一种基于拉曼效应的气体光纤光谱分析仪的设计Word文档下载推荐.docx

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由于光谱分析技术相对于其他分析技术能够方便、快速和准确的测量生产过程中产生的易燃易爆气体，使得近年来光谱分析仪器在石油和煤炭行业到了广泛的应用。

根据现代光谱仪器的工作原理，光谱仪可以分为两大类:

经典光谱仪和新型光谱仪；

特别是近年来出现的采用了高性能低噪声的电荷耦合器件（CCD）光学多道分析OMA（OpticalMulti-channelAnalyzer）以及先进的计算机控制技术和光纤传导技术的引入使得光谱分析仪器向便携式、高性能和模块化方向发展，这种新型的光谱分析仪集光纤传导技术、低噪声信息采集技术、计算机信息处理技术以及数据存储技术于一体，使传统的光谱技术发生了根本的改变,大大改善了测量速度和测量精度，降低了成本，满足了现代工业的现场检测和实时监控的需求。

拉曼光谱相对于其他光谱有着提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量，特别是拉曼光谱一次可以同时覆盖50-4000波数的区间，可对几乎绝大部分的有机物及无机物进行分析相对于若让其他光谱覆盖相同的区间则必须改变光栅、光束分离器、滤波器和光电转换器并且共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍，使检测更加方便、准确和成本低廉，基于拉曼效应的光谱分析仪相对于其他光谱分析仪器具有明显的优势。

二、拉曼效应

1928年印度科学家拉曼首次发现的当光穿过透明介质时被分子散射的光发生频率变化，这一现象称为拉曼散射或拉曼效应。

当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会按原来的方向透射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。

在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外，还有一系列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应（如下图）。

由于拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。

因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息从而可以鉴别物质。

目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究谱线特征。

U0

U0-U1

U0+U1

拉曼散射普线

瑞利散射普线

拉曼光谱

拉曼光谱与红外吸收光谱同为研究物质的分子振动能级从而分析物质的组成，但相对于红外吸收光谱，拉曼光谱的谱线较为简单且具有独特性，而且被测物不需进行前处理，因此在判断物质组成成分时有明显的优势。

拉曼光谱测量系统特别适用于反应过程监控、产品识别、遥感及介质中高散射粒子的判定。

随着激光器的问世，提供了优质高强度单色光激励源，有力推动了拉曼散射的研究及其应用。

拉曼光谱的应用范围遍及化学、物理学、生物学和医学等各个领域，对于纯定性分析、高度定量分析和测定分子结构都有很大价值。

三、光纤传导技术等光学新技术在光谱分析仪光路设计中的应用

传统的光谱仪光学系统结构复杂（如下图），需通过旋转光栅对整个光谱进行扫描，测量速度慢，并且还要将采来的样品经过粉碎、压片、研磨、溶解等预处理手段后，放在仪器的固定样品室内进行测量分析。

传统光谱仪光路结构

近年来，由于光纤技术、光栅技术及阵列式探测器技术的发展和成熟以及非对称交叉式Czerny-Turner光路结构的出现，使得光谱检测系统形成了光源、采样单元及摄谱单元相分离的结构形式，整个系统结构更具模块化和轻便化，使用更加方便灵活（如下图为非对称交叉式Czerny-Turner光路结构）。

