1. 工業(yè)在線光譜分析技術(shù)
目前在線光譜分析已經(jīng)以驚人的速度應(yīng)用于多個領(lǐng)域的企業(yè)生產(chǎn)的多個環(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*優(yōu)點(diǎn)是分不開的，比如:
在線光譜分析可以對多路多組分連續(xù)同時測量,，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?。?/span>
在線光譜分析多采用光纖傳輸技術(shù),，適合環(huán)境惡劣的場合;
在線光譜分析儀器結(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)對于企業(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限,，同時對于性能穩(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)明了世界上*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(yuǎn)離光譜儀器的樣品光譜引到光譜儀器,，以適應(yīng)被測樣品的復(fù)雜形狀和位置,。由光纖引入光信號還可使儀器內(nèi)部與外界環(huán)境隔絕，可增強(qiáng)對惡劣環(huán)境（潮濕氣候,、強(qiáng)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(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,，光信號被轉(zhuǎn)換成電子信號后,，經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，A/D放大后輸出,，zui后由軟件系統(tǒng)控制和采集信號,，進(jìn)而完成各種光譜信號測量分析。這些特點(diǎn)對于工業(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,，控制軟件和分析模型,，它們對于系統(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,。
圖1 在線光譜分析系統(tǒng)組成
2. 應(yīng)用案例-工業(yè)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(tǒng)設(shè)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(chǎn)品質(zhì)量控制,。用戶主要需求為：
·系統(tǒng)需滿足zui快180米/分鐘的檢測速度,，且具有足夠性。
·系統(tǒng)能夠進(jìn)行非接觸非破壞性采樣測量,。
·系統(tǒng)能直接輸出zui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)要能反映被測樣品的峰值波長,、光譜等特性。
·系統(tǒng)具備自檢和異常報警功能,。
·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。
為滿足檢測速度要求,，系統(tǒng)單次測量周期不得大于4毫秒,。為此整個系統(tǒng)將采用流水線并行作業(yè)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(yè)定制型光譜儀的zui小積分時間可達(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,，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探測器進(jìn)行下一周期積分時并行計算反射率數(shù)據(jù)。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(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,。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)的延遲時間將小于1毫秒,。而經(jīng)過測算，進(jìn)行50萬次（相當(dāng)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(jī)上每次平均耗時僅0.02毫秒,，單次zui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(diǎn)在經(jīng)過探頭3.6厘米后系統(tǒng)會給出報警或停機(jī)信號,。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,。報警采用光譜儀與聲光報警器協(xié)同工作實(shí)現(xiàn),。
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(zhǔn)操作,。經(jīng)常校準(zhǔn)能有助于使計算的顏色結(jié)果更接近于實(shí)際結(jié)果，消除光源,、環(huán)境以及其他因素對測量的影響,。當(dāng)進(jìn)行校準(zhǔn)操作時，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,。此時打開光源，確保光源強(qiáng)度不會使光譜儀飽和,，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，即可對樣品進(jìn)行顏色的測量和計算了,。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算,。
根據(jù)上述分析結(jié)果,，系統(tǒng)使用了對顏色測量進(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)接口能在測量光譜的同時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)行報警或觸發(fā)停機(jī),，確保了整個系統(tǒng)的實(shí)時性和可靠性。
系統(tǒng)的探頭支架可安裝在用戶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,。
zui終的人機(jī)接口將安裝在操作員使用的盤臺上,，該工作站主機(jī)將安裝在盤臺內(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,。
圖2 系統(tǒng)組成示意圖
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),，如啟動測量過程，讀取測量數(shù)據(jù)等,；
·計算模塊：計算光譜數(shù)據(jù),，得到LCH顏色值；
·底層驅(qū)動：主要控制光譜儀,、光源,、電子快門、傳動模塊等硬件設(shè)備,；
·測量模塊：根據(jù)測量時序,、流程完成一個完整的測量流程；
·數(shù)據(jù)庫：主要用于保留系統(tǒng)參數(shù),、測量歷史數(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,，測量數(shù)據(jù)顯示,，歷史數(shù)據(jù)瀏覽，系統(tǒng)功能測試等,。
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,，且均對通道號進(jìn)行標(biāo)識,，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)評估,。除了光譜儀，測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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