UV指的是一種由200~400個(gè)同位素組成的波群，內含多種儀器儀表及眾多的傳感器和其他器械組成。利用紫外光對特定物質(zhì)的響應特性分析，結合光譜吸收算法，可以實(shí)現對特定物質(zhì)的定性定量分析，該方法具有樣品用量小，分析速度快，結果穩定等優(yōu)點(diǎn)，在醫藥、衛生、化工、食品、環(huán)保、農業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應用。常規的UV分析儀是由薄膜光學(xué)器件，平面光柵和線(xiàn)陣探測器組成的。但由于紫外光的獨特性，使常規光學(xué)器件存在著(zhù)紫外光譜波段反射率低的問(wèn)題，同時(shí)又使平面光柵的衍射效率降低，光程增大，導致光強變弱，降低了光譜儀的信噪比。近年來(lái)，國內外學(xué)者對微型化紫外光譜儀進(jìn)行了大量的研究。日本HAMAMATSU公司在紫外頻段推出了TM系列，該系列采用透射式光柵和非致冷-背照式CCD圖象傳感器，具有極高的分辨率和極高的透射率，但透射式光柵的透射率和衍射效率都很低，而且很難制造。由美國海洋光學(xué)公司研制的Maya系列微型UV光譜儀，采用非對稱(chēng)式光學(xué)結構，量子轉換率可達90%，分辨率可達0.1度，非常適合于高光譜應用。但C-T結構對光學(xué)器件的需求越來(lái)越多，這就造成了安裝和調試的困難，而且這些產(chǎn)品價(jià)格昂貴，難以推廣。國產(chǎn)UV產(chǎn)品主要來(lái)自上海復享公司，其FX2000是UV的典型代表，但也存在光譜數據輸出不穩定、信噪較低等缺點(diǎn)。采用全息凹面光柵的微型紫外光譜儀，將分光與成像結合在一起，可以有效減小系統像差，提高信噪比和分辨率，降低儀器成本，滿(mǎn)足了市場(chǎng)上對可在線(xiàn)實(shí)時(shí)監測、便于二次開(kāi)發(fā)的紫外光譜儀的要求。根據激光測光儀的特殊要求，以全息凹面光柵為核心光學(xué)器件，結合實(shí)際應用環(huán)境，建立了紫外光譜儀的測試樣機和測試平臺，并對其進(jìn)行了性能測試和應用試驗。
微小型傳感器UV光譜儀分析系統的原理與實(shí)現。
UV光譜系統的工作原理。
紫外線(xiàn)光譜探測技術(shù)用來(lái)測量紫外線(xiàn)區域的光，紫外光具有波長(cháng)短、能量高的特點(diǎn)，當污染物吸收光時(shí)，其分子內的電子發(fā)生轉移，所產(chǎn)生的分子吸收光譜稱(chēng)為紫外吸收光譜，它是一種電子躍遷光譜，它吸收波長(cháng)在200~400nm之間，由于紫外吸收光譜吸收的能量大于紅外吸收光譜，容易檢測到吸收光譜的變化，因此可用于結構識別和定量分析。圖1顯示了紫外光譜探測技術(shù)的一般工作過(guò)程。首先利用分光計測量樣品數據，這些數據反映樣品的成分或物態(tài)信息；然后利用標準參比方法測得樣品的成分或物態(tài)信息，并將兩組測得的數據應用相關(guān)計量建立校正模型；最后，利用未知樣品的光譜測定及建立的校正模型，快速預測分析樣品的成分或物態(tài)。
光系設計和模擬。
光譜分析儀器的核心是光學(xué)系統，它直接決定著(zhù)分析儀器的性能。最常用于微型光譜儀的光學(xué)結構是基于C-T平面光柵和全息凹面光柵。C-T的制作成本低，結構緊湊，但是有更多的光學(xué)裝置和更復雜的裝配工藝。它具有窄的全息凹面光柵光譜范圍，但是它的凹面光柵是分光的，成像為一體，沒(méi)有鬼線(xiàn)，雜散光低，信噪比高，像差小，需要的器件少，安裝方便。
這種光學(xué)系統主要由入射狹縫、全息凹面光柵、平面反射鏡、陣列探測器4部分組成，當光源發(fā)射出的復合光經(jīng)入射窄縫進(jìn)入全息凹面光柵時(shí)，經(jīng)分光聚焦，不同波長(cháng)的單色光經(jīng)平面反射鏡反射后，依次集中于平直的象面，最后由線(xiàn)陣CCD探測器獲得光譜信息。
為了減少雜散光，在探測器前及狹縫后采用限束孔技術(shù)，提高了系統部件的加工性能。針對儀器內壁二次反射、儀器調節方便可靠等要求，從各個(gè)方面綜合考慮，完成了系統結構設計。
關(guān)于電路設計，數據采集與傳輸系統主要包括A/D轉換器、FPGA、USB2.0通道，光電檢測系統主要包括濱松S11151-2048線(xiàn)陣CCD探測器。其主要設計思想是采用USB芯片對數據采集系統進(jìn)行采集控制，并將采集控制命令存入FPGA控制寄存器。FPGA根據該命令向A/D轉換器發(fā)出相應的控制信號，在FPGA的邏輯控制下，A/D轉換器將模擬量轉換為數字量，并將指定信道的采樣數據存入緩存區，最后送至計算機。
系統的軟件部分是數據采集與分析，數據庫模塊分為五個(gè)主要模塊。在此基礎上，提出了一種基于USB2.0協(xié)議的光譜采集模塊，該模塊將硬件的光譜信號讀取到上位機上，并對讀取的光譜信號進(jìn)行平滑、濾波等基本處理；光譜標定模塊首先實(shí)現峰值定位功能，然后通過(guò)讀取汞燈特征譜線(xiàn)的特征峰所對應的線(xiàn)陣CCD探測器的每個(gè)像元，采用多項式擬合的標定方法對紫外光譜進(jìn)行定標；圖像顯示和數據存儲模塊主要是通過(guò)USB協(xié)議將光譜數據以字節形式傳送到上位機上，之后，為了便于用戶(hù)分析處理，還對標定前后的光譜信息進(jìn)行了光譜顯示，并將光譜信號數據按用戶(hù)要求的格式存儲到用戶(hù)選擇的文件夾中。小型UV光譜儀是煙氣分析儀的技術(shù)核心，在線(xiàn)實(shí)時(shí)分析的UV光譜儀采用IV型光學(xué)系統設計，全息凹面光柵減少了光學(xué)系統的像差，減少了儀器體積，降低了儀器儀表及傳感器的性能，并能對200~400nm波段的光譜進(jìn)行精確測量，分辨率達到0.31nm。結果表明，所研制的紫外光譜分析儀性能穩定，能完成差分吸收光譜技術(shù)在紫外光譜分析儀性能測試中的應用研究。經(jīng)試驗初步驗證了紫外光譜分析儀在SO2氣體質(zhì)量濃度測試中的性能，并對數據和分析結果進(jìn)行了分析，得出了紫外光譜分析儀的各項性能指標基本達到實(shí)用水平；但數據處理算法仍需改進(jìn)，典型的建模和光譜儀應用場(chǎng)景測試是下一步工作的重點(diǎn)。
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