CN102121902B - 一种在线拉曼光谱仪校正装置及其校正方法 - Google Patents
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Abstract
一种在线拉曼光谱仪校正装置及其校正方法，检测在线拉曼检测系统的激光器的激光功率作为参考功率，由氖灯单色光源得到的拉曼谱峰的位置作为参考位置，实时对在线拉曼光谱仪的激光功率及谱图位置进行校正，实现在线拉曼光谱长时间工作情况下，激光功率下降或偏离时的校正以及谱图水平偏离时的校正，从而达到在线拉曼光谱仪恶劣环境下的长期有效工作，保证了在线拉曼光谱仪长期有效的在现场进行样品检测。
Description
技术领域
本发明属于光电技术领域，用于在线拉曼光谱仪的激光功率校正及谱图水平校正，实现在线拉曼光谱长时间工作情况下，激光功率下降或偏离时的校正以及谱图水平偏离时的校正，从而达到在线拉曼光谱仪恶劣环境下的长期有效工作，为一种在线拉曼光谱仪校正装置及其校正方法。
背景技术
拉曼光谱分析技术是一种以拉曼散射效应为基础的非接触式光谱分析技术，它能对物质的成分和结构进行定性、定量分析。拉曼光谱测量速度快，应用拉曼光谱分析可以做到原位实时测量，有利于过程控制的实时在线监测。自1960年出现激光后，由于激光具有单色性好、能量集中、输出功率大等特点、尤其是光谱辐射密度高、激光源体积小、重量轻、易自动化操作等优点，故而很快将激光用于拉曼光谱仪的激发光源，从而使拉曼光谱获得了新的起点。产生的激光拉曼光谱光源的拉曼光谱法。应用激光具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好等特性，与表面增强拉曼效应相结合，便产生了表面增强拉曼光谱。其灵敏度比常规拉曼光谱可提高10^4～10^7倍，使分析的信噪比大大提高。
传统流程工业使用压力、流量、温度等间接参数对装置进行控制。现在我们已经将在线拉曼监测器引入到某石化PX装置，完全可以进行直接针对产品的具体指标进行直接反馈控制。将对流程工业的未来产生深远的影响。
在现场实际拉曼光谱定量分析中，拉曼谱图数据处理是整个拉曼光谱分析流程中的关键，只有信号的可靠性高，才能谈论它的定性、定量准确度。然而在实际的使用过程中，激光器在长时间相对恶劣的环境中使用，会出现激光功率下降偏离等现象，而拉曼光谱信号的强弱与激光功率存在着一定的比例关系，当激光功率下降时，拉曼信号也随之下降，从而影响拉曼谱图的准确信，对测量检测带来不确定性影响。同时在长期的现场使用中难免会发生光栅的震动以及热胀冷缩带来的光栅位置偏移，导致拉曼光谱成像的水平偏移等情况。因此现场长期在线使用的拉曼光谱仪需要一种有效的仪器校准系统以保证其长期检测工作的准确、可靠。
发明内容
本发明要解决的问题是：在线拉曼光谱仪运用于芳烃吸附分离装置中时，长时间恶劣环境下使用，会出现激光器激光功率下降或不稳定现象，以及在热胀冷缩、光栅震动等情况下产生获得的拉曼光谱谱图水平漂移现象，拉曼光谱检测时，需要针对这些情况导致的谱图强度偏差进行校正，以保证拉曼检测的有效性精确性。
本发明的技术方案为：一种在线拉曼光谱仪校正装置，激光器为拉曼光谱仪提供拉曼检测的激发光源，校正装置包括分光光纤、激光衰减模块、45°等距光栅和光电检测器，激光器的输出激光经分光光纤分出一路，依次经激光衰减模块、45°等距光栅输入光电检测器。
激光衰减模块为2片90％的衰减片。
进一步的，校正装置还设有氖灯单色光源，氖灯单色光源的输出光源经光纤引入到拉曼光谱仪的样品检测光纤上，与拉曼检测光一起输入拉曼光谱仪，拉曼光谱仪的光栅对氖灯单色光源的输出光源分配固定成像位置。
