从实验室到终端市场——微型光谱仪的光谱仪集成和定制

　　从微型光谱仪问世以来，灵活的采样方法、高效的测试速率、无损的检测方式、准确的检测结果使其在科研领域受到广泛的应用。而大量的科研需求已经不单单满足于实验室测量，样品制备、现场测量和交叉学科应用使得微型光谱仪的集成和定制成为当今科研和工业检测的必然需求。

　　在实际应用中，不同集成商根据实际需求和自身特点，使用光谱仪搭配不同等级产品、采样附件，甚至可以根据自身需求获得量身定制。集成商通过获得不同应用模块的集成化服务，使集成商自身系统与光谱仪进行有效的集成应用。

　　多样的集成商类型，可选择多样的合作方式：

　　针对以下两大类集成商，光谱仪集成化服务可提供相应的合作方式：

　　对于自己具备光机电一体化设计能力的集成商，可以采用标准化的光谱仪、光源和采集附件，并从厂家获得技术支持，协助把控项目进度。

　　对于专注于系统设计、软件开发的集成商，可以考虑采购嵌入式光学、机械电子等子系统，并从厂家获得生产工艺的技术支持，缩短研发仪器时间。

　　光谱仪集成化服务也可以根据集成商的特殊需求进行定制，并和其他光学模块、电子电路和机械组件进行组合，通过模块化搭配，提高自身光谱平台的集成性能，协助集成商设计完成一套完整的方案，满足特定的应用。

　　从研发到实际生产的过程中，集成商往往对于产品的可量产实施性提出很高要求，这个阶段就需要获得具备高精确性的生产技术。当集成商所搭建的集成样机完成验证后，一个稳定的测试平台将控制台间差，为产能的提升和生产过程中的差异性提供保障，能够轻松将集成样机转换到实际量产，产品开发生产流程将被大大简化。

　　获得模块化、灵活的产品服务与高精度的生产工艺，将减小集成商开发风险，为产品进入市场提供时间保障。

　　下面以典型的集成化解决方案流程，说明在集成化服务中能够获得哪些服务。

　　集成化解决方案流程

评估方案可实施性

集成商提出开发需求，集成化服务提供商完成应用背景调查，

分析模块化光谱仪兼容性，双方进行项目可实施性讨论，

基于产品性能特点，集成化服务提供商提供符合集成商要求的评估方案。

确定设计参数

双方讨论实际需求，集成化服务提供商向集成商给予专业角度回答和建议，

帮助集成商规避项目初期可预见风险，

依照模块化光谱仪规格，确定系统设计参数。

项目开发

基于双方前期达成的技术方案，集成化服务提供商完成所需开发，

利用自身光谱研究团队，

为集成商项目提供强大的技术支持。

原型机交付与图纸提供

高质量、高效率的加工机构为生产提供保障，

需要进行光、机、电多资源的合理整合，

最终产品的多次准确预演设计功能与参数，

满足集成商需求，完成原型机制作。

集成商意见反馈与设计修改

集成商任何建议和疑问需要及时提出，

双方进一步探讨确认解决方案，

基于沟通后解决方案，对设计进行修改。

开模与装配

为确保最终产品拥有优异品质，

可靠的开模和加工工艺服务，

满足集成商对产品的要求。

试生产测试

集成化服务根据集成商产品特点设计生产工序、寻找或定制装配工具，

并为其提供质量体系认证的生产线，

确保集成商的每一个产品拥有尽可能好的一致性。

集成商最终测试和签字确认

测试机型与交付产品需要保持高度一致，

整个生产环节为集成商设计的保密性进行保障，

并依照质量体系进行生产交付，

最终集成商亲自测试产品性能，随之进入量产。

　　在集成定制化解决方案中，不同种类需求的集成商能够获得完善、改进产品设计与生产的帮助，以最高效的方式使产品走向市场。

　　光谱仪的选择

　　为满足集成商应用需求，在集成化服务的协助下选择性价比高，风险小，能快速从实验室验证到商品化的光谱仪。双方进行紧密合作，确定项目目标、协助测试数据以及优化系统设计，并监控量产过程。在集成化服务中，集成商可获得灵敏度、分辨率和波长范围等性能参数，找到产品与应用需求之间的最佳平衡点。

　　极具专业水准的应用方案

　　许多因素会影响到光谱仪的光谱响应。从光谱仪中的光栅、检测器和反射镜，到检测样品的流通池和光纤，每个光学部件都有其独特的光谱响应，从而影响整个系统的响应。即使两个系统光学设计完全一样，但是每一个部件的微小差异，合在一起都会导致明显的台间差。在生产过程中低台间差，将为后期生产质量提供保障。

未经修正            比较并修正

　　如果把八台相同光谱仪对同一样品的测量光谱放在一起对比，就很容易看出光谱响应的差异，通过参比样品进行修正，可有效消除台间差。

　　光谱仪定制

　　微型光纤光谱仪的特点就是模块化，为满足集成商的具体应用，通过更换器件精心为集成商配置一台完美的光谱仪，如光栅、检测器、内置滤镜以及狭缝尺寸，优化光谱检测范围、分辨率和灵敏度。

　　光源和采样附件定制

　　选择合适的光源和采样附件，与配置正确的光谱仪同样重要。在集成化服务中，从激光器、LED，到氙灯、氘灯和卤钨光源，甚至提供长寿命或者工业型光源，丰富的光源供集成商选择。标准光学附件往往用在定制化产品开发的早期阶段，双方合作后期还可以通过定制、集成的方式，缩小光谱仪尺寸，大幅提升性能。

