在近红外(NIR)光谱分析领域中,一个将便携性与高性能实验室系统的准确性和功能性组合在一起的系统将极大地改进实时分析。由一块电池供电的小型手持式光谱分析仪的开发可以实现对工业过程、或食品成熟度的评估在现场进行更有效的监控。
关键字:分析仪 探测器 器件
引用地址:二维微机电(MEMS)阵列为移动光谱分析仪打下基础
大多数色散光谱分析测量在一开始采用的都是同样的方式。被分析的光通过一个小狭缝;这个狭缝与一个光栅组合在一起,共同控制这个仪器的分辨率。这个衍射光栅专门设计用于以已知的角度反射不同波长的光。这个波长的空间分离使得其它系统可以根据波长来测量光强度。
传统光谱测量架构的主要不同之处在于散射光的测量方式。两种常见的方法有(1)与散射光物理扫描组合在一起的单元素(或单点)探测器,以及(2)将散射光在一组探测器上成像。
使用MEMS技术的方法
使用具有一个单点探测器、基于光学微机电系统 (MEMS) 阵列技术的全新方法可以克服传统光谱分析方法中的很多限制。在基于单点探测器的系统中,一个固态光学MEMS阵列用简单、空间波长滤波器取代了传统的电动光栅。这个方法可以在消除精细控制电动系统中问题的同时,利用单点探测器的性能优势。近些年,此类系统已经投入生产,其中,扫描光栅被取代,并且MEMS器件过滤每一个特定波长进入单点探测器。这个方法在实现更加小巧和稳健耐用光谱分析仪的同时,也表现出很高的性能。
相对于线性阵列探测器架构,光学MEMS阵列的使用具有数个优势。首先,可以使用更大的单元素探测器,以提高采光量,并极大降低系统成本和复杂度,这对于红外系统更是如此。此外,由于不使用阵列探测器,像素到像素噪声被消除了,而这可以极大地提升信噪比(SNR)性能。SNR性能的提高可以在更短时间内获得更加准确的测量结果。
在一个使用MEMS技术的光谱分析系统中,衍射光栅和聚焦元件的功能与之前一样,但来自聚焦元件的光在MEMS阵列上成像。要选择一个用于分析的波长,一个特定的光谱响应波段被激活,这样的话,就可以将光引入到单点探测器中进行采集和测量。
如果MEMS器件高度可靠,能够生成可预计的滤波器响应,并且在不同的时间和温度下保持恒定,那么这些优势就可以实现。
将一个DLP® 芯片或数字微镜器件(DMD)用作一个空间光调制器,并且在一个光谱分析仪系统架构中将其用作MEMS器件的话,可以克服数个难题。首先,使用一组铝制微镜来接通和关闭进入单点探测器的光,这在广泛的波长范围内是光学有效的。其次,数字微镜的打开和关闭状态由机械止动装置和互补金属氧化物半导体(CMOS)静止随机访问存储器(SRAM)单元的锁存电路控制,从而提供固定的电压镜控制。这个固定电压、静止控制意味着这个系统不需要机械扫描或模拟控制环路,并且能够简化校准。它还使得光谱分析仪设计更能免受温度、老化或振动等错误源的影响。
DMD的可编程属性具有很多优势。其中某项优势会在进行光谱分析仪架构设计时显现——如果以被用作滤波器的微镜的寻址列为基础。由于DMD分辨率通常高于所需的光谱,DMD区域会出现欠填充的情况,并且会对光谱过采样。这使得波长选择完全可编程,并且在光引擎出现极端机械位移的情况下,将额外微镜用作重新校准列。
此外, DMD是一个二维可编程阵列,这为用户提供高度的灵活性。通过选择不同的列数量,可以调节分辨率和吞吐量。扫描时间可动态调整,如此一来,用户可对所需波长进行更长时间、更加详细的检查,从而更好地使用仪器时间和功能。此外,相对于固定滤波器器具1,诸如采用的Hadamard图形等高级孔径编码技术,可实现高度的灵活性和更高性能。
