CN102042876A - 远程在线光谱检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种远程在线光谱检测系统，包含：光源组件，在光源组件后设置有分束镜，在分束镜后分别设置有第一检测光路组件、第二参考光路组件和光谱探测组件，在第一检测光路组件和第二参考光路组件之间还设置有光路斩波器。其中，第一探测光路组件包含依次设置的第一光纤准直镜，探测光纤纤芯和球形样品池；第二参考光路组件包含依次设置的平面反射镜，第二光纤准直镜和参考光纤纤芯，所述的参考光纤纤芯的输出端面上涂覆金属银；所述的探测光纤纤芯与参考光纤纤芯之间间隔的距离为微米量级。本发明所提供的远程在线光谱检测系统，在实现光纤长距离传输的基础上，分辨率高，稳定性好，维护成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种在线光谱检测系统，特别涉及一种利用光纤技术把光电检测设备与样品池远距离分离的在线光谱检测系统，属于光电检测领域。
背景技术
目前传统的分析仪器大多只能在实验室内工作，无论是光谱分析仪器还荧光探测仪器，都存在被检测样品与光电检测设备之间无法长距离分离的问题，不适合做特殊场合的在线检测，如深水检测、管道检测、洞穴检测及其其它特殊场合，因为这些场合都是大型的分析仪器无法实时取样或者难以进入的。那么，利用光纤检测在这些场合就可以发挥非常重要和积极的作用。利用光纤的柔软性、细小性、可长距离传输光能等特性开发出各种光纤探头，这些探头已经在工业上有着广泛的应用。
虽然目前的技术中，利用光纤的可弯曲性实现了对特殊场合的探测，并且可以实现探测设备远离探测环境，尽可能的降低外部环境对探测设备的干扰。但是，光纤在弯曲的同时也会导致光能传输效率的不稳定，信噪比降低。所以目前市场上存在的光纤探头的传播距离还是普遍都比较短。另外，目前的技术在做吸收度检测时，传统的样品吸收池在与光纤耦合时都是采用光纤准直镜的耦合方式，光纤准直镜的各种像差严重影响耦合效率，尤其是当光谱范围比较宽时，像差较大，耦合效率低，使得探测信号变弱，探测下限升高。
发明内容
本发明的目的是提供一种远程在线光谱检测系统，其是一种分辨率高，稳定性好，维护成本低的长距离光纤光谱检测系统。
为实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种远程在线光谱检测系统，其包含：光源组件，在所述的光源组件后设置有分束镜，在所述的分束镜后分别设置有第一检测光路组件、第二参考光路组件和光谱探测组件，在所述的第一检测光路组件和第二参考光路组件之间还设置有光路斩波器。
所述的第一探测光路组件包含依次设置的第一光纤准直镜，探测光纤纤芯和球形样品池；所述的球形样品池包含依次设置的球形光学窗口和凹面反射镜，该球形光学窗口和凹面反射镜的球心均为探测光纤纤芯的输出端。
所述的第二参考光路组件包含依次设置的平面反射镜，第二光纤准直镜和参考光纤纤芯。所述的参考光纤纤芯的输出端面上涂覆金属银。
所述的探测光纤纤芯与参考光纤纤芯之间间隔的距离为微米量级。
所述的光源组件包含依次设置的光源和第一透镜。所述的光源可采用氘灯，或卤钨灯，或氙灯，或三者之间的任意组合。
所述的分束镜采用透射与反射比为50%：50%的分束镜。
所述的探测光纤纤芯的输入端和输出端均设置有光纤连接接头；该探测光纤纤芯的输入端通过所述的光纤连接接头与第一光纤准直镜耦合连接；该探测光纤纤芯的输出端通过所述的光纤连接接头与球形光学窗口耦合连接。
所述的参考光纤纤芯的输入端设置有光纤连接接头，该参考光纤纤芯的输入端通过所述的光纤连接接头与第二光纤准直镜耦合连接。
所述的探测光纤纤芯与参考光纤纤芯采用相同的材质制成，并设置在同一根光纤中。
所述的光谱探测组件包含依次设置在分束镜之后的第二透镜和光谱探测器。所述的光谱探测器可采用紫外光光谱探测器，或可见光光谱探测器，或近红外光谱探测器，或三者之间的任意组合。
所述的光路斩波器设置在第一光纤准直镜和第二光纤准直镜之前。该光路斩波器具有若干间隔设置的环扇形不透光挡板。
