CN107764795A - 一种爆炸物荧光光谱探测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种爆炸物荧光光谱探测仪，包括光源、光波导及光栅单色器，所述光波导内置于气道的内部，位于光波导两端的气道的内部分别形成进气区和抽气区，抽气区通过导管与气泵连接；光源和光栅单色器对称设置在气道的两对侧成直线状，或设置在气道的相邻两侧成垂直状；与光源相对的气道侧壁上开设有入射狭缝，与光栅单色器相对的气道侧壁上开设有出射狭缝；使光源通过入射狭缝照射到光波导上，而光波导激发出的荧光经出射狭缝照射到光栅单色器。采用光栅单色器分别对多个荧光激发光峰进行滤波，实现了将多种荧光聚合物薄膜集成到一根光波导中，共用同一条光路和同一条气路，即可检测多个种类的爆炸物，实现了多种爆炸物同时检测的便携化。
Description
技术领域
本发明属于痕量爆炸物检测领域，尤其涉及一种基于荧光淬灭原理可同时检测多种爆炸物的荧光光谱探测仪。
背景技术
微痕量爆炸物挥发气体接触到荧光聚合物薄膜后，被光源激发出的荧光强度会发生明显的淬灭，这一原理可以被用于爆炸物的探测。但一种荧光聚合物薄膜只能对1种或有限的几种炸药分子比较敏感，如果想同时检测多种爆炸物分子，需要合成不同种类的荧光聚合物材料，而不同荧光聚合物材料的荧光发射谱峰值常常处于不同的波段。要想获得高灵敏度的荧光淬灭信号需要将每种荧光发射谱峰值之外的光滤除掉，而现有的采用滤光片对荧光发射谱进行滤光的技术，存在滤光带宽固定不可调、不同种类荧光聚合物薄膜的荧光发射谱检测无法兼容等难题。因此，到目前为止，还没有一种能够便携的、可同时检测多种痕量炸药的荧光淬灭爆炸物检测仪，这也是荧光淬灭爆炸物检测仪相比于其他爆炸物检测技术的一个致命弱点。
发明内容
为克服上述技术难题，本发明提供了一种同时探测多种爆炸物的荧光光谱探测仪。
本发明的技术方案是：
一种爆炸物荧光光谱探测仪，包括光源、光波导及光栅单色器，所述光波导内置于气道的内部，位于光波导两端的气道的内部分别形成进气区和抽气区，所述抽气区通过导管与气泵连接；所述光源和光栅单色器对称设置在气道的两对侧成直线状，或光源和光栅单色器设置在气道的相邻两侧成垂直状；与光源相对的气道侧壁上开设有入射狭缝，与光栅单色器相对的气道侧壁上开设有出射狭缝；使光源通过入射狭缝照射到光波导上，而光波导激发出的荧光经出射狭缝照射到光栅单色器。
进一步方案，所述进气区开设有进气口，位于进气口后端的进气区内设有加热片；所述抽气区开有导管口，所述导管与导管口密封连接。
进一步方案，所述光波导的两端通过密封圈与气道连接，将进气区、光波导和抽气区形成一个密封的连通腔体，光波导在气道中可被方便随时更换。
进一步方案，所述光波导为管状光波导或阵列式微流体通道，所述管状光波导以及阵列式微流体通道的内部均沿其长度方向布设有1-5个毛细通道，每一个毛细通道的内部分别涂覆有一种荧光聚合物薄膜。
更进一步方案，所述荧光聚合物薄膜为共轭分子聚合物材料，所述光波导的材质为折射率低于所涂覆荧光聚合物薄膜折射率的可导光材料，如石英、玻璃、有机材料。
进一步方案，所述光源包括激光三极管、单色LED光源或加窄带滤光片滤光的宽带光源。即光源可以是单点光源，也可以是多点、多波长阵列光源。
进一步方案，所述光栅单色器包括准直镜、凹面光栅和CCD探测器，所述光源通过入射狭缝照射到光波导上，光波导激发出的荧光经出射狭缝照射到准直镜上，再经准直镜入射到凹面光栅，通过CCD探测器探测经凹面光栅衍射到不同空间位置上的不同波长的光信号。