上述的在线拉曼光谱仪校正装置的校正方法，在线拉曼光谱仪一开始运行的初始状态下激光器发射的激光，通过分光光纤进行分光，将分光获得的激光输入激光衰减模块进行衰减处理，获取原激光强度1％的光，将衰减后的光通过45°等距光栅进行均匀化处理，再输入光电检测器得到光强，从而获得初始状态下激光器输出的激光功率的大小，将得到的激光功率作为参考功率，在在线拉曼光谱仪运行的过程中，拉曼光谱信号强度对应的激光功率实时与参考功率进行比较，判断拉曼光谱信号强度是否发生偏离，并且通过激光功率与拉曼光谱信号强度的关系获得激光器的激光功率校正量。
进一步，还进行拉曼谱图水平校正：设置一氖灯单色光源，并在拉曼光谱仪光栅上给氖灯单色光源的输出光源分配固定成像位置，在拉曼光谱仪进行样品检测同时，用一根光纤将氖灯单色光源发射的光源引入到拉曼光谱仪的样品检测光纤上，与拉曼检测光一起输入拉曼光谱仪中进行成像，得到氖灯单色光源的输出光源的拉曼谱峰的位置，将其设为参考位置，通过所述参考位置实时对拉曼检测光的拉曼谱图位置进行校正。
本发明装置基于在线拉曼光谱仪的谱图校正技术，通过对激光器激光功率的校正以及谱图的水平校正来实现对拉曼光谱检测的校准。本发明技术方案中实现了在线拉曼光谱的激光功率及谱图位置的实时校正，通过对激光器激光功率的校正以及谱图的水平校正，克服了长时间恶劣环境下在线拉曼光谱仪容易出现的激光功率下降和光栅震动带来的谱图偏移不准确的影响，保证了在线拉曼光谱仪长期有效的在现场进行样品检测。
附图说明
图1为本发明装置激光功率校正部分的结构示意图。
图2为本发明装置谱图水平校正部分的结构示意图。
具体实施方式
本发明校正装置包括激光器光强校正部分2和谱图水平矫正部分，两部分独立运作，结合起来可以实现对在线拉曼光谱仪的完善校正工作。
如图1，激光器光强校正部分为：激光器1为在线拉曼光谱仪4提供拉曼检测的激发光源，激光功率校正部分包括分光光纤21、激光衰减模块22、45°等距光栅23和光电检测器24，激光器1的输出激光经分光光纤21分出一路，依次经激光衰减模块22、45°等距光栅23输入光电检测器24。这里激光衰减模块22为2片90％的衰减片。激发光源通过光纤输入检测样品5，在线拉曼光谱仪4对检测样品5进行拉曼检测。在线拉曼光谱仪4对应连接有计算机6进行在线数据处理。
如图2，在激光器光强校正部分的基础上，进一步增加谱图水平校正部分，包括氖灯单色光源3，氖灯单色光源3的输出光源经光纤引入到拉曼光谱仪的样品检测光纤上，与拉曼检测光一起输入拉曼光谱仪4，拉曼光谱仪4的光栅对氖灯单色光源3的输出光源分配固定成像位置。
本发明装置应用于石化行业芳烃吸附分离装置上拉曼光谱仪的谱图校正系统，由于芳烃吸附分离装置中现场比较复杂、恶劣，在线拉曼光谱检测通过光纤传导的范围在150m内位较佳状态，所以本发明的校正装置随在线拉曼检测器主体装置一起被安放在分析小屋内，同时本发明装置的结构上体积较小、较方便。
以下结合较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、特征及其功效，详细说明后，为了简单清楚地目的，下文恰当的省略了公知技术的描述以免那些不必要的细节影响对本技术方案的描述。
对于激光功率的校正，将在线拉曼光谱仪刚开始运行时，也就是初始状态下激光器1发射的激光，通过分光光纤21进行分光，将分光获得的激光输入激光衰减模块22进行衰减处理，获取原激光强度1％的光，由于获取的激光存在不均匀化的问题，将衰减后的光通过45°等距光栅23进行均匀化处理再输入光电检测器24，以保证光电检测器24中进行检测时能够快速有效地检测出光的强度，由光电检测器24获得初始状态下激光器1输出的激光功率的大小，将得到的激光功率作为参考功率，随着在线拉曼光谱仪的运行，拉曼光谱信号强度对应的激光功率实时与参考功率进行比较，判断拉曼光谱信号强度是否发生偏离，并且通过激光功率与拉曼光谱信号强度的关系获得激光器1的激光功率校正量。例如，通过激光功率与拉曼信号强度的关系，推算出在现场实际情况下，拉曼光谱图实际的强度所对应的激光功率，与参考功率对比即可发现激光器是否出现激光功率下降偏离等现象，从而进行校正。