总之,与目前的光谱分析系统相比,使用DMD的光谱分析器件可实现更高分辨率、更高灵活性、更加稳健耐用、更小的外形尺寸和更低的成本,从而使得它们对于广泛的商业和工业应用更有吸引力。
单探测器架构消除噪声
目前基于线性阵列的光谱分析仪主要受到两个因素的限制。首先,探测器的波长选择受到像素孔径的限制。探测器的尺寸决定了采集到的光量,从而影响SNR。诸如Hamamatsu G9203-256的常见磷化砷镓铟(InGaAs)256像素线性阵列的尺寸为50微米 x 500微米。相反地,一个数字微镜阵列是一个完全可编程的矩阵,可以针对应用来配置列的数量和扫描技术。这可以将更大的信号呈现给通常与DMD一同使用的更大的1毫米或2毫米的单点探测器。将窄带光过滤到一个线性阵列中——通常是50微米宽像素——也许会出现串扰的问题。像素到像素干扰会成为读取过程中产生噪声的主要原因。这些干扰可通过单探测器架构消除。此外, 通过利用1kHz至4kHz的数字微镜扫描速度,单点探测器可以达到与平行多点采样相类似的驻留时间。对于基于MEMS ——或基于DMD——的紧凑型光谱分析仪引擎,结果显示SNR的范围大于10000:1。
对于超级移动光谱分析仪十分关键的小型、高分辨率2D MEMS阵列
为了尽可能地提高性能,用户需要考虑可被用于将光线反射至探测器的MEMS总面积。然后,将这个面积与可用单点探测器孔径尺寸仔细匹配。
一个采用5.4微米微镜的DMD具有超过40万个可用像素,并且可以针对700纳米至2500纳米的波长进行优化。该款DMD是DLP2010NIR,它采用一个被称为TRP的全新像素架构。如图1中所见,这个像素提供17度的倾斜角。DLP2010NIR在一个评估模块中运行;这个评估模块提供针对光谱分析应用场景的独特光学架构。一个利用17度接通和关闭角度的光学路径可以用一个尽可能减少散射光的小巧引擎实现高性能感测分辨率。
图2中显示了这个针对光谱分析使用情况的独特光学引擎。这个系统优化了整个光路径中光学信号。来自样本的响应在DMD上成像,从而实现对每个波长的空间控制。这个评估模块的目的在于,通过将高效MEMS用作光谱分析中的高速2D滤波器,来获得设计优势。它是一款小巧、结实耐用且高度自适应系统,能够使光谱分析走出实验室,直接应用于现场测量或含光源测量。与传统光谱分析仪相比,同一个器件中的透射和反射测量头互换功能可以实现性能基准测试。
一个利用DLP2010NIR芯片的光谱分析光引擎有数个照明模块,并且每个模块的工作方式稍有不同。在一个传输模块中,光源、比色皿支架、高精度比色皿和和其它安装硬件被用于完成透射样本的吸收量和散射属性的测量。NIR透射测量值可用于液体样本,诸如果汁的水含量或出现的气体特征。这些数据能够提供与果汁原产地有关的很多信息。在固体样本中,NIR透射可以测量塑料管的不透光度,而这是观察气体和液体在传送线路中流动的重要参数。线路内的透射测量也被用于分析黄油在生产过程中的水含量,这样可以及时调整黄油制作工艺,从而节省了时间、尽可能降低成本,并且增加最终产品的质量。
或者,在样本无需与光谱分析仪窗口接触的测量中,反射模块是一个选择。它可以在几厘米的距离之外灵活地执行扫描操作,比如肉品被包装在塑料薄膜后监测肉品质量。诸如血糖预测等健康应用方面,也可以使用皮肤的漫反射来成为NIR区域内特色应用。
最后,在光纤耦合模块中,不论是透射测量,还是反射测量,它们都是通过光纤实现。这样可以在光谱分析仪与样本无法直接接触时实现测量。此类采样示例包括监视工业过程、测量导管中流动的液体、分析鸡肉、牛肉和猪肉中的湿度、脂肪和蛋白质含量。这些模块极大地扩展了应用范围,并且提供更高的测量性能。Optecks具有能够实现所有这些采样方法的照明模块解决方案。
