先进制造和工业加工依靠大量的工业传感器来监控原料、工艺参数和产品质量。
图1 Ocean Insight开发的光谱传感器系统：SpectraNova D8-M3，制造工厂使用这款光谱仪系统对消费电子产品生产线上的零件进行快速颜色检测。
据麦姆斯咨询介绍，长期以来，传感器一直是制造工艺控制的一个重要方面。作为人类感官的延伸，传感器可以协助制造人员监控工作流程，从而节省成本、能源和材料，同时达到更高的质量水平。早期的工业传感器是简单的液位计、热电偶和压力传感器，这些传感器可以测量密闭容器内化学和生物反应的压力、体积和温度。颜色的关键参数仍然是通过与标准颜色表进行比较来测量的，任何直接的化学或生物测量都是通过将样品带回实验室来进行的。
20世纪90年代，随着更小、更便携的光源、激光器和光谱仪的出现，情况开始发生变化。例如，Ocean Insight（位于佛罗里达州奥兰多市）在近30年前开发了微型交叉Czerny-Turner光谱仪，其具有便携性并支持在线测量。该技术被广泛应用在生物技术、能源、环境、制药和化学工业等领域。
实验室外采样的挑战
光谱仪最初是在实验室里使用的。然而，随着应用领域的开发和实施方法的进步，光谱传感器自然而然地会进入要求更高、更复杂的环境中，如生产车间和现场实地环境。在这种情况下，光谱传感器需要满足24/7可靠性、高通量测量、多种连接模式以及不受温度、湿度、灰尘、水甚至辐射等环境变化的影响。
以其中的一项挑战为例，工业环境中的通信可以通过包括Modbus、Profibus、Ethernet和EtherCAT在内的系统进行。数据格式和表现形式各不相同，对基于云计算的机器学习和数据存储的需求日益增加。此外，人们希望每个单独的传感器能够提供与其它多个相同类型的传感器相同的结果，由此可见，在该领域提供光谱解决方案具有前所未有的复杂性。
工业应用开发过程
在开发解决方案时，了解特定应用环境的特定需求非常重要。诸如来自Ocean Insight的系统和最初由FluxData（位于纽约州罗彻斯特市）开发的系统都提倡非“一刀切”的方法，将高性能光谱学与先进机械设计相结合，开发出了适用于一系列工业问题的特定解决方案。
其中一个系统是由Ocean Insight开发的光谱传感器系统：SpectraNova D8，制造工厂借助其对消费电子产品生产线中的零件进行快速颜色检测。
以前的颜色检测系统依靠与零件的接触来精确测量零件的表面颜色，而该仪器具有紧凑的非接触式检测系统，可轻松安装到生产线机器上，并在150毫秒或更短的时间内对每个零件进行颜色测量。该系统每天可以进行超过500,000个样品测量，实现了现代生产车间的快速自动化工作流程。同时，该系统也保持了0.01 ∆E*ab（标准偏差）的CIE76色差重复性。对于消费电子等行业而言，在满足客户的高容量需求下，保持精度和准确度的高通量质量控制的能力至关重要。
液体颜色和透射测量
另一个例子是液体透射测量系统（LTMS；见图2），该系统自动分析铝阳极氧化槽的颜色。虽然最初设计用于颜色测量，但诸如此类的技术也可以根据光的吸收或透射来测量液体浓度。重要的是，便携式分光光度计系统可以紧密集成到生产流程中，无需将样品运送到实验室或工作台。
图2 用于流体处理装置中液体颜色和浓度分析的液体透射测量系统和便携式框架内的分光光度计系统（a）；使用LTMS基于紫外吸收光谱法原位测量的（专有）工业化学品的典型透射曲线（b）。
例如LTMS包含的技术可以进行简单的流体处理，直接从分批罐中提取样品并将其转移到光谱传感器系统进行分析。随后，光源补偿的透射/吸收数据根据所选条件进行输出。从样本提取到数据呈现的整个过程在几秒钟内即可完成。这些系统必须在工厂各种可能的温度范围内准确运行。高可用性是基本要求，因为产品制造通常是24/7全天候的。
材料组分测量
激光诱导击穿光谱（LIBS；一种从远处测量元素/分子发射光谱的激光诱导等离子体）和拉曼光谱也使用了光谱测量技术。目前正在开发的系统——其中包括Ocean Insight的系统——正在使用拉曼和近红外光谱进行分子和生物测量，并使用LIBS进行元素和整体组分测量。
例如，Ocean Insight的SpeedSorter是一个主要为轻金属废料分拣应用而设计的模块化系统（见图3），其使用LIBS。使用常规方法无法轻易分离含有铝、镁和硅等元素的合金。LIBS对轻金属反应十分灵敏，使SpeedSorter系统能够准确地区分这些合金。
图3 Ocean Insight的SpeedSorter是使用激光诱导击穿光谱（LIBS）技术的系统之一，其检测目标是一块从分拣槽中掉落的废金属（a）；使用SpeedSorter分离的三种铝合金（b），其中每组点对应于一块分拣的废铝。
其它贱金属也可以分拣，如镁合金或钛合金。由于全球各地的废料分拣设施通常在接近室温的条件下运行，并且废品碎片可能被油漆、油和污垢覆盖，因此这些系统必须能够承受各种操作条件。
LIBS的另一个新兴应用是矿物和地质样品组分的现场鉴定。以前，该分析依赖于实验室技术，如电感耦合等离子体（ICP）、激光烧蚀和X射线荧光（XRF）。LIBS将这种分析从实验室带到现场，提供在线、快速的实验室级分析。对于高通量、远距离测量，包括采矿以及石油和天然气应用所需的测量，LIBS几乎是完美的选择。
光谱传感器提高了工业制造领域的质量和效率
在工厂车间、工业应用或资源勘探等任意工作场景中，光谱传感器都可以实现更高的质量和效率。光谱传感器的精度、准确度、速度和灵活性使其非常适合工业应用，能够实现高通量、实验室级质量控制与当前工艺流程的集成。开发在恶劣的工业环境中工作的传感器有其挑战性，但回报也可能是巨大的。预计未来十年内，工业应用中涉及光谱传感器的配置将显著增加。
延伸阅读：
《传感器技术和市场趋势-2020版》
《传感应用的VCSEL技术及市场-2021版》
《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》