进一步方案，所述光栅单色器包括准直透镜、凹面光栅和光电倍增管，所述准直透镜置于出射狭缝的正下方，所述光电倍增管通过支撑移动座支撑并相对于固定的凹面光栅进行移动，光电倍增管上开设有光狭缝，所述光狭缝通过调节钮来调节其宽度；所述光源通过入射狭缝照射到光波导上，光波导激发出的荧光经出射狭缝照射到准直透镜上，再经准直透镜入射到凹面光栅，通过移动光电倍增管到不同波长衍射光所在空间位置上探测经凹面光栅衍射的光信号。
进一步方案，所述光栅单色器包括准直透镜、固定包含角光栅和光电倍增管，所述准直透镜置于出射狭缝的正下方，所述光电倍增管上开设有光狭缝，所述固定包含角光栅通过支撑旋转座实现角度转动；所述光源通过入射狭缝照射到光波导上，光波导激发出的荧光经出射狭缝照射到准直透镜上，再经准直透镜入射到固定包含角光栅，通过转动固定包含角光栅的角度，使光电倍增管探测经固定包含角光栅衍射的不同波长光信号。
本发明中的凹面光栅和固定包含角光栅是带自聚焦或自准直成像功能的凹面衍射光栅，或是由平面光栅搭配凹面镜替换使用。光电倍增管还可以替换为硅光电二极管或SIMP型探测器。
进一步方案，所述光栅单色器的外框体和气道的材质为金属（如铝合金）或高分子材料（如POM塑料），其内壁均为黑色；其中采用高分子材料制成的光栅单色器的外框体和气道的内壁还设有电磁屏蔽层。
光波导根据实际需要内设有1-5个毛细通道，每一个毛细通道分别涂覆一种荧光聚合物薄膜，有5个毛细通道就可涂覆五种荧光聚合物薄膜，这样就可以同时探测多种爆炸物分子。
本探测仪还包括用于供电和控制光栅单色器进行工作的电路板，以及用于显示检测结果的显示器和报警装置。
本发明中光电倍增管是通过支撑移动座进行支撑并相对于固定的凹面光栅进行移动，如通过滑轨移动、电机驱动来实现移动，这是本领域公知的技术，在此不作详细说明。同样，固定包含角光栅是通过支撑旋转座进行支撑并相对于固定的光电倍增管进行转动，其是通过转盘、电机驱动等来实现转动调节其荧光入射角度。
本发明在气道的进气区处设的加热片，是用于对被测物质进行加热，增加目标分子的蒸气压，以提高检测灵敏度。
被测物质通过进气口进入进气区，通过气泵作用，将被测物质经加热片加热后抽入光波导中的各毛细通道中；同时，光源经气道侧壁上的入射狭缝进入，照射到光波导上并激发出各个荧光聚合物薄膜的荧光谱峰，当进入光波导中某一毛细通道中的气体有爆炸物分子，将引起其中一种或几种聚合物薄膜的荧光淬灭。最后经光栅单色器探测到不同荧光聚合物薄膜所激发的荧光谱峰的淬灭信号，可以判断环境中是否有爆炸物目标分子，并且可以通过波长信息判断检测到了哪一类爆炸物分子。因此可以实现一台探测仪可以同时检测多种荧光聚合物材料的荧光淬灭信号。
本发明采用光栅单色器对聚合物光波导激发的荧光进行滤光，可获得较窄的荧光谱峰信号，提高荧光淬灭信号检测的信噪比，并且通过控制光栅单色仪的光谱扫描，可以对不同波长的光谱进行滤光，从而可以实现一条光路和气路即可检测对不同种类爆炸物敏感的多种荧光聚合物薄膜的激发光淬灭信号，大大节省了阵列式荧光淬灭爆炸物探测仪的空间和成本。
所以本发明采用光栅单色器对荧光激发光峰值进行滤波，实现了将多种荧光聚合物薄膜集成到一根光波导中，共用同一条光路和同一条气路，即可检测多个种类的爆炸物，大大减小了荧光淬灭爆炸物探测仪的体积和成本，实现了多种爆炸物同时检测的便携化探测仪。
附图说明
图1是本发明第一种结构示意图；
图2是本发明第二种结构示意图；
图3是本发明第三种结构示意图；
图4是本发明中的气道的结构示意图；
图5是本发明中的光波导的截面图；
图6是本发明第四种结构示意图。
