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近紅外光譜技術(shù)過(guò)去的發(fā)展情況

早期光譜儀通常是體積龐大笨重且配備活動(dòng)部件的儀器。照明光源通過(guò)棱鏡或光柵被分散為其子部件適用的波長(zhǎng)。針對(duì)相應(yīng)光譜上的每個(gè)測(cè)量點(diǎn)，光柵在手動(dòng)控制下以小的增量旋轉(zhuǎn)。與其它在線測(cè)量?jī)x表提供的參數(shù)（如壓力、流量和溫度等變量）相比，在線近紅外分析提供的數(shù)據(jù)（如組成或性質(zhì)）是直接質(zhì)量參數(shù)，對(duì)生產(chǎn)的優(yōu)化提供更準(zhǔn)確和有益的參考信息。每個(gè)所測(cè)樣本的數(shù)據(jù)都被整理成一份光譜圖。然后，需要手動(dòng)將光譜圖與參考物及其他樣本進(jìn)行對(duì)比。這些早期光譜儀固定擺放在實(shí)驗(yàn)室的某個(gè)位置，而且一經(jīng)安裝就很少再被移動(dòng)。

20世紀(jì)70年代迎來(lái)了光譜技術(shù)領(lǐng)域微處理器的誕生，其既可用于控制光譜儀，也可用于處理所測(cè)得的數(shù)據(jù)。20世紀(jì)70年代到21世紀(jì)初期，半導(dǎo)體工業(yè)獲得了長(zhǎng)足發(fā)展。但近紅外分析的效率是取決于儀器所配備的模型的數(shù)目，比如測(cè)量一張光譜圖，如果僅有一個(gè)模型，只能得到一個(gè)數(shù)據(jù)，如果建立了10種數(shù)據(jù)模型，那么，僅憑測(cè)量的一張光譜，可以同時(shí)得到10種分析數(shù)據(jù)。這給微處理器和電腦帶來(lái)了革命性的變化，從而能夠更好地控制光譜儀和處理光譜數(shù)據(jù)。模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的誕生使光譜數(shù)據(jù)采樣可以通過(guò)處理器控制。

近紅外光譜分析技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)今的近紅外光譜儀通常采用以下六種架構(gòu)：

固定濾波器：這類儀器基于固定數(shù)量的波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，每種波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)濾光輪上特定的濾光片。濾光輪在不同濾光片之間轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行讀數(shù)。

旋轉(zhuǎn)光柵/棱鏡：這類儀器利用電機(jī)在單點(diǎn)探測(cè)器上移動(dòng)光柵分散的輸出（波長(zhǎng)）。

FT-NIR：這類儀器利用邁克耳孫干涉儀技術(shù)的傅立葉交換性質(zhì)，通過(guò)移動(dòng)的鏡面創(chuàng)造能夠與某個(gè)光譜形成數(shù)學(xué)相關(guān)的干涉圖樣。

線陣探測(cè)器：這類儀器利用光柵在元素?cái)?shù)量為256或512以上的一維線性像素陣列上分散波長(zhǎng)。

線性漸變?yōu)V光器：這類儀器利用線陣探測(cè)器前的漸變?yōu)V光元素，使特定波長(zhǎng)能夠影響每個(gè)像素元素。

DLP?技術(shù)：數(shù)字微鏡器件（DMD）將光柵分散的光反射到單個(gè)像素探測(cè)器上。DMD可編程，且靈活度高，因此可按照任何順序或不同分辨率對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行采樣。整個(gè)過(guò)程只需一次掃描即可完成。

現(xiàn)在的近紅外光譜儀比前幾代產(chǎn)品要先進(jìn)得多，具有微處理器控制、高精A/D采樣、光譜電算化（帶統(tǒng)計(jì)分析）等特性。不同架構(gòu)的使用模型也有所不同：

實(shí)驗(yàn)室專用型：通常為的大型通用儀器。處理光譜數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)可以是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部設(shè)備，也可以是通過(guò)以太網(wǎng)或USB互聯(lián)的遠(yuǎn)程設(shè)備。這些計(jì)算機(jī)可對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在數(shù)秒之內(nèi)完成與分布式參考庫(kù)的對(duì)比。

便攜型：便攜式NIR光譜儀外形同實(shí)驗(yàn)室小型版本類似，可以移動(dòng)，通常配備110V交流電源或12V帶反相器電源，體積通常比午餐盒略大一些，可以放在卡車后擋板上，以供現(xiàn)場(chǎng)或工業(yè)環(huán)境（例如農(nóng)場(chǎng)或礦區(qū)）中使用。

