CN101839765B - 恒温积分球光谱分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒温积分球光谱分析装置，包括封闭外壳，封闭外壳内设置光谱仪和积分球，光谱仪通过光取样装置接收从一个探测窗口出射的光信号，封闭外壳内部还设置温度调控装置，并在积分球内部和光谱仪附近分别设置温度传感器，温度传感器和温度调控装置电连接，用以调控积分球和光谱仪以及封闭外壳内的温度。本发明的恒温积分球光谱分析装置能够方便有效控制光谱仪的工作环境温度和积分球内的温度，本装置对实验室环境条件的依赖性较小，易实现良好的测量复现性和较高的测量精度。

Description

恒温积分球光谱分析装置

【技术领域】

    本发明涉及一种光辐射测量系统，具体涉及一种光源光谱分析装置。

【技术背景】

光源的光谱分析系统用于测量和分析被测光源的光谱功率分布、光通量和颜色等光色参数，是照明相关的光辐射领域中最为重要的测量系统之一。光源的光谱分析系统主要由光谱仪、积分球和计算机组成，通常还包括电源和电功率测量设备等。光谱分析系统的测量精度对外部环境的依赖性很高，一方面是由于被测光源的发光会随着周围的环境温度的变化而变化，特别是荧光灯、LED灯等；另一方面，光谱分析系统中的各项设备性能也会受到环境条件的影响，特别是光谱仪中的精密光电元件的性能会依赖于环境温度和湿度等，当环境温度和湿度偏离额定条件较大时，会产生较大的测量误差。

申请号为02266985.X的实用新型专利“光密封稳流控温积分球”公开了一种控温积分球，能够有效控制积分球内的温度，但是由于球体露在外部空间，球内温度不够均匀，此外，测量设备全部置于外部空间，没有进行有效的温度控制，使得测量设备对环境依赖性较大，从而容易产生较大的测量误差。

【发明内容】

    为了克服现有技术的缺陷，提供一种不依赖于环境温度和湿度、控温精度高、操作方便、易实现较高测量精度的恒温积分球光谱分析装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种恒温积分球光谱分析装置，其特征在于包括封闭外壳，封闭外壳内设置光谱仪和积分球，所述积分球上开有至少一个探测窗口，光谱仪通过光取样装置接收从一个探测窗口出射的光信号；封闭外壳内部还设置温度调控装置，所述的积分球上设置有两个或两个以上积分球通风孔；所述的封闭外壳内部设置一个或一个以上温度传感器，积分球内部设置第一温度传感器，同时在所述的光谱仪附近位置设置第二温度传感器，所述的第一温度传感器和第二温度传感器与温度调控装置电连接。

本发明中，将光谱仪和积分球仪器置于封闭外壳内，在光谱仪附近和积分球内部这两个关键位置设置温度传感器，通过温度调控装置调节封闭外壳内的温度，从而实现对光谱仪和积分球内温度的控制。所述的温度调控装置具有制冷模块和/或加热模块和控制单元，温度调控装置中的控制单元根据温度传感器的实测结果，控制加热模块或者制冷模块工作，使得积分球内和/或光谱仪附近的温度始终保持在设定值范围之内。如此，光谱仪和积分球内的温度仅与封闭外壳内的较小的局部空间环境有关，而这一局部环境温度通过本发明而受到了良好控制，因此，整个积分球光谱分析装置易实现较高的测量精度和复现性。

本发明可以通过以下技术方案进一步限定和完善：

上述的光谱仪是具有阵列探测器的快速光谱仪，快速光谱仪能在毫秒级时间内完成对光源光谱的测量和分析，并且不存在机械扫描结构，光谱仪的操作方便快捷，且性能比较稳定。

为了保证光谱仪工作的环境温度，可以进一步缩小光谱仪所在的环境空间，并对该环境的温湿度进行监控。将上述的光谱仪置于光谱仪温控腔内，所述光谱仪温控腔同样位于封闭外壳内并与积分球相独立，光谱仪温控腔上具有两个或者两个以上温控腔通风孔，用以与封闭球壳内的温度调节。

在上述封闭外壳内放置对被测光源供电的电源和测量被测光源电参数的功率计。与将光谱仪内置在封闭外壳内相同，将电源和功率计等仪器内置于装置中能够降低仪器对实验室环境温度的依赖性，以实现较高的测量精度和复现性，同时也可以提高本发明的集成化程度，方便用户操作。

在封闭外壳内设有中心控制单元，在封闭外壳的外侧放置显示屏和外部输入设备，所述的光谱仪、显示屏和外部输入设备以及上述的封闭外壳内的电源和功率计等与所述的中心控制单元电连接。上述的外部输入设备包括键盘、鼠标等，用户可通过装置外侧的显示屏和输入设备对本发明的恒温积分球光谱分析装置的测量操作进行控制，操控方便，装置集成化程度进一步提高。

