1. 工業在線光譜分析技術

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博士發明了世界上第一臺微型光纖光譜儀，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，最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。

微型光譜儀之在線光譜技術應用
圖1 在線光譜分析系統組成

2. 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：

系統需滿足最快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。

系統能直接輸出最終結果給上位機。

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最小積分時間可達到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，單次最大耗時為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。

最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。

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

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。

三、更多工業在線應用案例

（1）LED芯片測試機

由于制作工藝存在尚未解決的技術困難，所以對于生產過程中同一塊外延片不同位置的光電特性是有細微差別的，呈現出不均勻性。在完成電極和引腳的過程中也會存在一定的瑕疵。這些缺陷會導致在LED產品的發光強度和顏色，在生產過程中如果殘次芯片繼續進行加工，會導致生產過程中不必要的浪費。所以LED芯片測試機是LED生產過程中不可或缺的一個環節。

微型光譜儀之在線光譜技術應用
LED芯片檢測過程

微型光譜儀之在線光譜技術應用
LED芯片測試結果

微型光纖光譜儀主要將輻射光譜、發光強度、色坐標x，y和峰值波長作為測量指標。

一般檢測設備只能對電氣特性不合格進行篩選，微型光纖光譜儀被引入到LED芯片檢測后，發光檢測方面問題得到了很好地解決。由于微型光纖光譜儀測量每顆晶粒的時間是5-6ms，快于一般測試機探針機械移動時間，因此測量速度提到提高。由于微型光纖光譜儀體積小，因此不會占用機臺的使用空間，不需要對原有機臺的機械結構做出較大調整。同步觸發功能保證了在檢測過程中，能夠保證每個晶粒在點亮后的相同時間進行測量。

（2）LED分光機

LED制造流程是復雜、漫長的一個過程，想要生產出性能一致，功能完整的LED產品，LED分光機作為LED制造流程中靠后的工序，需要對封裝后的器件根據光、色、電三方面參數進行篩選，然后才能將其包裝為產品，最終流入市場。

LED分光機的測量指標是發射光譜、發光強度、色坐標x，y、峰值波長。

LED分光機工作流程一般包括：待分選的LED器件會在震動盤上排列進料，依次進入電測和光測的工位;進入電測工位后，LED會被通電進行電學指標測試;當被移動到光測工位時，LED芯片會被點亮，繼而使用積分球和光譜儀測量其輻射光譜;通過計算光度學和色度學參數，并聯合電學指標，一起進行數據分析;隨后將數據轉換為指令，傳輸到指令模塊，將不同LED進行分選。基于微型光纖光譜儀的第一臺LED分光機，可以完成分選5000顆/小時，使得LED檢測從抽檢進入到全檢的時代。隨著微型光纖光譜儀性能的提升以及與配套LED分光機兼容度提高，現在的LED分光機檢測已經可以完成55000顆/小時，甚至更高。

微型光譜儀之在線光譜技術應用
LED分光機

微型光譜儀之在線光譜技術應用微型光譜儀之在線光譜技術應用
LED器件進料、排列進入檢測位置

微型光譜儀之在線光譜技術應用微型光譜儀之在線光譜技術應用
檢測電學和發光特性、進行分選歸類

（3）污染氣體排放監測

微型光纖光譜儀在污染氣體排放監測指標是不同氣體濃度，包括氮氧化物、二氧化硫、臭氧、丙酮和氨氣等。不同氣體所表現出的吸收光譜具有特異性，但也有一定相同性，大部分氣體的吸收峰都位于紫外區域，所以采用在紫外區域的激發光或在紫外區域有響應的光譜儀對氣體進行濃度的測試。

微型光譜儀之在線光譜技術應用
通常使用微型光纖光譜儀對氣體進行檢測，會將所有檢測設備放置于一輛移動檢測車中，到達目標檢測位時，將設備架設在相應位置。檢測設備包括攝像機、激光器觸發裝置、激發光、光譜儀和反射鏡。檢測過程是通過光源發出一束激發光，照射到馬路另一邊的反射鏡，通過反射鏡反射使光譜儀能夠檢測到氣體光譜。當一輛汽車經過檢測系統時，汽車排放的尾氣會和光路進行相互的作用，尾氣中的物體由于濃度的不同，光譜儀可以測量光穿過氣體的強度，就可以檢測出汽車排放的尾氣是否超標。

