光谱传感器的应用与原理

 

什么是光谱传感器？

光谱传感器是光谱分析仪的一种，通过用光照射物质并测量光的反射、散射和吸收来获取分子信息。

它与分光仪几乎相同，常见的是带有集成探测器的。光谱传感器有多种类型，其区别在于所使用的光的波长范围和原理上的差异。通过使用分光传感器，可以对测定对象物的颜色测定、膜厚测定、化学物质的识别等进行监视。最近，已经开发出小型高性能光谱传感器，使得可以轻松地进行实时分析。

光谱传感器的应用

光谱传感器有多种类型，应用范围广泛。它用于多种领域，包括半导体等工业领域、制药等医疗应用以及食品和水质分析。

例如，在食品工业中，使用了可以在不接触和损坏的情况下测量食品的近红外光谱传感器。可以对农产品进行无损口感分析，可以实时测量西红柿中番茄红素含量、蔬菜中叶绿素含量、猪肉中脂肪含量等。近红外光谱传感器可以立即获得测量结果，因此对于生产控制和质量控制非常有效。

光谱传感器原理

图1 光谱传感器结构

光谱传感器通过将光照射到材料上并检测反射或透射光来测量材料吸收的光量。由于物质吸收的光取决于其成分和结构，因此可以使用光谱传感器推断物质的成分。

光谱传感器主要由光源、分光部分、样品部分和探测器组成。光源产生的光在分光部分被调节为特定波长的光并照射到样品上。在这种情况下，当照射光的波长缩小到一个时，它被称为单色仪，而当使用多个波长时，它被称为多色仪。前者扫描测量波长，因此测量耗时，但精度较高。后者可以在短时间内测量，但信号强度较弱，精度较差。

从样品反射或透射的光被引导至检测器，在检测器中测量其强度。每个测量波长的检测器都不同。CCD 探测器用于 180 nm 至 1100 nm 的 UV 至 NIR 范围，用于 900 至 1700 nm 的 NIR 的 InGaAs 探测器，以及用于 1700 至 2500 nm 的 NIR 的扩展 InGaAs 探测器。

光谱传感器类型

图 2. 光的类型

光谱传感器通过用于测量的波长来区分。各有各的特点，所以要根据用途来选择。光的种类很多，使用每种光的测量装置也有，但一般来说，光谱传感器使用的是紫外/可见光、近红外光、中红外光和远红外光。

1. 紫外线和可见光

用紫外/可见光照射待测样品，并测量反射光或透射光。根据目标物体吸收红、蓝、绿三种颜色的程度的信息来确定物体的颜色。作为检测物质颜色的颜色传感器，用于产品的颜色管理以及缺陷产品和杂质的检测。

2. 近红外光谱

用近红外线照射待测样品，并测量透射或反射的近红外线。近红外线穿过物体时吸收很少。可以分析固体、粉末、液体等各种状态的样品。如上所述，除了用于无损农产品和食品外，还用于测量血氧饱和度的脉搏血氧仪和红外摄像机。

3. 中红外光谱

用中红外线照射待测样品并测量反射的中红外线。由于每个分子都有独特的吸收模式，因此可以识别物质。对于固体样品，只能在照射光照射的表面附近进行测量，因此主要用于检测气体和液体中的杂质等应用。它用于发动机油分析和尿液分析。

4.远红外线

测量从测量目标发射的远红外线。远红外线与温度密切相关，可以测量温差。它用于热成像和运动传感器。

有关光谱传感器的附加信息

光谱传感器以外的光谱分析方法

图 3. 主要光谱分析仪

光谱学是通过测量物质透射或反射的光的能量并将其与入射光的能量进行比较来对物质进行定性和定量分析。以下方法是典型的光谱分析方法，所使用的波长从伽马射线到无线电波不等。

1.吸收光谱
吸收光谱是通过用光照射样品，测量反射或透射光，并将其与入射光的能量进行比较，从而对物质进行定性和定量分析的分析方法。典型的分析仪是每个波长的吸收光谱仪。

2.荧光光谱（或发射光谱）
荧光光谱是用光照射样品，测量样品产生的荧光（或冷光），利用光的能量对物质进行定性和定量分析的分析方法。离开。典型的分析仪包括荧光磷光光谱和X射线荧光光谱(XRF)。

3. 光散射光谱法
光散射光谱法是一种用光照射样品，测量散射光，并根据光的能量和强度对物质进行定性和定量分析的分析方法。典型的分析仪器包括拉曼光谱、动态光散射 (DLS) 和小角度 X 射线散射 (SAXS)。

4. 磁共振光谱法
磁共振光谱法是在磁场中用光照射样品，测量透射光，并根据吸收的光对物质进行定性和定量分析的分析方法。典型的分析仪器包括核磁共振（NMR）、电子自旋共振（ESR）和核磁共振成像（MRI）。

5.光电子能谱
光电子能谱是一种用光照射样品并测量光电效应发射的电子的分析方法。典型的例子有X射线光电子能谱(XPS)、紫外光电子能谱(UPS)和俄歇电子能谱(AES)。