图中：1-气泵，2-气管，3-气道，3.1-进气区，3.2-抽气区，3.3-入射狭缝，3.4-进气口，3.5-导管口，3.6-出射狭缝；4-光波导，4.1-毛细管道，5-光源，6-加热片，7-光栅单色器，7.1-准直镜，7.2-凹面光栅，7.3-CCD探测器，7.4-准直透镜，7.5-光电倍增管，7.51-光狭缝，7.52-调节钮，7.6-支撑移动座，7.7-固定包含角光栅，7.8-支撑旋转座。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1-6所示，一种爆炸物荧光光谱探测仪，包括光源5、光波导4及光栅单色器7，所述光波导4内置于气道3的内部，位于光波导4两端的气道3的内部分别形成进气区3.1和抽气区3.2，所述抽气区3.2通过导管2与气泵1连接；所述光源5和光栅单色器7对称设置在气道3的两对侧成直线状，或光源5和光栅单色器7设置在气道3的相邻两侧成垂直状；与光源5相对的气道3侧壁上开设有入射狭缝3.3，与光栅单色器7相对的气道3侧壁上开设有出射狭缝3.6；使光源5通过入射狭缝3.3照射到光波导4上，而光波导4激发出的荧光经出射狭缝3.6照射到光栅单色器7。
一种爆炸物荧光光谱探测仪，包括光源5、光波导4及光栅单色器7，所述光波导4内置于气道3的内部，位于光波导4两端的气道3的内部分别形成进气区3.1和抽气区3.2，所述抽气区3.2通过导管2与气泵1连接；所述气道3的相对两侧壁上对称开设有入射狭缝3.3和出射狭缝3.6，所述光源5位于入射狭缝3.3的正上方，光栅单色器7位于出射狭缝3.6的正下方，使光源5通过入射狭缝3.3照射到光波导4上，光波导4激发出的荧光经出射狭缝3.6照射到光栅单色器7。
进一步方案，所述进气区开设有进气口3.4，位于进气口3.4后端的进气区3.1内设有加热片6；所述抽气区3.2开有导管口3.5，所述导管2与导管口3.5密封连接。
进一步方案，所述光波导4的两端通过密封圈与气道3连接，将进气区3. 1、光波导4和抽气区3.2形成一个密封的连通腔体。
进一步方案，所述光波导4为管状光波导或阵列式微流体通道，所述管状光波导以及阵列式微流体通道的内部均沿其长度方向布设有1-5个毛细通道4.1，每一个毛细通道4.1的内部分别涂覆有一种荧光聚合物薄膜。
更进一步方案，所述荧光聚合物薄膜为共轭分子聚合物材料，所述光波导的材质为折射率低于所涂覆荧光聚合物薄膜折射率的可导光材料，如石英、玻璃、有机材料。
进一步方案，所述光源5包括激光三极管、单色LED光源或加窄带滤光片滤光的宽带光源。即光源可以是单点光源，也可以是多点、多波长阵列光源。
进一步方案，如图1所示，光栅单色器7包括准直镜7.1、凹面光栅7.2和CCD探测器7.3，所述光源5通过入射狭缝3.3照射到光波导4上，光波导4激发出的荧光经出射狭缝3.6照射到准直镜7.1上，再经准直镜7.1入射到凹面光栅7.2，通过CCD探测器7.3探测经凹面光栅7.2衍射到不同空间位置上的不同波长的光信号。
荧光淬灭的光强信号通过气道3的出射狭缝3.6进入光栅单色器7。荧光首先照射到准直镜7.1上，并以准直光的形式被反射到凹面光栅7.2，凹面光栅7.2为自带聚焦功能的凹面光栅，还可以是由单独的衍射光栅和凹面镜搭配使用。凹面光栅7.2能够将不同波长的光衍射到CCD探测器7.3的不同位置上，CCD探测器7.3上不同位置的单元可以检测到不同波长的荧光淬灭信号强度。通过拾取CCD探测器7.3上不同荧光聚合物薄膜所激发的荧光谱峰的淬灭信号，可以判断环境中是否有爆炸物目标分子，并且可以通过波长信息判断检测到了哪一类爆炸物分子。由于光栅单色器可以实现宽波段内的光谱扫描滤波，因此可以实现一台探测仪可以同时检测多种荧光聚合物材料的荧光淬灭信号。
进一步方案，如图2所示，光栅单色器7包括准直透镜7.4、凹面光栅7.2和光电倍增管7.5，所述准直透镜7.4置于出射狭缝3.6的正下方，所述光电倍增管7.5通过支撑移动座7.6支撑并相对于固定的凹面光栅7.2进行移动，光电倍增管7.5上开设有光狭缝7.51，所述光狭缝7.51通过调节钮7.52来调节其宽度；所述光源5通过入射狭缝3.3照射到光波导4上，光波导4激发出的荧光经出射狭缝3.6照射到准直透镜7.4上，再经准直透镜7.4入射到凹面光栅7.2，通过移动光电倍增管7.5到不同波长衍射光所在空间位置上探测经凹面光栅7.2衍射光信号。