微型光譜儀之在線光譜技術應用微型光譜儀之在線光譜技術應用
監測系統示意圖

這種尾氣排放監測方法之所以能夠得到廣泛應用，首先得益于微型光纖光譜儀測量速度快，若被測汽車勻速通過檢測系統，檢測系統就能快速檢測出吸收光譜，并且迅速處輸入電腦進行分析和儲存。微型光纖光譜儀的體積優勢，使其能夠與氣體檢測系統更好的集成到一起，方便檢測車輛進行運輸與架設。

（4）水果分選機

吸收光譜在工業領域應用案例不僅僅局限于氣體應用，微型光纖光譜儀也被應用于水果流通的分選環節，將水果的糖分和水分作為測量指標，結合其他物理探頭對水果進行分選。相對于水果的大小，對于特殊人群，如糖尿病患者，其糖分對于消費者而言意義更為重要，使用近紅外光譜儀可以對糖分和水分的含量進行判定。

基于微型光纖光譜儀的水果分選機一般由兩部分組成，一個是發射的光源，一個是用來檢測的光譜儀。一般在檢測中會采用高功率的鹵鎢燈，提供近紅外段寬光譜的能量，由于光源的高功率也就能提升了檢測時穿透水果果皮的能力，在水果另一側的光譜儀才能夠獲得更多更強的信號，提高信息的準確性。在水果分選過程中，水果數量巨大，微型光纖光譜儀檢測的高效性正好滿足了水果分選機的工作特點。

微型光譜儀之在線光譜技術應用微型光譜儀之在線光譜技術應用
水果分選機示意圖

（5）節能玻璃鍍膜工藝在線監控

由于現在玻璃工藝技術的發展，很多高樓選擇使用玻璃作為外墻的建筑材料，但與傳統建筑材料相比，玻璃的隔熱性能有所欠缺。如果想使室內溫度維持在一個穩定值，就需要對玻璃進行處理，最常見的手段是將玻璃進行鍍膜工藝，使得玻璃能夠盡可能的透過可見光，而同時增強隔熱性能。所以鍍膜過程的質量保證，成為了玻璃隔熱性能優良與否的重要因素。

將多個微型光纖光譜儀與玻璃生產線相集成，對鍍膜的效果進行實時測量。微型光纖光譜儀所采集到測量指標，如鍍膜玻璃的反射率，透過率，膜厚數據，反饋給鍍膜機，使其在下一次鍍膜過程中對鍍膜工藝進行調整。在檢測過程中，氘燈和鹵鎢燈混合光源照射到被測樣品上，會反射一部分光，被光源同側的光譜儀接收，而另一側放置的光譜儀對透射光譜進行測量。所以整個檢測系統能對反射光譜和透射光譜進行測量。由于檢測的玻璃尺寸較大，所以為了對玻璃鍍膜的均勻性進行全面的測量，探頭采取平移方法掃描整塊玻璃。由于微型光纖光譜儀的體積小巧，內部結構緊密，無移動部件，可以適應較高加速度和震動的環境，使得微型光纖光譜儀和探頭可以進行在檢測過程中進行往復運動。

微型光譜儀之在線光譜技術應用
微型光纖光譜儀檢測示意圖

微型光譜儀之在線光譜技術應用
玻璃鍍膜工藝監控系統

微型光譜儀之在線光譜技術應用
微型光纖光譜儀與平移臺集成

（6）印刷機的在線顏色監控

顏色準確性是印刷行業重點關注的技術指標，由于不同紙張材料的吸水性差異于油墨的批次差異會導致印刷品之間存在色差，將微型光纖光譜儀與印刷實時顏色監控系統相集成就顯得尤為的重要。

在印刷機上集成一個反射光譜的測量系統，對印刷品的校準色塊進行反射測量，并通過相應算法將光譜數據換算為行業內能夠接受的顏色指標。由于印刷中的紙張具有快速移動的特性，所以在運用中往往會采用積分球或環形的反射鏡對光源進行勻化，從而減小檢測樣品在印刷過程中的振動與傾斜。光譜儀所得光譜數據反饋到印刷設備對顏色的品控進行調整。

光譜儀自帶可編程邏輯電路，可將復雜的邏輯關系寫入微型光纖光譜儀中，可以使光譜儀直接與印刷設備油料控制器對接，產生在線的閉環系統。