非对称交叉式Czerny-Turner光路结构

低损耗光纤、高效率光栅及低噪声高灵敏CCD阵列探测器等相关技术的发展，使光纤光谱仪在性能上有了很大的改进，具有如下技术特点：

1）光纤传导技术：

光纤技术的发展，使待测物脱离了固定样品池的限制，采样方式变得更加灵活，适合于远距离样品品质监控。

由于光纤对光信号的传输作用，使得光谱仪可以远离外界环境的干扰，保证光谱仪的长期可靠运行（如下图光谱仪光纤组件）。

光纤组件结构图

2）CCD阵列探测器技术：

将经光栅分光后的作用光在探测器上同时瞬间采集，而不必移动光栅，因此样品光谱采集速度及快（测量时间为3.8ms~10min），并通过计算机实时输出。

（下图为CCD阵列探查器实物）

CCD阵列探查器

3）光栅技术：

全息光栅具有较小的杂散光，而机械刻划光栅具有更高的反射率和灵敏度。

随着微型光纤光谱仪应用测量系统的不断拓展，其快速高效分析及便携式实时应用的优势逐渐显现出来，光谱分析技术正逐步从实验室分析走向现场实时检测。

四、一种气体傅立叶拉曼气体光纤光谱分析仪的设计原理

1、几种重要的拉曼光谱分析技术

1）单通道检测的拉曼光谱分析技术

该技术由于技术落后采用单通道光电倍增管、精度差和检查时将长等原因，现在基本上已经退出市场。

2）以CCD为代表的多通道探测器用于拉曼光谱的检测仪的分析技术

相比以前的光电转换器件光电倍增管的单管单通道每次只能测量单个元素来言，CCD具有检查噪声低，信号同步测定和可实现“全谱”多通道多元素同时测定从而提高的检测效率和速度。

3）采用傅立叶变换技术的FT-Raman光谱分析技术

傅立叶变换拉曼光谱是上世纪90年代发展起来的新技术，1987年，PerkinElmer公司推出第一台近红外激发傅立叶变换拉曼光谱（NIRFT—R）仪，采用傅立叶变换技术对信号进行收集，多次累加来提高信噪比，并用1064nm的近红外激光照射样品，大大减弱了荧光背景。

从此，Fr—Raman在化学、生物学和生物医学样品的非破坏性结构分析方面显示出了巨大的生命力。

4）共振拉曼光谱分析技术

激光共振拉曼光谱（RRS）产生激光频率与待测分子的某个电子吸收峰接近或重合时，这一分子的某个或几个特征拉曼谱带强度可达到正常拉曼谱带的104～106倍，并观察到正常拉曼效应中难以出现的、其强度可与基频相比拟的泛音及组合振动光谱。

与正常拉曼光谱相比，共振拉曼光谱灵敏充高，结合表面增强技术，灵敏度已达到单分子检测。

5）表面增强拉曼效应分析技术

自1974年Fleischmann等人发现吸附在粗糙化的Ag电极表现的吡啶分子具有巨大的拉曼散射现象，加之活性载体表面选择吸附分子对荧光发射的抑制，使激光拉曼光谱分析的信噪比大大提高，这种表面增强效应被称为表面增强拉曼散射（SERS）。

SERS技术是一种新的表面测试技术，可以在分子水平上研究材料分子的结构信息。

2、傅立叶拉曼光纤光谱分析仪的光路设计

相对于传统的光谱仪器的采用系统需要固定样品室和样品台等，光纤光谱仪则可以在现场直接对样品进行采样，而无需样品的提前处理等工作。

由拉曼散射的原理可知拉曼散射的信号较弱，受干扰影响大故采用拉曼光谱的分析仪器的光纤探头采用系统光路设计较为复杂一些。

下图为一种常见的用于拉曼光谱分析的光纤探头采样系统光路设计。

采样系统光路设计

该采样系统光路中陷波滤光器的作用是，能针对性的将以激光激励源为中心的几个纳米的波长范围内的瑞利散射光能量有效的滤除达5到6个数量级，让该波长范围以外的光信号顺利通过，类似于电路滤波器当中的陷波器作用。

内部的光学摄普系统的光路设计采用的是上面的非对称交叉式Czerny-Turner光路结构，该结构参考了全球最大的光纤光谱仪器生产厂家海洋光学公司的微小型光纤光谱分析仪所采用的非对称交叉式Czerny-Turner光路，此光路的设计是在经典的对称式Czerny-Turner结构基础上进行的光路的改进，使光谱仪内部结构布局更紧凑，使产品更加小型化。