本例与图1所采用的CCD探测器不同的是，所述光栅单色器7中的探测器采用光电倍增管7.5，光电倍增管的信噪比、灵敏度比CCD更高，因此仪器的检测灵敏度也更高。所述光电倍增管7.5上开设有光狭缝7.51，并且光狭缝7.51通过调节钮7.52可以调节其宽度，从而可以改变探测荧光光谱的带宽。
所述光电倍增管还可为硅光电二极管或SIMP型探测器。
由于光电倍增管7.5属于单点检测，因此需要移动光电倍增管7.5到不同波长衍射光所在的空间位置上，才能实现对不同波段荧光信号的探测。将光电倍增管7.5通过支撑移动座7.6安装在轨道上进行移动，或通过电机驱动其移动到不同空间位置，通过改变荧光的入射角度将不同波长的光衍射到光电倍增管7.5上；然后再调节光狭缝7.51的宽度，实现宽波段内的光谱扫描滤波。即可实现对不同荧光聚合物薄膜所激发的荧光信号进行探测，从而实现一台探测仪可以同时检测多种爆炸物分子的目的。
进一步方案，如图3所示，光栅单色器7包括准直透镜7.4、固定包含角光栅7.7和光电倍增管7.5，所述准直透镜7.4置于出射狭缝3.6的正下方，所述光电倍增管7.5上开设有光狭缝7.51，所述固定包含角光栅7.7通过支撑旋转座7.8实现角度转动；所述光源5通过入射狭缝3.3照射到光波导4上，光波导4激发出的荧光经出射狭缝3.6照射到准直透镜7.4上，再经准直透镜7.4入射到固定包含角光栅7.7，通过转动固定包含角光栅7.7的角度，使光电倍增管7.5探测经固定包含角光栅7.7衍射的不同波长光信号。
本例与图2不同的是，固定包含角光栅7.7的入射荧光与衍射光始终呈固定的夹角，由于光电倍增管7.5和其上的光狭缝7.51是固定不动的，故将固定包含角光栅7.7通过支撑旋转座7.8支撑，通过电机或转盘驱使其相对于光电倍增管7.5进行转动，从而可以调节入射荧光的衍射角度，即而可以将不同波长的荧光信号衍射并聚焦到光电倍增管7.5上，从而实现对不同种类荧光聚合物薄膜的荧光淬灭信号的检测。
进一步方案，所述光栅单色器7的外框体和气道3的材质为金属或高分子材料，其内壁均为黑色；其中采用高分子材料制成的光栅单色器7的外框体和气道3的内壁还设有电磁屏蔽层。
光波导根据实际需要内设有1-5个毛细通道，每一个毛细通道分别涂覆一种荧光聚合物薄膜，有5个毛细通道就可涂覆五种荧光聚合物薄膜，这样就可以同时探测多种爆炸物分子。
本探测仪还包括用于供电和控制光栅单色器进行工作的电路板，以及用于显示检测结果的显示器，和报警装置。
本发明中的光源5与光栅单色器7之间的位置或对称设置在气道3的两侧或两端，并位于同一轴线上（如图1-3所示），或设置在气道3的相邻两侧成垂直状，如光源5位于气道3的正上方，光栅单色器7位于气道3的左侧或右侧（如图6所示）。其中光栅单色器7的结构同图1-3所示，在此不一一累述。
上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。
Claims (10)
1.一种爆炸物荧光光谱探测仪，包括光源（5）、光波导（4）及光栅单色器（7），其特征在于：所述光波导（4）内置于气道（3）的内部，位于光波导（4）两端的气道（3）的内部分别形成进气区（3.1）和抽气区（3.2），所述抽气区（3.2）通过导管（2）与气泵（1）连接；所述光源（5）和光栅单色器（7）对称设置在气道（3）的两对侧成直线状，或光源（5）和光栅单色器（7）设置在气道（3）的相邻两侧成垂直状；与光源（5）相对的气道（3）侧壁上开设有入射狭缝（3.3），与光栅单色器（7）相对的气道（3）侧壁上开设有出射狭缝（3.6）；使光源（5）通过入射狭缝（3.3）照射到光波导（4）上，而光波导（4）激发出的荧光经出射狭缝（3.6）照射到光栅单色器（7）。