聯(lián)機(jī)型：這類專門化設(shè)備用于監(jiān)測(cè)工廠環(huán)境，通常具有特定用途。工廠安裝可能會(huì)在一條裝配線上包含多臺(tái)光譜儀，通過(guò)以太網(wǎng)或無(wú)線網(wǎng)連接到主控制設(shè)施。

手持型：手持式光譜儀的生產(chǎn)受到了廣泛關(guān)注，其特征是真正實(shí)現(xiàn)了便攜化，非常便于用戶使用。目前已推出電池供電式產(chǎn)品，體積與大型手鉆相近。這類產(chǎn)品的好處是，非常便攜，而且依靠?jī)?nèi)置電源可以遠(yuǎn)途使用。

近紅外線光譜儀的用途

1. 實(shí)驗(yàn)室

儀器通常體積較大、準(zhǔn)確度高且屬于一般用途。用來(lái)處理光譜資料的電腦可能位于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部，有些則是位在遠(yuǎn)端并透過(guò)乙太網(wǎng)路或USB連網(wǎng)。它們能處理大量的資料，幾秒內(nèi)就能和分散式參考標(biāo)的進(jìn)行比對(duì)。

2. 野外

可攜式近紅外線光譜儀的外型類似小型實(shí)驗(yàn)室儀器，可隨意移動(dòng)，通常只需交流電110伏特，或12伏特加上變流器即可供電。可攜式近紅外線光譜儀的尺寸通常只比便當(dāng)盒大一點(diǎn)，可放置在貨卡尾門上，適用于農(nóng)田或礦場(chǎng)等產(chǎn)業(yè)型場(chǎng)景。

3. 工廠

這類專用設(shè)備可監(jiān)測(cè)工廠環(huán)境，通常有特定的用途。在工廠的建置中，一條生產(chǎn)線上可能包含多種的光譜儀，透過(guò)乙太網(wǎng)路或以無(wú)線連網(wǎng)連結(jié)主要的控制設(shè)施。

近紅外光譜分析儀器

近紅外光譜儀器從分光系統(tǒng)可分為固定波長(zhǎng)濾光片、光柵色散、快速傅立葉變換、聲光可調(diào)濾光器和陣列檢測(cè)五種類型。濾光片型主要作專用分析儀器，如糧食水分測(cè)定儀。由于濾光片數(shù)量有限，很難分

析復(fù)雜體系的樣品。 光柵掃描式具有較高的信噪比和分辨率。 由于儀器中的可動(dòng)部件（如光柵軸）在連續(xù)高強(qiáng)度的運(yùn)行中可能存在磨損問(wèn)題，從而影響光譜采集的可靠性，不太適合于在線分析。近紅外光譜儀使用需要注意的事項(xiàng)注意要符合規(guī)定的環(huán)境條件來(lái)使用，值得相信的近紅外光譜儀廠家提醒要注意實(shí)驗(yàn)室的溫度以及相對(duì)濕度都應(yīng)該在標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)，所用電源應(yīng)配備有穩(wěn)壓裝置和接地線。傅立葉變換近紅外光譜儀是具有較高的分辨率和掃描速度，這類儀器的弱點(diǎn)同樣是干涉儀中存在移動(dòng)性部件，且需要較嚴(yán)格的工作環(huán)境。聲光可調(diào)濾光器是采用雙折射晶體，通過(guò)改變射頻頻率來(lái)調(diào)節(jié)掃描的波長(zhǎng)，整個(gè)儀器系統(tǒng)無(wú)移動(dòng)部件，掃描速度快。但這類儀器的分辨率相對(duì)較低，價(jià)格也較高。隨著陣列檢測(cè)器件生產(chǎn)技術(shù)的日趨成熟，采用固定光路、光柵分光、陣列檢測(cè)器構(gòu)成的NIR儀器，以其性能穩(wěn)定、掃描速度快、分辨率高、信噪比高以及性能價(jià)格比好等特點(diǎn)正越來(lái)越引起人們的重視。在與固定光路相匹配的陣列檢測(cè)器中，常用的有電荷耦合器件（CCD）和二極管陣列（PDA）兩種類型，其中 Si 基 CCD 多用于近紅外短波區(qū)域的光譜儀，InGaAs 基 PDA 檢測(cè)器則用于長(zhǎng)波近紅外區(qū)域。北京英賢儀器有限公司與石油化工科學(xué)研究院和美國(guó)微光譜公司合作， 基于陣列檢測(cè)器成功開發(fā)出了系列近紅外光譜儀，包括實(shí)驗(yàn)室型和在線型儀器，光譜范圍覆蓋了整個(gè)近紅外波段（700～2500nm），根據(jù)測(cè)量對(duì)象可以選擇多種測(cè)量方式如透射、漫反射等，已在 30 余家煉廠、科研單位和高校得到成功應(yīng)用。