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光谱分析仪的工作原理
发布时间:2019-09-16   点击次数:71次
     光谱分析仪简称光谱仪,是将成分复杂的复合光分解为光谱线并进行测量和计算的科学仪器,被广泛应用于辐射度学分析、颜色测量、化学成份分析等领域,在冶金、地质、水文、医药、石油化工、环境保护、宇宙探索等行业发挥着重要作用。在照明行业,通常使用光谱仪来测量光源的光色参数。
 
    本文对照明行业常用的光谱仪的工作原理进行了详细介绍,也对其性能参数进行了说明,可以作为设备选型时的基本参考。
 
    1、光谱仪的分类
 
    在光谱分析仪内部,也是利用色散组件的分光作用,通过不同的光路形式,将复色光分解成一系列独立的单色光,然后进行测量和计算。
 
    光谱分析仪一般由分光系统、接收系统和数据处理系统组成,其工作原理是将光源发出的复色光按照不同的波长分离出来,配合各种光电探测器件对谱线强度进行测量,获得光谱功率(辐射)分布,再计算出色品坐标、色温、显色指数、光通量、辐射通量等光色性能参数。
 
    分光系统通常做成整体式结构,称为单色仪或多色仪。单色仪是输出单色谱线的光学仪器,通常与PMT探测器为核心的接收系统配套工作,再由数据处理系统对测量信号进行计算处理,各部分相对独立。多色仪在结构上与探测器以及数据处理系统紧密结合,通常可以直接输出光谱测量数据。
 
    光谱分析仪的种类繁多,常见的分类方法如下:
 
    按工作光谱的区域分类:紫外-可见光(UV-VIS)光谱仪、可见光(VIS)光谱仪、紫外-可见光-近红外(VIR)光谱仪等类型
 
    按分光系统分类:棱镜分光光谱仪、光栅分光光谱仪、滤色片分光光谱仪
 
    按光路数量分类:单路光谱仪、多路光谱仪
 
    按探测器分类:在可见光范围内主要有PMT光谱仪和CCD光谱仪两种,在紫外、近红外范围内还有专门的探测器类型
 
    按扫描方式分类:机械扫描式光谱仪、快速扫描式光谱仪
 
    按测量对象和测量结果的用途分类:分析用光谱仪、光色测量用光谱仪
 
    在照明行业,通常使用的都是可见光光色测量光谱仪,又细分为机械扫描式和阵列扫描式两种。
 
    2、机械扫描式光谱仪
 
    机械扫描式光谱仪通常由单色仪、光电倍增管探测器、数据处理系统等几部分组成。其特点是测量精度高,但仪器庞大,结构复杂,扫描时间较长。主要用于各种高精度光色测量领域,不适合测量对时间敏感的光源或其他快速测量应用。
 
    2.1 单色仪
 
    单色仪的光路如下图所示,光源或照明系统发出的复合光线经光纤引导至入射狭缝并投射到准直反射镜上,经准直反射镜将发散光变换为平行光束再照射到衍射光栅,利用每个波长离开光栅的角度不同,由聚焦反射镜再把某一波长的单色光反射到出射狭缝,光电倍增管(PMT)就可以测定这个波长的数值和强度。光栅在步进电机的带动下匀速转动,出射狭缝就可以得到不同波长的单色光,通过同步读取光栅角度和光电倍增管的输出信号,就可以得到复合光的全部光谱信息。
 
    单色仪有入射和出射两个狭缝,入射狭缝用来限制杂散光的进入,一般位于准直镜的焦点上。出射狭缝用来限制光谱带宽,一般位于物镜的焦点上。狭缝通常由两个具有锐利刀口的精密金属片构成,分为固定狭缝、单边可调非对称式狭缝和双边可调对称狭缝几种。用于光色测量的亮度计中,两个狭缝通常设计为等宽,且不能自行调节。在用于材料分析的亮度计中,狭缝往往设计成可由仪器自动调节宽度。
 
    机械扫描式光谱仪的特点是光电探测器固定不动,通过机械旋转方式改变衍射光栅的角度,将不同波长的单色光逐一投射到探测器上,实现对整个光谱范围的扫描。由于整个可见光谱是按波长逐一测量,机械扫描式光谱仪的读数时间很长,通常需要数十秒钟,所以这类光谱仪并不适用于测量光源的瞬时输出。
 
    光谱分析仪作为一种改良技术,有些扫描式光谱仪将两个或多个衍射光栅安装在同一个旋转轴上,配合一个的角度编码器来实现每个角度同时采集两个或多个波长的测量值,以此缩短扫描时间并保证整个光谱范围内的波长性。
 
    2.2 光电倍增管探测器
 
    接收系统负责将光信号转为电信号,主要包括光电探测器、放大器、A/D转换等部分。不同的光谱频段需要选用不同类型的光电探测器,以确保光谱响应度。
 
    机械扫描式光谱仪通常使用光电倍增管(PMT)作为光电探测器,PMT是一种对紫外光、可见光和近红外光极其敏感的特殊电子管,它能将微弱光信号通过光电效应转变成电信号输出,使光信号能够被测量。
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