2.根据权利要求1所述的一种爆炸物荧光光谱探测仪，其特征在于：所述进气区开设有进气口（3.4），位于进气口（3.4）后端的进气区（3.1）内设有加热片（6）；所述抽气区（3.2）开有导管口（3.5），所述导管（2）与导管口（3.5）密封连接。
3.根据权利要求1所述的一种爆炸物荧光光谱探测仪，其特征在于：所述光波导（4）的两端通过密封圈与气道（3）连接，将进气区（3. 1）、光波导（4）和抽气区（3.2）形成一个密封的连通腔体。
4.根据权利要求1所述的一种爆炸物荧光光谱探测仪，其特征在于：所述光波导（4）为管状光波导或阵列式微流体通道，所述管状光波导以及阵列式微流体通道的内部均沿其长度方向布设有若干个毛细通道（4.1），每一个毛细通道（4.1）的内部分别涂覆有一种荧光聚合物薄膜。
5.根据权利要求4所述的一种爆炸物荧光光谱探测仪，其特征在于：所述光波导（4）的材质为折射率低于所涂覆的荧光聚合物薄膜折射率的可导光材料。
6.根据权利要求1所述的一种爆炸物荧光光谱探测仪，其特征在于：所述光源（5）包括激光三极管、单色LED光源或加窄带滤光片滤光的宽带光源。
7.根据权利要求1所述的一种爆炸物荧光光谱探测仪，其特征在于：所述光栅单色器（7）包括准直镜（7.1）、凹面光栅（7.2）和CCD探测器（7.3），所述光源（5）通过入射狭缝（3.3）照射到光波导（4）上，光波导（4）激发出的荧光经出射狭缝（3.6）照射到准直镜（7.1）上，再经准直镜（7.1）入射到凹面光栅（7.2），通过CCD探测器（7.3）探测经凹面光栅（7.2）衍射到不同空间位置上的不同波长的光信号。
8.根据权利要求1所述的一种爆炸物荧光光谱探测仪，其特征在于：所述光栅单色器（7）包括准直透镜（7.4）、凹面光栅（7.2）和光电倍增管（7.5），所述准直透镜（7.4）置于出射狭缝（3.6）的正下方，所述光电倍增管（7.5）通过支撑移动座（7.6）支撑并相对于固定的凹面光栅（7.2）进行移动，光电倍增管（7.5）上开设有光狭缝（7.51），所述光狭缝（7.51）通过调节钮（7.52）来调节其宽度；所述光源（5）通过入射狭缝（3.3）照射到光波导（4）上，光波导（4）激发出的荧光经出射狭缝（3.6）照射到准直透镜（7.4）上，再经准直透镜（7.4）入射到凹面光栅（7.2），通过移动光电倍增管（7.5）到不同波长衍射光所在空间位置上探测经凹面光栅（7.2）衍射的光信号。
9.根据权利要求1所述的一种爆炸物荧光光谱探测仪，其特征在于：所述光栅单色器（7）包括准直透镜（7.4）、固定包含角光栅（7.7）和光电倍增管（7.5），所述准直透镜（7.4）置于出射狭缝（3.6）的正下方，所述光电倍增管（7.5）上开设有光狭缝（7.51），所述固定包含角光栅（7.7）通过支撑旋转座（7.8）实现角度转动；所述光源（5）通过入射狭缝（3.3）照射到光波导（4）上，光波导（4）激发出的荧光经出射狭缝（3.6）照射到准直透镜（7.4）上，再经准直透镜（7.4）入射到固定包含角光栅（7.7），通过转动固定包含角光栅（7.7）的角度，使光电倍增管（7.5）探测经固定包含角光栅（7.7）衍射的不同波长光信号。
10.根据权利要求8或9所述的爆炸物荧光光谱探测仪，其特征在于：所述光电倍增管（7.5）还可以为硅光电二极管或SIMP型探测器；
所述光栅单色器（7）的外框体和气道（3）的材质为金属或高分子材料，其内壁均为黑色；其中采用高分子材料制成的光栅单色器（7）的外框体和气道（3）的内壁还设有电磁屏蔽层。
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