正如之前讨论过的那样,使用DMD的光谱分析器件将功能拓展至对多个物质的分析、测试和测量。它们为实现更加准确的性能、更高分辨率、更大灵活性、更好的稳健耐用性和更小外形尺寸光感侧解决方案提供一个途径。此外,使用DMD的光谱分析仪还带来了更高的测量可靠性,而这在之前使用的传统光谱分析系统中,这也许是无法实现的。不论用户是打算用它测量农田中的庄稼需要的灌溉量,或是想要预测食物中的腐败程度,光谱分析都在不断成为准确、实时分析的强大方法。
参考书目
1 Pruett, E.,“德州仪器(TI)DLP® 近红外光谱分析仪的最新发展可实现下一代嵌入式小巧、便携式系统”SPIE 9482-13 2015年4月
上一篇:红外热像仪原理解析
下一篇:用遥控器巧做晶振频率测试仪
推荐阅读最新更新时间:2024-03-30 23:28
正确理解时钟器件的抖动性能
摘要
在选择时钟器件时,抖动指标是最重要的关键参数之一。但不同的时钟器件,对抖动的描述不尽相同,如不带锁相环的时钟驱动器有附加抖动指标要求,而带锁相环实现零延时的时钟驱动器则有周期抖动和周期间抖动指。同时,不同厂家对相关时钟器件的抖动指标定义条件也不一样,如在时钟合成器条件下测试,还是在抖动滤除条件下测试等。
为了正确理解时钟相关器件的抖动指标规格,同时选择抖动性能适合系统应用的时钟解决方案,本文详细介绍了如何理解两种类型时钟驱动器的抖动参数,以及从锁相环输出噪声特性理解时钟器件作为合成器、抖动滤除功能时的噪声特性。
1、概述
随着半导体工艺速度和集成度的提高,以及模拟集成电路设计能力的提升,锁相环芯片的产品形态越
[电源管理]
Nexperia推出适用于汽车应用中高速接口的新型ESD保护器件
用于汽车多媒体和视频链路应用的高性能4通道ESD保护,提供出色的信号完整性 奈梅亨,2021年4月20日:基础半导体器件领域的专家Nexperia宣布推出一系列ESD保护器件,专门用于保护汽车应用中越来越多的高速接口,特别是与信息娱乐和车辆通讯相关的车载网络(IVN)。 随着数据传输速率的提高和车载电子含量的增加,EMC保护的需求变得越来越重要,提供正确的保护类型已成为设计工程师的巨大挑战。Nexperia的TrEOS技术优化了ESD保护的三大关键参数(信号完整性、系统保护和鲁棒性),以提供具有低电容、低钳位电压和高ESD鲁棒性的理想组合的器件。 全新的PESD4USBx系列总共包括十二款采用TrEOS技术的高性能4
[汽车电子]
毫米波测试解决方案之频谱分析仪
在写这篇文章的时候,我其实也没有怎么做过毫米波测试,我相信正在读这篇文章的读者中大部分也没有怎么接触过毫米波测试。那么我们为什么还要这么专注于毫米波测试呢? 在几年以前,我根本无法想象这么短时间内行业内会对毫米波应用有这么高的关注度。那时候,做为测试工程师的我,了解30GHz 到300GHz的测试仪器还只是像一个穷学生看到橱窗里的Allianware笔记本电脑的情景:“ 酷!太牛了!等我月入10w的时候一定也买一台” 然后就… … …没有然后了。 然而仅仅过了几年,40G的信号源,50G的频谱仪,67G的网分我都有幸使用了一番。 当前毫米波应用主要集中在以下几个行业上: 能够完整提供毫米波测量解决方案的仪器厂商主要是是德(安
[测试测量]
悦心车专利布局|车辆制动系统故障模拟分析仪