本发明提供的远程在线光谱检测系统，与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1、本发明采用双芯光纤结构解决光纤扰动问题，利用参考光纤纤芯8的传输效率修正探测光纤纤芯7的传输效率，降低了由于光纤扰动而引起的传输效率的变化，最大程度上消除了光纤扰动对传输效率的影响，使得光纤的传输效率更稳定，传播距离更长，得到更高的信噪比。
2、本发明采用了球形样品池，避免使用光纤准直镜构建样品池的传统方法，使得样品池与光纤的耦合效率有效提高，从而增强探测信号。
3、本发明结构简单，维护成本低，尤其适用于特殊场合的光谱检测。
附图说明
图1为本发明提供的远程在线光谱检测系统的结构示意图。
图2为本发明提供的参考光纤纤芯的镀银端面图。
图3为本发明提供的球形样品池的结构示意图。
图4为本发明提供的光学斩波器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合图1～图4，详细说明本发明的一个优选的实施例。
如图1所示，为本发明所述的远程在线光谱检测系统的结构示意图。其包含：光源组件，在所述的光源组件后设置有分束镜3，在所述的分束镜3后分别设置有第一检测光路组件、第二参考光路组件和光谱探测组件，在所述的第一检测光路组件和第二参考光路组件之间还设置有光路斩波器12。
其中，所述的光源组件包含依次设置的光源1和第一透镜2。所述的光源1可采用氘灯，或卤钨灯，或氙灯，或三者之间的任意组合，发射光谱范围为900nm～2500nm。本实施例中，光源1采用型号为LS-1-LL的卤钨灯。
所述的分束镜3采用透射与反射比为50%：50%的分束镜，将光路一分为二形成透射光光路和反射光光路。
所述的第一探测光路组件设置在分束镜3所形成的透射光光路上，其包含依次设置的第一光纤准直镜5，探测光纤纤芯7和球形样品池9。所述的探测光纤纤芯7的输入端和输出端均设置有型号为SMA905的光纤连接接头，该探测光纤纤芯7的输入端通过所述的光纤连接接头与第一光纤准直镜5耦合连接。
如图3所示，所述的球形样品池9包含依次设置的球形光学窗口14和凹面反射镜15。所述的探测光纤纤芯7的输出端通过所述的光纤连接接头与球形光学窗口14耦合连接，该球形样品池9采用探测光纤纤芯7的输出端作为其球心设置，即球形光学窗口14和凹面反射镜15的球心均为探测光纤纤芯7的输出端面。由于采用球形光学窗口14作为探测光纤纤芯7的出射窗口，把探测光纤纤芯7的输出端面作为球形光学窗口14的球心，并且由于该输出端面的面积很小，在平方微米量级，可以将其作为点光源处理，从而保证了球形样品池9中的光程处处相等。
所述的第二参考光路组件设置在分束镜3所形成的反射光光路上，其包含依次设置的平面反射镜4，第二光纤准直镜6和参考光纤纤芯8。所述的参考光纤纤芯8的输入端设置有型号为SMA905的光纤连接接头，该参考光纤纤芯8的输入端通过所述的光纤连接接头与第二光纤准直镜6耦合连接。如图2所示，所述的参考光纤纤芯8的输出端面上涂覆银13。
所述的探测光纤纤芯7与参考光纤纤芯8采用相同的材质制成，被设置在同一根光纤中，两者之间的距离非常接近，一般在微米量级。因此，可以近似认为两者的传输效率等同，也就是说所述的两个纤芯因弯曲而导致的传输效率的变化近似相同。
在本发明的另外一个优选实施例中，也可以将第一探测光路组件设置在分束镜3所形成的反射光光路上，而将第二参考光路组件设置在分束镜3所形成的透射光光路上，也就是只要直接对换探测光纤纤芯7与参考光纤纤芯8即可。
所述的光谱探测组件包含依次设置在分束镜3之后的第二透镜10和光谱探测器11。所述的光谱探测器11可采用紫外光光谱探测器，或可见光光谱探测器，或近红外光谱探测器，或三者之间的任意组合，光谱探测范围为900nm～2500nm。本实施例中，光谱探测器11采用型号为NIRQUEST256-2.5的近红外光谱探测器。
