CN108226071A - 一种基于抛物面结构的气体光谱测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于抛物面结构的气体光谱测试装置，包括入射光处理单元、出射光处理单元及抛物面测量单元。本发明借助光在抛物面结构内的传播特性，将出射光位置和感光器位置分别定在抛物面测量单元的左焦点及右焦点上，并在左焦点的左侧设置凹透镜，在右焦点设置电荷耦合元件，凹透镜发出的光经过左侧抛物面金属壳内壁的反射，平行射入右侧抛物面金属壳内壁中，再由右侧抛物面金属壳内壁反射汇聚于电荷耦合元件处。该光谱装置结构保证了经过抛物面测量单元内气体样品的光程固定，提高了测量的可重复性，做到了对气体样品等光程多角度的光谱测量，具有结构简单，成本低，操作方便以及测量精准等优点。

Description

一种基于抛物面结构的气体光谱测试装置

技术领域

本发明涉及光谱分析仪器技术领域，尤其是一种基于抛物面结构的气体光谱测试装置。

背景技术

光谱分析技术，已广泛应用于测量物质的化学组成和相对含量。这种方法具有分析速度较快、操作简便 、不需纯样品、可同时测定多种元素或化合物、选择性好 、灵敏度高、样品损坏少等优点。现有技术测量物质的吸光度，是光谱分析技术的主要应用之一，也是目前研究气体物质物理特性的主要方法之一。吸光度表示物质对光的吸收程度，是指原子在光照下，会吸收光子的能量由低能态跃迁到高能态的现象。从实验上研究光的吸收，通常用一束平行光照射在物质上，定光程测量光强随穿透距离衰减的规律。存在的问题是，该方法使整条光路固定，光只能以固定角度射入感光器件，大大增加了因样品的不均匀，空间位置的变化，如入射角度、以及光的反射、散射及偏振对测量数据的影响。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于抛物面结构的气体光谱测试装置。本发明借助光在抛物面结构内的传播特性，将出射光位置和感光器位置分别定在抛物面测量单元的左焦点及右焦点上，并在左焦点的左侧设置凹透镜，在右焦点设置电荷耦合元件，凹透镜发出的光经过左侧抛物面金属壳内壁的反射，平行射入右侧抛物面金属壳内壁中，再由右侧抛物面金属壳内壁反射汇聚于电荷耦合元件处。该光谱装置结构保证了经过抛物面测量单元内气体样品的光程固定，提高了测量的可重复性，做到了对气体样品等光程多角度的光谱测量，具有结构简单，成本低，操作方便以及测量精准等优点。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于抛物面结构的气体光谱测试装置，其特点包括入射光处理单元、出射光处理单元及抛物面测量单元，所述抛物面测量单元由抛物面金属壳及气压传感器构成；

所述抛物面金属壳由左右两件开口径相同、开口相对、回转轴共线的抛物面半壳体焊接而成，且抛物面金属壳内回转轴的连线上设有左焦点及右焦点；

所述抛物面金属壳的内壁涂覆有白色镜面反射材料；

所述抛物面金属壳的侧壁上分别设有入气口、出气口、气压监测口及入射光进口，气压传感器设于气压监测口上；

所述入射光处理单元由单色器、光源、入射光通道及凹透镜构成；

所述入射光通道由垂直通道及水平通道构成且呈“L”型设置，其中，垂直通道设于抛物面金属壳的入射光进口，水平通道与抛物面金属壳的回转轴共线；

所述凹透镜设于抛物面金属壳的左焦点的左侧，其凹透镜的右焦点与抛物面金属壳的左焦点重合，单色器及光源设于抛物面金属壳的外侧，光源与单色器的入口光连接，单色器的出口连接于垂直通道的起始端，且单色器的光路经入射光通道折射到凹透镜上；

