和反射型光纤探头,而侵入式检测系统则使用了一根植入于导管中的特殊的反射型光纤探头。

    在需要连续测量氧浓度、血色素的氧化和去氧化过程的医学应用中,该系统得到了成功的应用。 生物医学应用的典型实验布局如图所示。

    11.颜色混合及匹配

    主要的应用领域是印刷业、印染业和绘画业。它的主要功能是创建一个新颜色与数据库中的已知颜色进行比对并进行校正,也可以创建一个新颜色来与着色文件中的颜色进行比对。

    12.材料(金属/非金属)成分检测

   LIBS(激光诱导荧光)技术是基于激光束聚焦到被测样品上所产生的物质电离过程,电子的再结合会发光,对该光谱进行分析研究可以得到被测物质的成分。

   LIBS技术最初是由美国Los Alamos国家实验室的David Cremers研究小组在二十多年前发明的。从此以后,LIBS技术成功地被用于痕量元素的检测和恶劣环境下的在线成分分析等应用中。

   根据所分析的元素不同,LIBS技术可以探测ppm到ppt级的含量。而且不需要对所测样品进行预加工(如抛光,溶解等),可以分析固态、液态、气态样品。

   LIBS是一款结构紧凑、操作简便、分析结果准确的分析系统。它把高能激光束聚焦到样品上,然后同轴收集产生的信号光,并用高分辨率、多通道、快触发型光谱仪进行分析。

    13.园艺测量

    园艺测量光谱仪被开发用于测量温室中可见光和近红外光区域内的光强度和光谱分布。

    光的强度和光强的谱线分布是影响植物的生长和光合作用的非常重要的因素。对于光强度,可以通过经由辐射校准过的准确地测量出光子数和其他参数,专门针对园艺学测量。光谱仪可以通过蓝牙接口无线连接到远程计算机。计算机可以用来控制温室中滤光镜的移动或者控制特殊的灯泡。


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