UV指的是一种由200~400个同位素组成的波群，内含多种仪器仪表及众多的传感器和其他器械组成。利用紫外光对特定物质的响应特性分析，结合光谱吸收算法，可以实现对特定物质的定性定量分析，该方法具有样品用量小，分析速度快，结果稳定等优点，在医药、卫生、化工、食品、环保、农业等领域得到了广泛应用。常规的UV分析仪是由薄膜光学器件，平面光栅和线阵探测器组成的。但由于紫外光的独特性，使常规光学器件存在着紫外光谱波段反射率低的问题，同时又使平面光栅的衍射效率降低，光程增大，导致光强变弱，降低了光谱仪的信噪比。近年来，国内外学者对微型化紫外光谱仪进行了大量的研究。日本HAMAMATSU公司在紫外频段推出了TM系列，该系列采用透射式光栅和非致冷-背照式CCD图象传感器，具有极高的分辨率和极高的透射率，但透射式光栅的透射率和衍射效率都很低，而且很难制造。由美国海洋光学公司研制的Maya系列微型UV光谱仪，采用非对称式光学结构，量子转换率可达90%，分辨率可达0.1度，非常适合于高光谱应用。但C-T结构对光学器件的需求越来越多，这就造成了安装和调试的困难，而且这些产品价格昂贵，难以推广。国产UV产品主要来自上海复享公司，其FX2000是UV的典型代表，但也存在光谱数据输出不稳定、信噪较低等缺点。采用全息凹面光栅的微型紫外光谱仪，将分光与成像结合在一起，可以有效减小系统像差，提高信噪比和分辨率，降低仪器成本，满足了市场上对可在线实时监测、便于二次开发的紫外光谱仪的要求。根据激光测光仪的特殊要求，以全息凹面光栅为核心光学器件，结合实际应用环境，建立了紫外光谱仪的测试样机和测试平台，并对其进行了性能测试和应用试验。
微小型传感器UV光谱仪分析系统的原理与实现。
UV光谱系统的工作原理。
紫外线光谱探测技术用来测量紫外线区域的光，紫外光具有波长短、能量高的特点，当污染物吸收光时，其分子内的电子发生转移，所产生的分子吸收光谱称为紫外吸收光谱，它是一种电子跃迁光谱，它吸收波长在200~400nm之间，由于紫外吸收光谱吸收的能量大于红外吸收光谱，容易检测到吸收光谱的变化，因此可用于结构识别和定量分析。图1显示了紫外光谱探测技术的一般工作过程。首先利用分光计测量样品数据，这些数据反映样品的成分或物态信息；然后利用标准参比方法测得样品的成分或物态信息，并将两组测得的数据应用相关计量建立校正模型；最后，利用未知样品的光谱测定及建立的校正模型，快速预测分析样品的成分或物态。
光系设计和模拟。
光谱分析仪器的核心是光学系统，它直接决定着分析仪器的性能。最常用于微型光谱仪的光学结构是基于C-T平面光栅和全息凹面光栅。C-T的制作成本低，结构紧凑，但是有更多的光学装置和更复杂的装配工艺。它具有窄的全息凹面光栅光谱范围，但是它的凹面光栅是分光的，成像为一体，没有鬼线，杂散光低，信噪比高，像差小，需要的器件少，安装方便。
这种光学系统主要由入射狭缝、全息凹面光栅、平面反射镜、阵列探测器4部分组成，当光源发射出的复合光经入射窄缝进入全息凹面光栅时，经分光聚焦，不同波长的单色光经平面反射镜反射后，依次集中于平直的象面，最后由线阵CCD探测器获得光谱信息。
为了减少杂散光，在探测器前及狭缝后采用限束孔技术，提高了系统部件的加工性能。针对仪器内壁二次反射、仪器调节方便可靠等要求，从各个方面综合考虑，完成了系统结构设计。
关于电路设计，数据采集与传输系统主要包括A/D转换器、FPGA、USB2.0通道，光电检测系统主要包括滨松S11151-2048线阵CCD探测器。其主要设计思想是采用USB芯片对数据采集系统进行采集控制，并将采集控制命令存入FPGA控制寄存器。FPGA根据该命令向A/D转换器发出相应的控制信号，在FPGA的逻辑控制下，A/D转换器将模拟量转换为数字量，并将指定信道的采样数据存入缓存区，最后送至计算机。
系统的软件部分是数据采集与分析，数据库模块分为五个主要模块。在此基础上，提出了一种基于USB2.0协议的光谱采集模块，该模块将硬件的光谱信号读取到上位机上，并对读取的光谱信号进行平滑、滤波等基本处理；光谱标定模块首先实现峰值定位功能，然后通过读取汞灯特征谱线的特征峰所对应的线阵CCD探测器的每个像元，采用多项式拟合的标定方法对紫外光谱进行定标；图像显示和数据存储模块主要是通过USB协议将光谱数据以字节形式传送到上位机上，之后，为了便于用户分析处理，还对标定前后的光谱信息进行了光谱显示，并将光谱信号数据按用户要求的格式存储到用户选择的文件夹中。小型UV光谱仪是烟气分析仪的技术核心，在线实时分析的UV光谱仪采用IV型光学系统设计，全息凹面光栅减少了光学系统的像差，减少了仪器体积，降低了仪器仪表及传感器的性能，并能对200~400nm波段的光谱进行精确测量，分辨率达到0.31nm。结果表明，所研制的紫外光谱分析仪性能稳定，能完成差分吸收光谱技术在紫外光谱分析仪性能测试中的应用研究。经试验初步验证了紫外光谱分析仪在SO2气体质量浓度测试中的性能，并对数据和分析结果进行了分析，得出了紫外光谱分析仪的各项性能指标基本达到实用水平；但数据处理算法仍需改进，典型的建模和光谱仪应用场景测试是下一步工作的重点。
免责声明：本文部分内容源于网络，如侵犯您的权益，请联系删除。