所述出射光处理单元由固定轴、电荷耦合元件和上位机构成；

所述固定轴分为垂直轴及水平轴，其中，固定轴的垂直轴与入射光通道的垂直通道同轴设置、水平轴与入射光通道的水平通道同轴设置；

所述电荷耦合元件设于抛物面金属壳的右焦点上，上位机设于抛物面金属壳的外侧，线缆通过固定轴的垂直轴及水平轴将电荷耦合元件、上位机及单色器电连接。

所述的入射光通道、固定轴及线缆均包裹在表面涂覆白色镜面反射材料的管件内。

所述的入射光通道由复合光纤材料制成。

所述的光源为氙灯、氘灯或卤钨灯发出的白光源。

所述的电荷耦合元件为背照薄型光传感器，选择波段的波长为3～400微米。

所述的单色器为双光栅单色器，选择波段的波长为2～200微米。

本发明借助光在抛物面结构内的传播特性，将出射光位置和感光器位置分别定在抛物面测量单元的左焦点及右焦点上，并在左焦点左侧设置凹透镜，在右焦点设置电荷耦合元件，凹透镜发出的光经过左侧抛物面金属壳内壁的反射，平行射入右侧抛物面金属壳内壁中，再由右侧抛物面金属壳内壁反射汇聚于电荷耦合元件处。该光谱装置结构保证了经过抛物面测量单元内气体样品的光程固定，提高了测量的可重复性，做到了对气体样品等光程多角度的光谱测量，具有结构简单，成本低，操作方便以及测量精准等优点。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为抛物面测量单元的结构示意图。

具体实施方式

参阅图1、图2，本发明包括入射光处理单元1、出射光处理单元2及抛物面测量单元3，

所述抛物面测量单元3由抛物面金属壳31及气压传感器35构成；

所述抛物面金属壳31由左右两件开口径相同、开口相对、回转轴共线的抛物面半壳体焊接而成，且抛物面金属壳31内回转轴的连线上设有左焦点及右焦点；

所述抛物面金属壳31的内壁涂覆有白色镜面反射材料；

所述抛物面金属壳31的侧壁上分别设有入气口34、出气口33、气压监测口及入射光进口，气压传感器35设于气压监测口上；

所述入射光处理单元1由单色器13、光源12、入射光通道及凹透镜11构成；

所述入射光通道由垂直通道15及水平通道14构成且呈“L”型设置，其中，垂直通道15设于抛物面金属壳31的入射光进口，水平通道14与抛物面金属壳31的回转轴共线；

所述凹透镜11设于抛物面金属壳31的左焦点的左侧，其凹透镜11的右焦点与抛物面金属壳31的左焦点重合，单色器13及光源12设于抛物面金属壳31的外侧，光源12与单色器13的入口光连接，单色器13的出口连接于垂直通道15的起始端，且单色器13的光路经入射光通道折射到凹透镜11上；

所述出射光处理单元2由固定轴22、电荷耦合元件21和上位机23构成；

所述固定轴22分为垂直轴及水平轴，其中，固定轴22的垂直轴与入射光通道的垂直通道15同轴设置、水平轴与入射光通道的水平通道14同轴设置；

所述电荷耦合元件21设于抛物面金属壳31的右焦点上，上位机23设于抛物面金属壳31的外侧，线缆通过固定轴22的垂直轴及水平轴将电荷耦合元件21、上位机23及单色器13电连接。

所述的入射光通道、固定轴22及线缆均包裹在表面涂覆白色镜面反射材料的管件内。

所述的入射光通道由复合光纤材料制成。

所述的光源12为氙灯、氘灯或卤钨灯发出的白光源。

所述的电荷耦合元件21为背照薄型光传感器，选择波段的波长为3～400微米。

所述的单色器13为双光栅单色器，选择波段的波长为2～200微米。

实施例

本实施例以背照薄型光传感器作为电荷耦合元件21，其选择波段的波长为3～400微米，以双光栅的单色器13，其选择波段的波长为2～200微米为例，结合本发明的工作过程进一步说明如下：

