CN111707628B - 多工位自动切换的光路装置及光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种支持多工位自动切换和微调灯源的光路装置，包括安装微调装置、动力输出装置，所述的安装微调装置中的多工位法兰为具有中心孔的圆盘，对称设有多个光源安装座，旋转支撑轴穿过法兰的中心孔。所述动力输出装置可通过旋转支撑轴而带动多工位法兰发生旋转，并带动光源进行旋转进位到达指定位置。本发明还提供包含所述光路装置的气相分子吸收光谱仪。本发明能够自动选择并使得光源到达指定的待检测位置，并随时将故障光源移出指定的待检测位置；同时，利用步进电机配合了红外光耦感应技术，将安装在多工位法兰盘上灯源位置进行精确微调。

Description

多工位自动切换的光路装置及光谱仪

技术领域

本发明涉及光学分析仪器，具体涉及一种支持多工位切换和微调灯源的气相分子吸收光谱仪的光路装置，及其制备的气相分子吸收光谱仪。

背景技术

气相分子吸收光谱法(简称GPMAS)是基于被测成分所分解成的气体对光的吸收强度与被测成分浓度的关系遵守光吸收定律这一原则来进行定量测定的；根据吸收波长的不同,也可以确定被测定的成分而进行定性分析。气相分子吸收光谱法可用于测定氨氮、总氮、硫化物、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、凯氏氮等。气相分子吸收光谱法的检测原理是：首先通过化学反应，将水溶液中的离子或者分子转化为某种气体。气体分子在不受外界影响的情况下，通常处于相对稳定的状态，称之为基态气体分子。但是，一旦这些气体分子接受到特定波长的光辐射时，很容易产生相应的分子振动。发生分子振动所需能量是一定的，这种特定的能量称为分子特征谱线。在气相分子吸收光谱法中，选特定波长的光源，气态分子对该光源发出的特征波长光产生分子振动吸收，根据光的被吸收程度计算出分子浓度。每个光子的能量等于普朗克常量和光子的频率的乘积。对于一个光波函数来说，可以通过数学手段把它分解为许多不同频率的波的和。如果一个光分解出来的频率是连续的，称为连续谱；如果分解出来的频率是离散的称为离散谱，不同光源，由于发光的物质不同，辐射能(辐射功率)按照波长分布的情况也就不一样。使用气相分子吸收光谱法进行物质的光谱检测时，不同的物质需要特定波长范围的光进行辐射，其辐射能需达到一定的强度才可以保证检测结果的准确性。因此光源的工作性能是否达标决定着检测仪器原始数据的可靠性。

气相分子吸收光谱仪是由发明人所在团队的核心人物臧平安先生1987年研发，1998年全世界第一台样机问世。由于研发初期是经过原子吸收改装的，所以2005年制定国标采用的光源是空心阴极灯。经过多年的积累，申请人还成功研发了使用氘灯代替空心阴极灯的改进方法(齐文启，臧平安等，气相分子吸收光谱仪光源优化方案探讨，《现代科学仪器》第6期2016年12月)。

最初的光源是单一光源或一种固定光源来发射特定波长的检测光。随着应用的发展，现在需要能支持多光源的吸收光谱仪。例如，针对多种待测元素或氮元素较多的待测用品，需要使用不同的单一元素灯源或不同波长的灯源。然而，在使用过程中，如果频繁的更换灯源，既耽误时间，也不利于检测的顺利进行。另外，长期使用同一个的单一灯源，会造成灯源过渡损耗的情形。因此，目前已经出现了使用多种光源的光路装置。

目前涉及多光源的光路装置或光谱仪，通常是在同一或不同位置设置多个光源以发射相同或不同波长的检测光。如果在同一位置设置多光源，容易出现单一光源故障而影响其他光源的工作。如果在不同位置设置多个光源，又存在结构复杂、难以维护的缺点，因此难以实现自动化、机械化控制。另外，对于不适宜的光源位置，现有装置又存在难以检测位置差异和难以微调的缺点。

为此，申请人的在先专利申请(一种多光源气相吸收光谱仪，专利号：ZL201621292939.0)公开了一种多光源气相吸收光谱仪的装置，多光源装置包括光源选择支架、固定轴、设于光源选择支架内部的并以固定轴为轴心设置的数个光源灯，其中所述光源灯发射的光为连续光源或锐线光源。该本仪器采用先照射样品、再使用分光装置113分光，能够不移动仪器比色装置中的任何部件就能够进行检测，分光装置113选择使用无机械结构的滤光片代替机械结构的单色器和透镜组。该装置通过分光装置113(即分光器)实现连续光源或锐线光源的切换，例如，在具体操作中只使用锐线光源时，将分光装置113关闭或去除，使光路模块的结构变为：“多光源装置112、吸光管111、光探测器114”。虽然该装置能避免单一光源故障而影响其他光源的缺点，然而，该装置是通过关闭或去除分光装置的方式，改变多光源分光后的输出路径或方式，以实现光源切换，光源自身为固定方式，难以进行微调，因此这种装置难以实现自动化、机械化控制和调整光源位置，存在一定的使用不便。