16年在纽约格林北环赛道测试时,一辆价值600万美元的柯尼塞格One:1因前轮ABS传感器发生故障导致发生惨烈的撞车事故;一汽奥迪Q3也曾有多名车主投诉ABS泵存在严重安全质量问题;另有北京奔驰E级也曾被车主投诉新车出现ABS泵故障严重影响安全。 01 车评人常说的ABS究竟是什么? ABS想必大家都听说过,但是具体是用来干什么的,可能很多新手朋友并不了解 。ABS英文全称Anti-locked Braking System,中文全称防抱死制动系统。ABS可以防止车轮抱死,从而取得最佳刹车效果。在刹车过程中ABS可以自动调节车轮制动力,使车轮处于边滚边滑的状态,就是我们平时所说的“点杀”,只不过动作频率平均每秒高达60-1
[汽车电子]
IrDA红外通信器件应空调器检测线上的应用
摘要: 实现无线数据通讯有多种方式,当前流行的主要是蓝牙技术和红外通信技术。IrDA红外通信是一种低价的、适应性广的短距离无线通讯技术。文章介绍了IrDA的关协议、实现方法以及在连续检测数据采集系统中的应用。
关键词: IrDA 无线通信 数据采集 在线检测
空调器在生产线装配完成后,都要上检测线检测致冷、致热功能的各项技术指标,这些主要的检测项目有温度、压力、电耗等。空调器在检测线上是边前进边检测,每一空调器在空运行、制冷、制热一定时间后都要在设定的位置将运行的温度、压力、电耗等检测数据以及空调器的产品序号在行进中通过无线通信方式传送给数据管理主计算机。由于空调器的生产量很大、因而产生的数据
[网络通信]
如何判断激光粒度分析仪的优劣
判断激光粒度分析仪的优劣,主要看其以下几个方面: 1、粒度测量范围粒度范围宽,适合的应用广。不仅要看其 仪器 所报出的范围,而是看超出主 检测 器面积的小粒子散射 0.5μm如何检测。 最好的途径是全范围直接检测,这样才能保证本底扣除的一致性。不同方法的混合测试,再用计算机拟合成一张图谱,肯定带来误差。 2、激光光源一般选用2mW激光器,功率太小则散射光能量低,造成灵敏度低;另外,气体光源波长短,稳定性优于固体光源。检测器因为激光衍射光环半径越大,光强越弱,极易造成小粒子信噪比降低而漏检,所以对小粒子的分布检测能体现仪器的好坏。检测器的发展经历了圆形,半圆形和扇形几个阶段。 3、是否使用完全的米氏理论
[测试测量]
瑞萨电子推出集成电源转换电路的低损耗碳化硅功率器件系列
2012年1月24日,日本东京讯——全球领先的高级半导体和解决方案的供应商瑞萨电子株式会社(TSE:6723,以下简称“瑞萨电子”)宣布推出三款碳化硅(SiC)复合功率器件,它们是RJQ6020DPM、RJQ6021DPM和RJQ6022DPM。三款产品在单一封装中结合了多个碳化硅二极管和多个功率晶体管,组成电源转换电路。这些功率器件是瑞萨电子推出的采用碳化硅的第二个功率半导体产品系列。碳化硅是一种能有效降低损耗的新材料。全新功率器件旨在用于家电(如空调)、PC服务器和太阳能发电系统等电力电子产品。
最近,为了应对环保问题,降低电气设备功耗,提高电气产品效率的需求不断提高。特别是提高电源转换效率,以降低空调、通信
[电源管理]
12位A/D转换器ADS7864在电网谐波分析仪中的应用
ADS7864是Burr-Brown公司开发的12位6通道A/D转换器,介绍了ADS7864的工作原理、内部结构、工作模式及编程要点,给出了ADS7864在电网谐波分析仪中与数字信号处理器TMS320F206的接口应用实例,并且对DSP与A/D转换器的接口特点进行了总结。 1 引言 随着用电量的增加,电网的谐波污染变得日益严重,这就要求电力监控设备能够及时准确地对电网谐波分量进行监测。在笔者研制的电网谐波分析仪中,使用ADS7864对各相关点的波形信号进行采集。实践表明,ADS7864的采样精度及稳定性是令人满意的。 ADS7864是Burr-Brown公司(已被德州仪器收购)开发的12位6通道A/D转换器,其主
[测试测量]