前期准备工作

参阅图1、图2，为便于测试过程自动完成，本发明与程序控制器及计算机配合使用，在气体投放之前，首先检查计算机及程序控制器与本发明上位机23的正常连接，本发明的入气口34及出气口33上均设有电磁阀，在出气口33上接有抽气泵，将入气口34及出气口33上的电磁阀、气压传感器35及出气口33的抽气泵与程序控制器电连接；将待测气体样品密封并经管路与入气口34连接；

气体样品的投放

参阅图1、图2，在投放气体样品前，通过程序控制器关闭入气口34的电磁阀，同时打开出气口33的电磁阀并启动抽气泵。

当抛物面测量单元3的抛物面金属壳31内的气压达到设定气压值时，气压传感器35将检查到的气压值反馈至程序控制器中，程序控制器关闭抽气泵及出气口33的电磁阀，同时打开入气口34的电磁阀。

由程序控制器控制入气口34电磁阀的开关大小，以控制气体样品进入抛物面金属壳31的流量。

当抛物面金属壳31内待测气体样品的气压达到设定气压值时，程序控制器由气压传感器35获取反馈信息将入气口34的电磁阀关闭。

将充有待测气体样品的抛物面金属壳31静置10分钟，待气压稳定后，认定待测气体样品的投放完成。

气体光谱的测试

参阅图1、图2，在完成待测气体样品的投放后，由程序控制器开启氙灯的光源12，光源12发出的复色光通过光路射入单色器13中。

通过程序控制器调节单色器13内光栅位置，调节出实验所需波长3～400微米的单色光，该单色光分别经过入射光通道的垂直通道15及水平通道14平行射入凹透镜11中。

由于凹透镜11的右焦点与抛物面金属壳31内的左焦点重合，使平行入射在凹透镜11的单色光散射开，且这些散射开的光线的反向延长线均经过抛物面金属壳31的左焦点。

单色光经过凹透镜11散射后发射到抛物面金属壳31的内表面，并在抛物面金属壳31内水平从左向右反射，再由抛物面金属壳31的内表面反射到右焦点，由于电荷耦合元件21设于右焦点，单色光在右焦点被电荷耦合元件21收集并转化成电信号，电信号传输至上位机23，上位机23同时记录单色器13输出的波长信号与电荷耦合元件21对应波长光的光强信号，数据经计算机处理，成功描绘出相应气体样品的吸收光谱图。

参阅图1、图2，定义左侧的抛物面为左抛物面，右侧的抛物面为右抛物面。由于抛物面金属壳31的聚光作用,由左抛物面的左焦点射出的光线射入左抛物面的内壁，其光线会平行于回转抛物面的回转轴反射至右抛物面的内壁。同样是因为抛物面的聚光作用，平行入射至右抛物面的光线会汇聚于右抛物面的右焦点处，被右焦点位置的电荷耦合元件21所收集。抛物线定义是指平面内到一个定点（焦点）和一条定直线（准线）距离相等的点的轨迹，故由左抛物面左焦点射出的光线至射入左抛物面的内壁的光程实际上等于平行入射至右抛物面的光线的反向延长线到左抛物面准线的距离。同理，从右抛物面内壁射入右抛物面右焦点的光程实际上等于平行入射至右抛物面的光线的延长线到右抛物面准线的距离。因此，对于本发明的整条光路而言，其总光程恒等于平行入射至右抛物面的光线光程加上其光线至左右两条准线的延长线距离，即总光程恒等于左抛物面左准线到右抛物面右准线的距离。固该结构保证了经过抛物面测量单元内气体样品的光程固定。

参阅图1、图2，本发明采用在入射光通道水平通道14的左侧设置凹透镜11，使凹透镜11的右焦点与左抛物面左焦点重合。成功的保证了所有从入射光通道射出的光的反向延长线交于抛物面金属壳31的左焦点上，同时解决了所有从入射光通道射出的光只能单一角度出射的问题，解决了对气体样品的等光程且多角度的光谱测量。