中国发明专利申请“一种多光源多吸收池气相分子吸收光谱仪”(申请号：201710440718.6)公开了多光源多吸收池气相分子吸收光谱仪，其中光源并排设置有多个，多个光源的光均射入到透镜上，吸收池并排设置有多个，从透镜射出的光射向每个吸收池，检测器分析每个吸收池的光谱线。虽然该装置能避免单一光源故障而影响其他光源的缺点，然而，该发明所谓的多个光源仍然是多个固定光源，产生的多束光后仍然从不同入射角度射入透射镜后，依靠透镜再射向并排设置的吸收池。这种多光源自身为固定方式，并未发生任何改变，因此这种装置难以实现自动化、机械化控制和调整光源位置，存在一定的使用不便。

中国发明专利申请“带冗余温控功能的气相分子吸收光谱仪”(申请号：201811320336.0)公开了带冗余温控功能的气相分子吸收光谱仪，其中所述光路装置包括依次连接的多光源装置、所述吸光管、分光装置、光探测器；所述多光源装置包括光源选择支架、固定轴以及设于所述光源选择支架内部的并以固定轴为轴心设置的数个光源灯。然而，该发明借用了本申请人和发明人在先的发明专利(一种多光源气相吸收光谱仪，ZL201621292939.0)的技术路线，该装置是通过关闭或去除分光装置的方式，改变多光源分光后的输出路径或方式，以实现光源切换，光源自身为固定方式，并未发生任何改变，因此这种装置难以实现自动化、机械化控制和调整光源位置，存在一定的使用不便。

中国发明专利申请“多通道吸收光谱检测台及检测系统”(申请号：201810724674.4)公开了多通道吸收光谱检测台及检测系统，在使用时，检测光发生装置发射的检测光通过发射光纤准直器照射到多孔板上的样品上，发生相互作用后透过样品被接收光纤准直器接收后通过检测光分析装置分析，在检测过程中通过两个驱动机构带动横向移动架或者纵向移动架移动，从而使得纵向移动架上的多孔板上的不同位置的样品孔对应移动到发射光纤准直器的下方进行检测，移动到位后通过弹性定位机构与限位孔的配合来保证样品孔的位置。虽然该装置能够实现自动化、机械化控制的效果，然而，该光路多通道是通过样品多孔板的横向或纵向移动来对准光路的光纤，光源自身不能移动。同时，这种装置需要额外的发射光纤准直器、接收光纤准直器以及复杂的样品多孔板移动架、导轨槽等设置，因此不适于气相分子吸收光谱仪的多光源的应用。

申请人的在先专利申请(光路系统和气相分子吸收光谱仪，专利号：ZL201720580373.X)公开了一种光路系统及其制备的气相分子吸收光谱仪，包括：光源、第一合束滤波片、交叉光路吸光管、第二合束滤波片和光电转换装置依次设置在光路上，第二全反射镜、第三全反射镜和尾气收集装置设置在光路的一侧，滤波片和第一全反射镜设置在光路的另一侧。然而，该装置是通过将第一波长光投射过第一合束滤波片，经过交叉光路吸光管的第一光路，经交叉光路吸光管内进入的气体吸收后，再经过第二合束滤波片，进入光电转换装置完成检测。而第二波长光经第一合束滤波片反射后，经过滤光片进行过滤，得到第三波长光，经过多次反射，再进入光电转换装置完成检测。该发明虽然能针对多个波长光的光敏感物质，多个波长光同步检测，但光源位置固定不变，使用时需要对该光源切换发射不同波长的光，并且检测过程中经过多次反射，导致光强度和纯度下降，并且需要在不同的位置上精确设置多种全反射镜、滤波片，导致结构过于复杂、成本过高、灵敏度下降，对于光源的维护也存在不足。同时，这种通过同一光源发射不同波长的装置，极易出现单一光源故障而影响其他光源工作的缺陷，同时难以调整光源位置。