该结构与经典的对称式Czerny-Turner结构相比，缩短了光程，使聚焦镜投射到线性CCD阵列检测器的平行排列单色光展成一定角度的圆弧排列，会对光的检查产生一定的非线性误差，但是该摄普结构使光纤光谱仪中无活动结构件，可以在一定程度上减小像差，并使工作光谱范围不受材料影响。

所以该结构可以适应高震动、狭窄空间等复杂工况环境的检查需要，特别是适应石油和煤炭等野外环境恶劣条件下使用。

3、傅立叶拉曼光纤光谱分析仪的电路设计

由于采用的CCD阵列检查器作为光电转换装置的主要器件，CCD除了感光和采样性能极好之外，在电性能方面CCD输出的电信号为数字信号，这样避免了分离的色谱信号采集电路所产生的色谱失真等现象。

显示输出系统

信号处理电路

CCD阵列检查器

输入控制系统

时钟电路

电路设计整体框图

时钟控制器的选择应该依照CCD和信号处理芯片（ARM9或DSP）的需要，一般CCD工作所需要的各路驱动脉冲和时钟都是由时钟驱动电路产生，采用具有PLL电路的时钟控制器具有时钟精度高、温漂小和控制方便等特点。

输入控制系统可以选择按键输入或者是触摸输入方式，由于触摸输入方式具有先进性、便捷性和直观性等优点，所以采用触摸输入方式。

显示输出系统可以采用液晶显示或者数码管显示方式以及外接USB或者串口输出的方式与其他设备通信。

由于液晶显示具有显示内容丰富、显示效果直观等特点，所以采用液晶显示方式。

外部通讯的接口采用USB和UART的方式。

存储方式采用EEPROM。

4、拉曼傅立叶光纤光谱分析仪的软件设计和傅立叶算法的实现

上电

系统初始化

报警，并显示错误代码或原因

有异常

核心硬件自检

通过

显示欢迎画面并等待CCD输入光谱数据的中断请求

判断CCD数据输入请求

无输入请求

有输入请求

数据有异常

判断数据是否为光谱数据

显示等待测量或数据不正确

用傅立叶算法处理数据，并算出结果

无选择

显示物质种类和含量

选择按返回键

根据用户选择，显示指定物质的拉曼图普、用串口将数据发送给其他设备、USB存储结果和再次测量

显示某个用户选择物质的拉曼图谱

选择显示拉曼图谱

选择再次测量

傅立叶算法的实现（参见其他资料）

五、一种气体拉曼光纤光谱分析仪的功能模块架构

光纤传输

样品

光源

采样系统

摄普系统

信号处理系统

光电转换装置

六、各个模块功能分析及说明

光源：

由于气体激光器输出的光源单色性好、功率大并且最好能多波长工作的入射光，可作为该仪器激励光源。

样品：

待测样品，如为气体等透明样品则需要专用光学挡板，将经过样品的激光反射回接收探头。

采样系统：

采样系统分包括聚光、入射光栅、入射的滤光片和陷波滤波器等，使输入的光信号聚焦性更强、方向性更好、功率更大和减小干扰。

摄普系统：

摄普系统使拉曼散射光按波长在空间分开。

由于拉曼散射强度很弱，因而要求色散系统有很好的杂散光水平。

光电转换装置：

线阵CCD是阵列型光电传感器，用CCD作为该光谱分析仪光电转换装置的核心器件，就可以使系统同一时刻测量整个光谱。

信号处理系统：

内含计算机处理器芯片和数据采集系统可以对前级转换过来的微弱信号进行采集、分析、运算和存储功能。

显示输出系统：

具有显示数据、报警等功能，是人机交互接口。

输入控制系统：

具有方便用户输入用户信息和功能选择等功能。

七、结束语

此种光谱仪具有性能优良、技术先进以及便携等特点，一定能产生很好的市场效果。