在上述的封闭外壳内设有温度调控装置，该装置与第一温度传感器和第二温度传感器相连，分别调节和控制积分球内和光谱仪温控腔内的温度。温度调控装置具有制冷模块、加热模块和控制单元，制冷模块和加热模块分别实现制冷和加热功能，便于调控积分球或光谱仪温控腔内的温度。其中，制冷模块和加热模块可以均由现有的冷暖空调系统实现，或者制冷模块通过现有的水冷、风冷、冷媒压缩制冷和半导体电制冷等技术实现，加热模块也可以通过电阻加热或PTC加热技术来实现。

温度调控装置的控制单元采用比例积分微分（PID）方法，PID是较为简单和智能的控制方法。其中对应温度传感器的测量值是PID的输入量，加热模块和/或是PID的输出量。

在本发明中，也可以在封闭外壳内设置两套温度调控装置，分别为第一温度调控装置：主要调节和控制积分球内部温度；第二温度调控装置：主要调节和控制光谱仪温控腔内部的温度，所述的第一温度传感器与第一温度调控装置电连接，第二温度传感器与第二温度调控装置电连接。利用第二温度调控装置对光谱仪温控腔内的温度进行独立加热、制冷等监控，使得光谱仪在指定的工作温度工作，达到良好的测量复现性和较高的测量精度。两套温度调控装置可以更加精确的控制封闭外壳内的温度，但成本较高。

在上述的封闭外壳内还设有湿度调节装置，用于控制封闭外壳内的湿度。

上述的积分球由定半球和动半球组成，在定半球上设置与动半球相连并可使动半球发生转动的转轴，或者将动半球设置在可使动半球滑动的导轨上。

上述积分球通风孔和/或温控腔通风孔上可以加装调节阀，用以调节通风量的大小。

上述的封闭外壳内设置光学探测器，光学探测器安装在积分球的一个探测窗口上。

    综上所述，本发明将光谱仪和积分球设置在同一个封闭外壳内，通过调节封闭外壳内的温度，方便有效控制了光谱仪的工作温度和积分球内被测光源的环境温度，光谱测量对实验室环境的依赖性较小。本恒温积分球光谱分析装置可实现较高的复现性，易实现较高测量精度。

【附图说明】

    附图1是本发明的一个实施例内部结构示意图；

    附图2是图1的外侧面示意图；

    附图3是本发明的另一个实施例的内部结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图的实施例对本发明作进一步具体说明：

实施例1：

如图1所示的恒温积分球光谱分析装置，包括封闭外壳1，封闭外壳1内设置有积分球2、光谱仪3、温度调控装置4、第一温度传感器(5-1)、第二温度传感器(5-2)、积分球通风孔6、被测光源7、探测窗口8、温控腔通风孔9、供电电源10、功率计11和中心控制单元12等。所述积分球2上具有四个积分球通风孔6，温度调控装置4的制冷模块4a位于上方的积分球通风孔6附近，制冷模块4a为常用的空调制冷系统，而温度调控装置4的加热模块4b位于下方的积分球通风孔6附近，该加热模块4b由电阻发热实现。积分球2上开有探测窗口8，被测光源7可以被夹持在积分球2中，在探测窗口8和被测光源7间设置有挡光屏18，用于阻挡被测光源7到探测窗口8的直射光。探测窗口8的光信号通过光纤被传送到光谱仪3，所述的光谱仪3为具有阵列探测器的快速光谱仪，光谱仪3被置于光谱仪温控腔16中，光谱仪温控腔16上开有两个温控腔通风孔9。在积分球内设置第一温度传感器5-1，在光谱仪温控腔16内设置第二温度传感器5-2。第一温度传感器5-1、第二温度传感器5-2、制冷模块4a和加热模块4b都与温度调控装置4的控制单元电连接，控制单元采用PID控制温度积分球2和/或光谱仪温控腔16内的温度。积分球通风孔6和/或温控腔通风孔9上加装调节阀，用以调节通风量的大小。如图1所示，在控制恒温的过程中，积分球内的热空气沿着球壁向上，气流不会直接经过被测光源附近，从而保证被测光源的稳定工作。

所述的积分球2可以分为定半球和动半球，定半球固定不动，而动半球连同它外围的封闭外壳部分被置于一个导轨15上，可以沿着导轨15滑动，实现两半球的分离和闭合，从而实现被测光源7的安装。

在本实施例中，封闭外壳1内还设置有电源10和功率计11，它们都与被测光源7电连接，给被测光源7供电并测量被测光源的电参数。封闭外壳1内还设有湿度调节装置17，该湿度调节装置17为一抽湿机，使封闭外壳1内部保持干燥。本装置中的光谱仪3、电源10、功率计11、温度调控装置4都和置于封闭外壳1内的中心控制单元12电连接，由该中心控制单元12实现对测量操作的控制。