所述的光路斩波器12设置在第一光纤准直镜5和第二光纤准直镜6之前。如图4所示，其具有若干间隔设置的环扇形不透光挡板16，可控制光路的通断状态，确保由分束镜3形成的透射光光路和反射光光路中有且仅有一条能正常通过该光学斩波器12。
首先，如图1所示，详细说明本实施例所提供的远程在线光谱检测系统的光传输过程。
光源1的卤钨灯发出宽光谱光，在经过第一透镜2后形成平行光并传输到分束镜3，分束镜3按照50%：50%的透射与反射比，将平行光光路分成两条光路，其中光路一为平行透射光光路，另一条光路二为平行反射光光路。
其中，分束镜3的光路一射出的平行透射光束传输进入第一光纤准直镜5，其经过第一光纤准直镜5后通过SMA905光纤连接接头耦合进入探测光纤纤芯7，光束在经过探测光纤纤芯7的远距离传输后，再次通过SMA905光纤连接接头传输至球形样品池9的球形光学窗口14，其从球形光学窗口14出射并传输至凹面反射镜15，随即又被凹面反射镜15反射回球形光学窗口14，此时光束通过SMA905光纤连接接头耦合再次进入到探测光纤纤芯7的输出端，由球形样品池9反射回来的光束经过探测光纤纤芯7的传输返回到第一光纤准直镜5，经过第一光纤准直镜5后出射平行光并传输至分束镜3，经由分束镜3分路后形成的平行反射光束通过第二透镜10耦合进入光谱探测器11中进行光谱探测。
而分束镜3的光路二射出的平行反射光束先经过平面反射镜4，被反射后传输进入第二光纤准直镜6，其经过第二光纤准直镜6后通过SMA905光纤连接接头耦合进入参考光纤纤芯8，由于该参考光纤纤芯8的输出端面上涂覆有金属银13，因此，光束在经过参考光纤纤芯8的远距离传输后，被其输出端面上的金属银13反射，使得光束在参考光纤纤芯8内原路返回至第二光纤准直镜6，并经由平面反射镜4反射后到达分束镜3，经由分束镜3分路后形成的平行透射光束通过第二透镜10耦合进入光谱探测器11中进行光谱探测。
进一步，结合图1和图4，详细说明本实施例所提供的远程在线光谱检测系统的工作原理。
如图4所示的光学斩波器12是设置在第一光纤准直镜5和第二光纤准直镜6之前的，其可控制切换光路一和光路二的通断状态，确保光路一和光路二中有且仅有一条光路能正常通过该光学斩波器12。
第一步，在球形样品池9中不放置样品，利用光学斩波器12中的其中一个环扇形不透光挡板16挡在第二光纤准直镜6之前，使得光路二的光束在经过平面反射镜4后被截止，无法继续传输；而此时，光路一的光束正好未被光学斩波器12的环扇形不透光挡板16挡住，其被允许正常通过。根据上述的光传输过程，光谱探测器11探测得到并记录下光路一的信号光谱数据，包括分束镜3、第一光纤准直镜5、探测光纤纤芯7和球形样品池9的传输光谱数据。
第二步，同样在球形样品池9中不放置样品，利用光学斩波器12中的其中一个环扇形不透光挡板16挡在第一光纤准直镜5之前，使得光路一的光束在经过分束镜3后被截止，无法继续传输；而此时，光路二的光束正好未被光学斩波器12的环扇形不透光挡板16挡住，其被允许正常通过。根据上述的光传输过程，光谱探测器11探测得到并记录下光路二的参考光谱数据，包括分束镜3、第二光纤准直镜6和参考光纤纤芯8的传输光谱数据。
由于第一光纤准直镜5和第二光纤准直镜6是完全相同的器件，因此该两者的传输光谱数据是相同的。又由于如前所述，探测光纤纤芯7与参考光纤纤芯8的传输效率近似等同，也就是说这两个纤芯因弯曲而导致的传输效率的变化近似相同，因此探测光纤纤芯7与参考光纤纤芯8的传输光谱数据也近似相同。所以，将上述第一步中得到的光路一的信号光谱数据减去第二步中得到的光路二的参考光谱数据，就可以得到球形样品池9的传输光谱数据。
第三步，在球形样品池9中放入被检测的样品，并且设置光学斩波器12截止光路二，只允许光路一正常通过。此时，光谱探测器11探测得到并记录下光路一的信号光谱数据，包括分束镜3、第一光纤准直镜5、探测光纤纤芯7、球形样品池9和被检测样品的传输光谱数据。
第四步，保持球形样品池9中放入的被检测样品，并且设置光学斩波器12截止光路一，只允许光路二正常通过。此时，光谱探测器11探测得到并记录下光路二的参考光谱数据，包括分束镜3、第二光纤准直镜6和参考光纤纤芯8的传输光谱数据。
