光纖在近紅外光譜分析技術(shù)中的應(yīng)用

《光纖在近紅外光譜分析技術(shù)中的應(yīng)用》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、光纖在近紅外光譜分析技術(shù)中的應(yīng)用廖延彪宣海鋒張．敏賴淑蓉(清華大學(xué)電子系光纖傳感實(shí)驗(yàn)室，北京100084)摘要介紹了光纖在紅外光譜分析技術(shù)中的三個(gè)主要應(yīng)用：(I)擴(kuò)展用途。使已有的缸外光譜分析儀可用于遠(yuǎn)距離在線測量。(2)提高精度。例如，和現(xiàn)代激光技術(shù)、光電子技術(shù)結(jié)臺構(gòu)成新型高精度氣體紅外光譜分析儀。(3)推成出新。例如，光纖和濾光片結(jié)合構(gòu)成微小型紅外光譜分析戧，可用于在線測量。重點(diǎn)討論了光纖光譜分析在油井下實(shí)時(shí)檢測應(yīng)用的新型高精度氣體紅外光譜分析儀。關(guān)鍵詞光纖光學(xué)；近紅外光譜；離散光譜法隨著化學(xué)計(jì)量學(xué)方法和近紅外光譜儀器的不斷發(fā)展，近紅外光譜分析技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷

2、擴(kuò)大，已經(jīng)成功應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、化工檢測、動(dòng)物養(yǎng)殖監(jiān)測、藥物計(jì)量【11等領(lǐng)域。常用的紅外光譜儀包括傅里葉變換近紅外光譜儀，傅里葉變換紅外光譜儀，傅里葉變換一拉曼光譜儀，這些大型光譜儀是研究物質(zhì)成分的重要手段。但是對于環(huán)境和工業(yè)過程監(jiān)測急需采用遠(yuǎn)程和在線分析測量，有的還要求探頭尺寸小。這就給光纖傳輸技術(shù)在近紅外光譜分析中的應(yīng)用提供了發(fā)展的舞臺[“。同時(shí)光纖工藝對近紅外測量儀器整體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)有很大的意義，比如在生物組織近紅外分析中13,4J，光纖結(jié)構(gòu)的近紅外探頭能很好地符合實(shí)際應(yīng)用需求?，F(xiàn)代光電子技術(shù)、激光技術(shù)和光纖技術(shù)的結(jié)合更使得近紅外光譜測量水平有進(jìn)一步的提高，比較典

3、型的為激光凋諧二次諧波法測量氣體吸收精度比傳統(tǒng)方式高好幾個(gè)數(shù)量級博。J，可達(dá)到10“量級；近兩年發(fā)展的基于有源內(nèi)腔光譜監(jiān)測技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對氣體的lO。9量級測量[8，9J。特種光纖技術(shù)可以使得一些特殊惡劣條件領(lǐng)域的近紅外分析成為可能，例如實(shí)現(xiàn)石油井下流體的實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)¨o川。光纖在紅外光譜分析技術(shù)中的應(yīng)用主要有三：(1)擴(kuò)展用途。使已有的紅外光譜分析儀可用于遠(yuǎn)距離在線測量。(2)提高精度。例如，和現(xiàn)代激光技術(shù)、光電子技術(shù)結(jié)合構(gòu)成新型高精度氣體紅外光譜分析儀。(3)推成出新。例如，光纖和濾光片結(jié)合構(gòu)成微小型紅外光譜分析儀，可用于在線測量。1光纖在光譜分析儀中的應(yīng)用之一(擴(kuò)