对于拉曼谱图水平校正：设置一氖灯单色光源3，并在拉曼光谱仪4光栅上给氖灯单色光源3的输出光源分配固定成像位置，在拉曼光谱仪4进行样品检测同时，用一根光纤将氖灯单色光源3发射的光源引入到拉曼光谱仪4的样品检测光纤上，与拉曼检测光一起输入拉曼光谱仪4中，由拉曼光谱仪CCD成像系统进行成像，由于氖灯单色光源3所发射的光是单色光，并且经过设计固定氖灯光源在拉曼光谱仪4光栅的固定位置成像，则可得到氖灯单色光源3的输出光源的拉曼谱峰的位置，将其设为参考位置，如果拉曼光谱仪长期在恶劣环境下使用，拉曼光谱仪的光栅震动或是由于热胀冷缩等原因会导致谱图的水平移动，通过所述参考位置实时对拉曼检测光的拉曼谱图位置进行校正，获得理想谱图。
目前本发明方案在某石化芳烃装置现场使用，激光器采用的是532半导体泵浦式激光器；光纤为多模光纤；衰减片选用两片90％人工晶体光学衰减片，其效果为将激光强度衰减为原强度的1％；光电检测器为光电二极管。拉曼光谱仪为RMAN630型在线拉曼光谱仪。
本发明针对在线拉曼光谱分析仪的现场校正，整个校正过程实时进行且不影响拉曼光谱仪的正常运行，保证了在线拉曼光谱仪长期有效的在现场进行样品检测。校正装置结构易实现，结构简单体积小，与现有的在线拉曼光谱分析仪适应性好。
Claims (4)
1. 一种在线拉曼光谱仪校正装置，激光器（1）为拉曼光谱仪（4）提供拉曼检测的激发光源，其特征是校正装置包括分光光纤（21）、激光衰减模块（22）、45°等距光栅（23）和光电检测器（24），激光器（1）的输出激光经分光光纤（21）分出一路，依次经激光衰减模块（22）、45°等距光栅（23）输入光电检测器（24）；激光衰减模块（22）为2片90%的衰减片。
2.根据权利要求1所述的一种在线拉曼光谱仪校正装置，其特征是校正装置还设有氖灯单色光源（3），氖灯单色光源（3）的输出光源经光纤引入到拉曼光谱仪的样品检测光纤上，与拉曼检测光一起输入拉曼光谱仪（4），拉曼光谱仪（4）的光栅对氖灯单色光源（3）的输出光源分配固定成像位置。
3.权利要求1或2所述的在线拉曼光谱仪校正装置的校正方法，其特征是在线拉曼光谱仪一开始运行的初始状态下激光器（1）发射的激光，通过分光光纤（21）进行分光，将分光获得的激光输入激光衰减模块（22）进行衰减处理，获取原激光强度1%的光，将衰减后的光通过45°等距光栅（23）进行均匀化处理，再输入光电检测器（24）得到光强，从而获得初始状态下激光器（1）输出的激光功率的大小，将得到的激光功率作为参考功率，在在线拉曼光谱仪运行的过程中，拉曼光谱信号强度对应的激光功率实时与参考功率进行比较，判断拉曼光谱信号强度是否发生偏离，并且通过激光功率与拉曼光谱信号强度的关系获得激光器（1）的激光功率校正量。
4.根据权利要求3所述的在线拉曼光谱仪校正装置的校正方法，其特征是还进行拉曼谱图水平校正：设置一氖灯单色光源（3），并在拉曼光谱仪（4）光栅上给氖灯单色光源（3）的输出光源分配固定成像位置，在拉曼光谱仪（4）进行样品检测同时，用一根光纤将氖灯单色光源（3）发射的光源引入到拉曼光谱仪（4）的样品检测光纤上，与拉曼检测光一起输入拉曼光谱仪（4）中进行成像，得到氖灯单色光源（3）的输出光源的拉曼谱峰的位置，将其设为参考位置，通过所述参考位置实时对拉曼检测光的拉曼谱图位置进行校正。
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