参阅图1、图2，本发明的入射光通道的垂直通道15设置在抛物面金属壳31的圆半径上，入射光通道的水平通道14设置在回转抛物面的回转轴上，将凹透镜11与电荷耦合元件21隔离分置在抛物面金属壳31的回转轴两侧，防止单色器13入射的单色光直接射入电荷耦合元件21中，避免了预期光程的减小。

参阅图1、图2，本发明采用单色器13、上位机23及电荷耦合元件21之间的电连接，从而使上位机23可以控制单色器13色散出的光信号波长，同时电荷耦合元件21传输出对应波长光的光强信号，上位机23同时记录单色器13色散出的光信号波长及电荷耦合元件21传输出对应波长光的光强信号，上位机23将信号传输至计算机处理，即可成功描绘出相应气体样品光谱图。本发明与程序控制器及计算机配合使用，使测量流程做到一体化、自动化且操作方便快捷。

Claims (6)

1.一种基于抛物面结构的气体光谱测试装置，其特征在于它包括入射光处理单元（1）、出射光处理单元（2）及抛物面测量单元（3），所述抛物面测量单元（3）由抛物面金属壳（31）及气压传感器（35）构成；

所述抛物面金属壳（31）由左右两件开口径相同、开口相对、回转轴共线的抛物面半壳体焊接而成，且抛物面金属壳（31）内回转轴的连线上设有左焦点及右焦点；

所述抛物面金属壳（31）的内壁涂覆有白色镜面反射材料；

所述抛物面金属壳（31）的侧壁上分别设有入气口（34）、出气口（33）、气压监测口及入射光进口，气压传感器（35）设于气压监测口上；

所述入射光处理单元（1）由单色器（13）、光源（12）、入射光通道及凹透镜（11）构成；

所述入射光通道由垂直通道（15）及水平通道（14）构成且呈“L”型设置，其中，垂直通道（15）设于抛物面金属壳（31）的入射光进口，水平通道（14）与抛物面金属壳（31）的回转轴共线；

所述凹透镜（11）设于抛物面金属壳（31）的左焦点的左侧，其凹透镜（11）的右焦点与抛物面金属壳（31）的左焦点重合，单色器（13）及光源（12）设于抛物面金属壳（31）的外侧，光源（12）与单色器（13）的入口光连接，单色器（13）的出口连接于垂直通道（15）的起始端，且单色器（13）的光路经入射光通道折射到凹透镜（11）上；

所述出射光处理单元（2）由固定轴（22）、电荷耦合元件（21）和上位机（23）构成；

所述固定轴（22）分为垂直轴及水平轴，其中，固定轴（22）的垂直轴与入射光通道的垂直通道（15）同轴设置、水平轴与入射光通道的水平通道（14）同轴设置；

所述电荷耦合元件（21）设于抛物面金属壳（31）的右焦点上，上位机（23）设于抛物面金属壳（31）的外侧，线缆通过固定轴（22）的垂直轴及水平轴将电荷耦合元件（21）、上位机（23）及单色器（13）电连接。

2.根据权利要求1所述的基于抛物面结构的气体光谱测试装置，其特征在于入射光通道、固定轴（22）及线缆均包裹在表面涂覆白色镜面反射材料的管件内。

3.根据权利要求1所述的基于抛物面结构的气体光谱测试装置，其特征在于入射光通道由复合光纤材料制成。

4.根据权利要求1所述的基于抛物面结构的气体光谱测试装置，其特征在于光源（12）为氙灯、氘灯或卤钨灯发出的白光源。

5.根据权利要求1所述的基于抛物面结构的气体光谱测试装置，其特征在于电荷耦合元件（21）为背照薄型光传感器，选择波段的波长为3～400微米。

6.根据权利要求1所述的基于抛物面结构的气体光谱测试装置，其特征在于单色器（13）为双光栅单色器，选择波段的波长为2～200微米。