4、展用途)光纖具有傳統(tǒng)體光學(xué)結(jié)構(gòu)所沒有優(yōu)勢，光纖作為基本光學(xué)傳輸部件，用于紅外光譜分析儀可使各類光譜分析系統(tǒng)功能大大擴(kuò)展；結(jié)構(gòu)更加靈活；且可用于實(shí)時(shí)、在線測量。1．1光纖輸入輸出的小型光譜儀最常見的現(xiàn)代小型光譜儀就應(yīng)用了光纖輸出輸入結(jié)構(gòu)。其內(nèi)部分光系統(tǒng)大都用的是衍射作者簡介：廖延彪，男，1935年出生，清華大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，中國光纖傳感專業(yè)委員會主任，光學(xué)學(xué)會光電技術(shù)專業(yè)委員會常務(wù)理事。從事光纖傳輸和傳感研究工作。E—md：lyb—dee@mail．t8ir咖幽．∞。170光柵，出射光采用線陣CCD接收，這樣的結(jié)構(gòu)可以避免掃譜結(jié)構(gòu)，使得光譜分析儀的體積大為減小。另

5、外，由于采用光纖接口，光纖的內(nèi)口徑本身就是很好的均勻點(diǎn)源，使得光譜儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為簡便。目前，在很多工業(yè)控制和現(xiàn)場測量中大量應(yīng)用這種光纖輸入輸出的便攜式光譜儀。比較典型的產(chǎn)品有美國OceanOptia公司的微型光譜儀．其分辨率可以達(dá)到0．06一，光學(xué)系統(tǒng)主要采用Czemy—Turner對稱結(jié)構(gòu)。此類微型光譜儀產(chǎn)品具有很小尺寸(手掌大小)，利用光纖作為輸入輸出單元，配合相應(yīng)的光纖近紅外探頭結(jié)構(gòu)使它可以方便地進(jìn)行各類液體、甚至是氣體的吸收譜測量。1．2光纖近紅外光譜儀在遠(yuǎn)程檢測中的應(yīng)用普通通信用光纖在近紅外波段損耗{硅小，波長1550nm處的最低損耗僅為0．2dB／km

6、。而且在幾公里范圍內(nèi)對測量光譜特性的色散效應(yīng)、非線性效應(yīng)等不良影響都很微弱，對于常用的近紅外光譜遠(yuǎn)程測量范圍，可認(rèn)為光纖是一種完美的傳輸通道。而且，光纖具有一般電子傳輸線所沒有的特性：可以應(yīng)用于強(qiáng)磁場、高腐蝕等惡劣環(huán)境。這些特性就決定了光纖必定成為遠(yuǎn)程近紅外光譜分析技術(shù)的重要角色。如土壤中有毒有機(jī)物的在線檢測-2J，遠(yuǎn)程氣體檢測¨i27·，利用光纖的遠(yuǎn)程傳輸特性就非常合適。而且利用現(xiàn)代的光學(xué)耦合技術(shù)，光學(xué)器件和光纖之間的耦合損耗可以做到非常小，如整體損耗可以控制在3dB之內(nèi)。1．3近紅外光纖探頭在光譜分析的應(yīng)用在實(shí)際測量中，光譜分析系統(tǒng)探頭的結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵?；诠饫w結(jié)

7、構(gòu)的近紅外探頭結(jié)構(gòu)非常靈活?？砂磻?yīng)用要求設(shè)計(jì)，以應(yīng)用于食品檢測112,13J、生物體醫(yī)學(xué)檢測【3’4]等領(lǐng)域。例如人體組織體液的pH值測定，人體組織pH值測量比血液pH值更能反映細(xì)胞的新陳代謝的情況，再如在輸氧不足癥狀診斷中體液pH值更有代表性。體內(nèi)組織的pH值可以通過近紅外方法測量，近紅外光在人體組織中可以傳播幾個(gè)厘米，利用光纖探針可以方便地在人體表面進(jìn)行近紅外光信號接受，’也可以插入式地直接在組織內(nèi)部接受近紅外光信號。從人體組織反射的光會被體液中的肌紅蛋白和血紅蛋白吸收，通過對吸收譜的分析，可以檢測在不同狀態(tài)下生物體的pH值。BabsR．S01Je^馴等對多