因此，目前需要一种能够在多个不同工位上自动切换光源的光路装置，该光路装置应当具有自动化、机械化切换光源和调整光源位置的优点，避免单一光源故障而影响其他光源工作的缺陷，同时还要具有结构简单、能根据需要集成多种不同光源(如空心阴极灯、氚灯)或多个光源的容错率高优点，以及易于维护的优点。

发明内容

本发明第一个发明目的是提供一种支持多工位自动切换灯源的光路装置，包括安装微调装置、动力输出装置分组成，其中，

所述的安装微调装置包括光源1、旋转支撑轴2、光源套压环3、光源安装座4、多工位法兰5、转轴支持轴承座安装板6、转轴支持轴承座7、光耦钣金12；

其中，多工位法兰5为具有中心孔的圆盘，对称设有多个光源安装座4，光源1通过光源套压环3固定在光源安装座4，从而可安装多个相同或不同的光源，法兰5在圆盘边缘处设有一个突出的光耦钣金12；

旋转支撑轴2穿过法兰5的中心孔，并套接在转轴支持轴承座7，转轴支持轴承座7固定连接在转轴支持轴承座安装板6的垂直基板；

所述动力输出装置与转轴支持轴承座7的水平基板连接，可驱动套接在转轴支持轴承座7中的旋转支撑轴2进行旋转，从而带动多工位法兰5发生旋转，并带动多个光源1进行旋转进位到达指定位置。

在一个实施方案中，动力输出装置包括从动同步轮8、同步带9、主动同步轮10、电机安装钣金11、光耦13、步进电机14，其中电机安装钣金11是动力输出装置的固定支撑板，同时与转轴支持轴承座安装板6固定连接，电机安装钣金11上设有从动同步轮8、同步带9、主动同步轮10、步进电机14、光耦13，光耦13设在相对于多工位法兰的正下方的电机安装钣金11上。

在一个实施方案中，步进电机14通过主动同步轮10、同步带9、从动同步轮8而与安装微调装置的转轴支撑轴乘座7相连接，当步进电机14工作时，同步带9驱动转轴支撑轴乘座7中的旋转支撑轴2的旋转，从而带动多工位法兰和多个光源旋转，直至光源到达可以发射检测波长光的准确发射位置。

在一个实施方案，当光耦钣金12是用于隔离光耦13光路的金属片状物，当随法兰盘一起旋转到达光耦13的工作区域时，光耦13的红外线被隔断，并产生信号并发送给程序化软件或自动控制器，以记录零点位置。该零点位置作为准确定位光源的精确位置，便于调整或更换光源时，进行校正光源的位置。

在上述任一实施方案中，所述动力输出装置受到程序化软件或自动控制器的控制，以实现自动化旋转调整光源1到达指定的待检测位置，并随时将故障的光源通过旋转多工位法兰5而移出指定的待检测位置；

在上述任一实施方案中，可以通过调整光源套压环3而更换单个的光源1，或者直接拆卸多工位法兰5，从而更换所有的光源1。在一个具体实施方案中，所述光源是相同或不同的光源。在另一具体实施方案中，所述光源是相同或不同的元素阴极灯和/或氚灯。

在上述任一实施方案中，其中可以根据需要确定多工位法兰5的圆径，从而容纳更多工位的光源，优选4、6、8、12甚至更多个光源。

在上述任一实施方案中，灯源安装座4内设有弹簧，使得灯源与多工位法兰5之间通过弹簧柔性接触，因此可以手动微调弹簧以调整光源的焦距而得到最强的光线。

本发明第二个目的提供一种支持多工位自动切换和微调灯源的的气相分子吸收光谱仪，该吸收光谱仪包括上述光路装置，以及吸收光谱仪的其他已知装置，其中，所述光路装置，包括安装微调装置、动力输出装置分组成，其中，

所述的安装微调装置包括光源1、旋转支撑轴2、光源套压环3、光源安装座4、多工位法兰5、转轴支持轴承座安装板6、转轴支持轴承座7、光耦钣金12；

其中，多工位法兰5为具有中心孔的圆盘，对称设有多个光源安装座4，光源1通过光源套压环3固定在光源安装座4，从而可安装多个相同或不同的光源，法兰5在圆盘边缘处设有一个突出的光耦钣金12；

旋转支撑轴2穿过法兰5的中心孔，并套接在转轴支持轴承座7，转轴支持轴承座7固定连接在转轴支持轴承座安装板6的垂直基板；

所述动力输出装置与转轴支持轴承座7的水平基板连接，可驱动套接在转轴支持轴承座7中的旋转支撑轴2进行旋转，从而带动多工位法兰5发生旋转，并带动多个光源1进行旋转进位到达指定位置。