如上所述，由于第一光纤准直镜5和第二光纤准直镜6的传输光谱数据是相同的，且探测光纤纤芯7与参考光纤纤芯8的传输光谱数据也是近似相同的，又由于已经通过探测计算得到了球形样品池9的传输光谱数据，所以将上述第三步中得到的光路一的信号光谱数据减去第四步中得到的光路二的参考光谱数据，就可以得到被检测样品的传输光谱数据。
综合上述，本发明提供的远程在线光谱检测系统，与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1、本发明采用双芯光纤结构解决光纤扰动问题，利用参考光纤纤芯8的传输效率修正探测光纤纤芯7的传输效率，降低了由于光纤扰动而引起的传输效率的变化，最大程度上消除了光纤扰动对传输效率的影响，使得光纤的传输效率更稳定，传播距离更长，得到更高的信噪比。
2、本发明采用了球形样品池，避免使用光纤准直镜构建样品池的传统方法，使得样品池与光纤的耦合效率有效提高，从而增强探测信号。
3、本发明结构简单，维护成本低，尤其适用于特殊场合的光谱检测。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种远程在线光谱检测系统，其特征在于，包含：光源组件；在所述的光源组件后设置有分束镜（3）；在所述的分束镜（3）后分别设置有第一检测光路组件、第二参考光路组件和光谱探测组件；在所述的第一检测光路组件和第二参考光路组件之间还设置有光路斩波器（12）；其中，
所述的第一探测光路组件包含依次设置的第一光纤准直镜（5），探测光纤纤芯（7）和球形样品池（9）；
所述的球形样品池（9）包含依次设置的球形光学窗口（14）和凹面反射镜（15），该球形光学窗口（14）和凹面反射镜（15）的球心均为探测光纤纤芯（7）的输出端；
所述的第二参考光路组件包含依次设置的平面反射镜（4），第二光纤准直镜（6）和参考光纤纤芯（8）；所述的参考光纤纤芯（8）的输出端面上涂覆金属银（13）；
所述的探测光纤纤芯（7）与参考光纤纤芯（8）之间的间隔距离为微米量级。
2.如权利要求1所述的远程在线光谱检测系统，其特征在于，所述的光源组件包含依次设置的光源（1）和第一透镜（2）。
3.如权利要求2所述的远程在线光谱检测系统，其特征在于，所述的光源（1）采用氘灯，或卤钨灯，或氙灯，或三者之间的任意组合。
4.如权利要求1所述的远程在线光谱检测系统，其特征在于，所述的分束镜（3）采用透射与反射比为50%：50%的分束镜。
5.如权利要求1所述的远程在线光谱检测系统，其特征在于，所述的探测光纤纤芯（7）的输入端和输出端均设置有光纤连接接头；
该探测光纤纤芯（7）的输入端通过所述的光纤连接接头与第一光纤准直镜（5）耦合连接；
该探测光纤纤芯（7）的输出端通过所述的光纤连接接头与球形光学窗口（14）耦合连接。
6.如权利要求1所述的远程在线光谱检测系统，其特征在于，所述的参考光纤纤芯（8）的输入端设置有光纤连接接头，该参考光纤纤芯（8）的输入端通过所述的光纤连接接头与第二光纤准直镜（6）耦合连接。
7.如权利要求1所述的远程在线光谱检测系统，其特征在于，所述的探测光纤纤芯（7）与参考光纤纤芯（8）采用相同的材质制成，并设置在同一根光纤中。
8.如权利要求1所述的远程在线光谱检测系统，其特征在于，所述的光谱探测组件包含依次设置在分束镜（3）之后的第二透镜（10）和光谱探测器（11）。
9.如权利要求8所述的远程在线光谱检测系统，其特征在于，所述的光谱探测器（11）采用紫外光光谱探测器，或可见光光谱探测器，或近红外光谱探测器，或三者之间的任意组合。
10.如权利要求1所述的远程在线光谱检测系统，其特征在于，所述的光路斩波器（12）设置在第一光纤准直镜（5）和第二光纤准直镜（6）之前；该光路斩波器（12）具有若干间隔设置的环扇形不透光挡板（16）。
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