宽波段近红外多通道光谱仪器的研制

　　1　引　　言

　　上世纪60年代后,近红外光谱区分析在一些复杂物质的快速成分分析方面取得了很大的进展[1]。近10余年来,由于光谱技术、电子技术与计算机硬件技术和软件技术的发展,使分析科学中弱信号处理的理论和技术越来越成熟,它们被用于解决NIR光谱吸收弱及NIR谱区重叠的困难[226]。NIR分析的应用领域也由传统的农副产品分析扩展到了食品、药品等领域。

　　在欧美等发达国家NIR光谱技术已成为成分分析的重要手段[7]。但是,近红外光谱信息相对较弱,为实现有效的信噪比往往使用较大功率的近红外光源照射被测样品,这样做有两个不利方面:1)强光长时间照射样品可能会改变样品的性能,造成测试误差; 2)不利于实现在线甚至野外测试,包括测试仪器的能量问题及长时间测试造成精度下降的问题。这些因素限制了近红外光谱分析技术的应用。

　　随着多通道光电传感器(成像偶合器件简称CCD,光电二极管阵列简称SPD)的出现,包括近红外多通道光电传感器,NIR光谱技术出现了另一分支既“多通道NIR光谱技术”,它以快速测试为特点,即整个波段(或分多个波段)的光谱一次扫描完成,时间很短。这个特点在许多应用场合如要求快速完成光谱扫(被测样品不稳定)或被测样品不允许被长期照射的情况下,成为必备的技术。因而多通道近红外光谱技术成为近期的研究热点,国内石油化工研究院等单位为此作了大量的研究工作[8210],并研制了在近红外短波段的多种仪器。

　　短波段的近红外光谱仪器主要对700nm~1100nm的近红外光谱进行测试分析。这一波段的近红外光谱主要是C2H、N2H、O2H基团的三、四级倍频,信号很弱,且光谱重叠现象严重。此波段的光谱采集可以用Si光电探测器,该探测器电路较简单,价格便宜。近红外的1100nm~1700nm波段主要对C2H、N2H、O2H基团的二级倍频,信号比三级倍频强1~2个数量级,光谱也分开明显。采用此波段进行近红外光谱分析具有较好的信噪比。考虑到仪器的实用性,我们研制了700nm~1700nm的多通道近红外光谱仪器,本文论述了该光谱仪器的总体设计,并用设计的样机对食醋、牛奶、药品的多个样品进行了测试。

　　2　多通道光谱仪器的设计

　　近红外光电探测器是整个光谱仪器的核心单元,也是这类光谱仪器的瓶颈。现有光电探测器件按光谱响应波长可分为可见/紫外探测器、近红外探测器、中远红外探测器等。在可见区域常用硅材料的探测器,而在近红外波段,目前有PbS, InGaAs等探测器。鉴于硅材料探测器的光谱响应在200~1100nm, PbS的光谱响应在1000~5000nm, InGaAs光谱响应在900~1700(改进型2500nm),同时考虑暗电流、噪音等性能,我们决定选用两波段双光谱仪器技术,即光谱仪是将700~1700nm波段分为700nm~1100nm与1050~1700nm两个波段的方法,通过分叉光纤将两波段的光谱仪器连在一起,如图1所示。