　　子系统

　　一个设计精良的光学探测系统可以获得高品质的光谱数据、提高测试结果的准确性和检测限，大大减少软件分析及补偿算法的工作量。

　　直接获得光谱测量子系统服务，集成商的研发团队可以把精力集中在应用领域，比如分析算法，用户界面和市场拓展。

　　光学系统定制

　　一个设计精良的光学探测系统可以获得高品质的光谱数据、提高测试结果的准确性和检测限，大大减少软件分析及补偿算法的工作量。在集成化服务中，为满足集成商需求，光学系统通光量、信噪比和灵敏度等性能得到改进。

　　定制的接口可以优化信号采集，还可以加装滤光片来排除干扰，提取所需的光谱信号。甚至可以定制新的光谱仪，提高光通量，配备非标探测器，从而满足在同步、采样时间和灵敏度方面的特殊需求。还可以附加热敏电阻和光电二极管，采集反馈信号，对光学信号和温度漂移进行补偿。

　　定制电子模块

　　根据集成商所选择的光学系统、采样条件和用户接口整体，集成商还需要完整的电子模块与自己系统进行匹配。集成化服务需要利用自身设计和集成各类电子部件的能力，提供给客户使用，包括电源，通讯电路等。

　　电子定制可以包含以下方面：

　　低功耗，电池供电产品;

　　系统小型化设计，适合手持或便携应用;

　　适合量产的设计;

　　可通过UL, CE, CSA, FDA 和FCC认证的设计;

　　模拟和高速数字电路设计;

　　电路设计和印刷电路板排布;

　　为控制系统和PLC系统优化;

　　基于C语言和VHDL的固件开发;

　　强化系统，以适应恶劣环境;

　　快速制作原型机和验证系统。

　　定制光学机械结构设计

　　一个高质量的产品，其性能应该长期稳定。但对于一个好的产品，还需要利用光机设计和系统整合经验，使高质量的产品拥有漂亮的外观和友好的界面。一个成熟的厂商能够具备以下能力，以更好的服务客户。

　　建模，原型设计和测试服务

　　无论工作在恶劣的环境中，定制化方案都应该具备开发合适的子系统或完整解决方案的能力，有效应对温差，冲击和震动。为集成商设计适合各种现场环境的外壳和箱体、可随时更换的组件、以及密封接头。

　　防误操作采样系统

　　通过提供定制探头、支架以及光学配件，易用，高效。即使非专业用户，也能获得可重复的、准确的测试结果。

　　环境适应性

　　使用建模工具和仿真软件来设计散热系统，结构上进行优化，再借助3D打印机技术和专业的生产厂商制作样机，搭配自动散热系统，并用环境箱进行验证，从而快速完成环境耐受性评估。

　　定制化软件和固件

　　软件定制服务，不仅限于实现实验室、现场或质量控制所需的分析与测量功能，还能为集成商定制用户界面、实现数据备份、远程通讯等。通过定制固件，输出非标准数据、自定义数据结构，增添新的通讯接口，从而帮助集成商简化整机研发过程。

　　光谱仪通讯

　　定制驱动程序与固件

　　针对非标准嵌入式处理器和架构开发的应用驱动

　　多种光谱仪接口可选：SPI, I2C, USB , RS-232, Wi-Fi, Bluetooth和Ethernet

　　定制化的固件可将数据前处理功能植入光谱仪

　　组件控制

　　定制光谱仪和外部控制功能，便于与不同系统集成; 例如:I2C, SPI, USB and RS-232

　　通过Wi-Fi 或Bluetooth进行远程数据传输

　　通过自定义参数和时序实现数据自动采集和外设时序控制

　　系统级软件

　　面向Android, iOS, Windows, Linux 和 MacOS的GUI接口。

　　用于光谱匹配和化合物鉴别的建模功能

　　提升线性度和热稳定性的校准算法

　　用于嵌入式 SBC/COM 对象的操作界面

　　多语言软件界面

　　可通过JSON 或REST自动上传光谱数据至云端服务器

　　批量生产

　　当合作双方对原型机达成共识后，集成商可指定生产计划。生产企业需要拥有足够的生产能力，能够满足客户产品量产或是突发性产能提升的需求。

　　产能的提升能力，必然对生产能力有较高要求。生产过程中利用自动化实现精益生产，保障光谱仪集成定制化方案的高效性。拥有一台高效生产能力自动测试平台，将为生产能力提供强有力的保障，确保集成商得到更优质的服务。

　　质量保证

　　为保证最终产品的质量，微型光谱仪方案供应商应该拥有一套严格的质量体系，从来料控制，并在制造流程的各个方面严格贯彻，直至产品装箱发货，这一系列流程是确保生产出合格产品。遵照良好的操作规范，并按照相关行业内标准设立了产品设计、文档管理、采购和生产流程。

　　规格确认

　　为了确保定制产品的可靠生产，生产环节中相应的产品规格文档体系显得尤为重要，该体系按照整个生产合作流程每一环节进行确认，最终将合格的产品送到集成商手中。在规格文档标准中，光谱仪、附件、系统制造、测试标准和品检项目的相关标准会得到定义。

　　记录和可追溯性

　　提供商需要对所生产的每一台仪器设备和测试记录长期保留。出场后光谱仪、子系统和整机系统中主要零件做到可追溯性。

　　部件的品质控制

　　为保证产品品质，生产过程中各生产环节需要进行审计验证、性能评估和真伪测试，对采购零件进行严格检测，与“标准样品”进行比较，将劣质电子元器件进行排除。

　　精确的一致性

　　在制造和测试过程中遵循相关标准，来确保产品生产的一致性。微型光谱仪方案供应商需要根据集成商定义具体的生产标准，以保证每个光谱仪或子系统性能的一致性。 生产过程中通过设立独立的工作区，流程和生产线，来建立标准、控制偏差，做到“精确复制”。

(内容来源：海洋光学)