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第七章 精密仪器设计实例 通过对便携式近红外光谱仪器、激光干涉测长仪*设计分析，掌握精密仪器的特点、要求、结构及设计方法。 内 容 7.1* 近红外光谱仪器设计 7.2 激光干涉仪设计 7.1 近红外光谱仪器设计 一、 近红外光谱仪器概述 原理 结构 性能指标 分类 2、结构 3、性能指标 （1）仪器的波长范围 （2）吸光度范围 （1）仪器的波长范围 光谱范围主要取决于仪器的光路设计、检测器的类型以及光源。 近红外光谱仪器的波长范围通常分两段，700～1100nm的短波近红外光谱区域和1100～2500nm的长波近红外光谱区域。 （3）波长重现性 对样品进行多次扫描，谱峰位置间的差异，通常用多次测量某一谱峰位置所得波长或波数的标准偏差表示（许多傅立叶变换的近红外光谱仪器习惯用波数cm-1表示）。 仪器稳定性的一个重要指标 （7）杂散光 除要求的分析光外其它到达样品和检测器的光量总和。 杂散光对仪器的噪音、基线及光谱的稳定性均有影响。一般要求杂散光小于透过率的0.1％。 （1）扫描速度 在一定的波长范围内完成1次扫描所需要的时间。 仪器的设计方式（原理） 4、分类 4、分类 4、分类 固定波长 滤光片 激光二极管 光栅扫描（SCANNING） 傅立叶变换（FT） 光栅阵列检测（ARRAY DECTING） 声光过滤（AOTF） 阿达玛变换式 （Hadamard ） 多通道傅里叶变换式 滤光片式 激光二极管式 傅立叶变换 傅立叶变换型光谱仪 接收信号 傅立叶变换 固体阵列检测 AOTF 阿达玛变换式 各种类型的特点与性能比较 声光可调滤光器（AOTF） 双折射晶体、射频辐射源、光声转换器和声波吸收装置组成。 光声转换器（压电晶体换能器）将高频的驱动电信号转换为在晶体内的超声波振动，引起晶格的变化，使之在空间周期调制，等效衍射光栅。入射光照射后产生布拉格衍射(晶面间距为半波长的整数倍则相干加强)，分为：+1级衍射（平行晶格）、-1级衍射（垂直晶格）、0级光（未发生衍射） 吸声体则是吸收通过晶体后的声波，防止声波在晶体内发生多次重复反射。 声光可调滤光器是采用双折射晶体（*TeO2碲（di4）、石英、锗），通过改变射频频率来调节扫描的波长。整个仪器系统无移动部件，扫描速度快。但目前这类仪器的分辨率相对较低，价格也较高。 Δn：晶体双折射系数差（ni为晶体对入射光的折射率，nd为晶体对衍射光的折射率）；a：晶体参数；V：晶体内超声波的速度；f：控制频率。改变f（20us后）获得所需的波长。波长的带宽（分辨率）：晶体的尺寸、射频输出功率及其带宽、 射频频率范围从300KHz～30GHz之间 在与固定光路相匹配的阵列检测器中，常用的有电荷耦合器件（CCD）和二极管阵列（PDA——photo-diode array ）两种类型，其中硅基（Si：400～1100nm）CCD多用于近红外短波区域的光谱仪，硫化铅基（PbS：1100～2500nm）或铟-镓-砷基（InGaAs：800～1700nm）PDA检测器则用于长波近红外区域。 光栅扫描式具有较高的信噪比和分辨率，但由于仪器中的可动部件（如光栅轴）在连续高强度的运行中可能存在磨损问题，从而影响光谱采集的可靠性，不太适合于在线分析。 的完成1次扫描所需的时间有很大的差别。例如，电荷器件多通道近红外光谱仪器完成1次 扫描只需20ms，速度很快；一般傅立叶变换仪器的扫描速度在1次/s左右；传统的光栅扫描型仪器的扫描速度相对较慢，但目前也有一些光栅扫描型仪器采用新的设计形式，扫描速度达到了1.8次/s。 光栅扫描型仪器采用新的设计形式，扫描速度达到了1.8次/s：阿达玛变换。 对任何一台特定的近红外光谱仪器，都有其有效的光谱范围，光谱范围主要取决于仪器的光路设计、检测器的类型以及光源。 近红外光谱仪器的波长范围通常分两段，700～1100nm的短波近红外光谱区域和1100～2500nm的长波近红外光谱区域。 主要取决于光谱仪器的分光系统，对用多通道检测器的仪器，还与仪器的像素有关。分光系统的带宽越窄，其分辨率越高，对光栅分光仪器而言，分辨率的大小还与狭缝的设计有关。 仪器的分辨率能否满足要求，要看仪器的分析对象，即分辨率的大小能否满足样品信息的提取要求。例如二甲苯异构体的分析，一般要求仪器的分辨率好于1nm。 波长的重现性指对样品进行多次扫描，谱峰位置间的差异，通常用多次测量某一谱峰位置所得波长或波数的标准偏差表示（许多傅立叶变换的近红外光谱仪器习惯用波数cm-1表示）。 波长重现性是体现仪器稳定性的一个重要指标，对校正模型的建立和模型的传递均有较大的影响，同样也会影响最终分析