如图2所示为本实施例的恒温积分球光谱分析装置外侧示意图。在封闭外壳1的外侧安装有一个显示屏13和外部输入设备14，所述的外部输入设备14为键盘和鼠标等，显示屏13和外部输入设备14都与封闭外壳内部的中心控制单元12电连接，从而方便地实现被测光源的光谱和光度测量操作和分析。

实施例2：

如图3所示,与实施例1相似，在本实施例中的封闭外壳1内包括有积分球2和光谱仪3，在封闭外壳1外，与封闭外壳1相独立设置有对被测光源7供电的电源10和测量被测光源7电参数的功率计11，以及中心控制单元12。在封闭外壳1内部仅设置有一个温度调控装置4，所述的温度调节装4置具有制冷模块4a和加热模块4b，制冷模块4a位于封闭外壳1的上方，而加热模块4b位于封闭外壳1的下方。光谱仪3位于积分球2外，通过光纤接收来自积分球2的探测窗口8的光信号。在积分球内部设置第一温度传感器5-1，在光谱仪的附近设置第二温度传感器5-2，第一温度传感器5-1和第二温度传感器5-2都与温度调控装置4的控制单元电连接，温度调控装置4可以第一温度传感器5-1的实测结果，根据积分球内规定的温度控制制冷模块4a或加热模块4b；温度调控装置4也可以第二温度传感器5-2的测量结果为主，根据规定光谱仪的工作条件，控制制冷模块4a或加热模块4b工作。光谱仪3和温度调控装置4与封闭外壳1之外的中心控制单元12电连接，接受中心控制单元12的控制命令并将测量结果传输的中心控制单元12。

Claims (9)

1.一种恒温积分球光谱分析装置，其特征在于：包括封闭外壳(1)，封闭外壳(1)内设置光谱仪(3)和积分球(2)，所述积分球(2)上开有至少一个探测窗口(8)，光谱仪(3)通过光取样装置接收从一个探测窗口(8)出射的光信号；封闭外壳(1)内部还设置温度调控装置(4)，所述的积分球(2)上设置有两个或两个以上积分球通风孔(6)；在积分球(2)内部设置第一温度传感器(5-1)，被测光源(7)设置在积分球(2)内部，在所述的光谱仪(3)附近设置第二温度传感器(5-2)，所述的第一温度传感器(5-1)和第二温度传感器(5-2)与温度调控装置(4)电连接；所述温度调控装置(4)中具有制冷模块(4a)和/或加热模块(4b)和控制单元(12)；光谱仪(3)和积分球(2)置于同一封闭外壳(1)内，光谱仪(3)和积分球(2)内温度仅与封闭外壳(1)内的局部空间环境有关，温度调控装置(4)根据第一温度传感器(5-1)和第二温度传感器(5-2)的实测结果，通过控制加热模块(4b)或者制冷模块(4a)工作，调节封闭外壳(1)内的温度，实现对光谱仪(3)和积分球(2)内温度的控制，使得积分球(2)内和光谱仪(3)附近的温度始终保持在设定值范围之内；在控温过程中，积分球(2)内的热空气沿着球壁向上，气流不会直接经过被测光源(7)附近，保证被测光源(7)的稳定工作。

2.根据权利要求1所述的恒温积分球光谱分析装置，其特征在于所述的光谱仪(3)是具有阵列探测器的快速光谱仪。

3.根据权利要求1或2所述的恒温积分球光谱分析装置，其特征在于所述的光谱仪(3)置于与积分球(2)相独立的光谱仪温控腔(16)内，光谱仪温控腔(16)上具有两个或者两个以上温控腔通风孔(9)。

4.根据权利要求1或2所述的恒温积分球光谱分析装置，其特征在于在封闭外壳(1)内放置对被测光源(7)供电的电源(10)和测量被测光源(7)电参数的功率计(11)。

5.根据权利要求1所述的恒温积分球光谱分析装置，其特征在于在封闭外壳(1)内放置控制单元(12)，在封闭外壳的外侧放置显示屏(13)和外部输入设备(14)，所述的光谱仪(3)、显示屏(13)和外部输入设备(14)与所述的控制单元(12)电连接。

6.根据权利要求1所述的恒温积分球光谱分析装置，其特征在于所述的控制单元(12)是采用比例积分微分方法的温控单元。

7.根据权利要求1或2所述的恒温积分球光谱分析装置，其特征在于所述的温度调控装置(4)包括调控积分球(2)内部温度的第一温度调控装置和调控光谱仪温控腔(16)内部温度的第二温度调控装置，所述的第一温度传感器(5-1)与第一温度调控装置电连接，第二温度传感器(5-2)与第二温度调控装置电连接。

8.根据权利要求1或2所述的恒温积分球光谱分析装置，其特征在于在封闭外壳(1)内设置湿度调节装置(17)。

9.根据权利要求1或2所述的恒温积分球光谱分析装置，其特征在于所述的积分球(2)由定半球和动半球组成，在定半球上设置与动半球相连并可使动半球发生转动的转轴，或者动半球设置在可使动半球滑动的导轨(15)上。

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