在一个实施方案中，动力输出装置包括从动同步轮8、同步带9、主动同步轮10、电机安装钣金11、光耦13、步进电机14，其中电机安装钣金11是动力输出装置的固定支撑板，同时与转轴支持轴承座安装板6固定连接，电机安装钣金11上设有从动同步轮8、同步带9、主动同步轮10、步进电机14、光耦13，光耦13设在相对于多工位法兰的正下方的电机安装钣金11上。

在一个实施方案中，步进电机14通过主动同步轮10、同步带9、从动同步轮8而与安装微调装置的转轴支撑轴乘座7相连接，当步进电机14工作时，同步带9驱动转轴支撑轴乘座7中的旋转支撑轴2的旋转，从而带动多工位法兰和多个光源旋转，直至光源到达可以发射检测波长光的准确发射位置。

在一个实施方案，当光耦钣金12是用于隔离光耦13光路的金属片状物，当随法兰盘一起旋转到达光耦13的工作区域时，光耦13的红外线被隔断，并产生信号并发送给程序化软件或自动控制器，以记录零点位置。该零点位置作为准确定位光源的精确位置，便于调整或更换光源时，进行校正光源的位置。

在上述任一实施方案中，所述动力输出装置受到程序化软件或自动控制器的控制，以实现自动化旋转调整光源1到达指定的待检测位置，并随时将故障的光源通过旋转多工位法兰5而移出指定的待检测位置；

在上述任一实施方案中，可以通过调整光源套压环3而更换单个的光源1，或者直接拆卸多工位法兰5，从而更换所有的光源1。在一个具体实施方案中，所述光源是相同或不同的光源。在另一具体实施方案中，所述光源是相同或不同的元素阴极灯和/或氚灯。

在上述任一实施方案中，其中可以根据需要确定多工位法兰5的圆径，从而容纳更多工位的光源，优选4、6、8、12甚至更多个光源。

在上述任一实施方案中，灯源安装座4内设有弹簧，使得灯源与多工位法兰5之间通过弹簧柔性接触，因此可以手动微调弹簧以调整光源的焦距而得到最强的光线。

在上述任一实施方案中，所述吸收光谱仪的其他装置包括控制装置、液路装置、气路装置。在优选的实施方案中，所述液路装置包括依次连接的进样装置、混合装置、反应装置以及分离装置；所述气路装置包括依次连接的气源、所述分离装置、吸光管以及弃物处理装置。

上述装置的工作原理在于：利用受到程序化软件或自动控制器控制动力装置，驱动法兰盘选择并使得光源1到达指定的待检测位置，并随时将故障的光源通过旋转多工位法兰5而移出指定的待检测位置；同时，利用步进电机配合了红外光耦感应技术，将安装在多工位法兰盘上灯源位置进行精确微调。

技术效果

1、本发明首创使用旋转式光源复合装置，通过法兰盘的旋转在有限空间内循环切换不同的光源，这种切换模式，既稳定可靠，又结构简单，有利于实现光路装置的小型化，以及有利于制备便携式光谱检测仪。

2、本发明的旋转式光源复合装置，能够及时移出故障的光源，从而不影响其他的光源，系统容错率更高。

2、本发明利用步进电机配合了红外光耦感应技术，将安装在多工位法兰盘上灯源位置进行精确微调。

3、本发明利用设有多个光源工位(可装配光源的位置即为工位)圆盘式法兰结构，可以安装不同波长的光源，甚至安装不同波长的阴极灯和氚灯，使用灵活方便。

4、本发明改变了通过关闭或去除分光装置以实现多光源切换的传统技术路线，通过软件从源头上控制光源发生，其能够对现有的多光源切换的分光装置或仪器(例如，本发明人的在先专利：一种多光源气相吸收光谱仪，专利号：ZL201621292939.0)进行改造或者模块化替换，这样能节省大量费用，避免重新采购新仪器带来的成本。

6、本发明通过柔性弹簧连接法兰盘和光源，以及通过光源套压环、固定螺丝，可以灵活调整光源的焦点以及拆卸单个光源、甚至整个法兰盘，具有结构简单、便于维护的优点。

附图说明

图1为本发明的光路装置的结构侧视图。

图2为本发明的光路装置的结构正视图。

图3为本发明的光路装置的结构立体图。

图4为包含本发明的光路装置和其他检测装置的结构立体图。

其中，附图标记如下：光源1、旋转支撑轴2、光源套压环3、光源安装座4、多工位法兰5、转轴支持轴承座安装板6、转轴支持轴承座7、从动同步轮8、同步带9、主动同步轮10、电机安装钣金11、光耦钣金12、光耦13、步进电机14。

具体实施方式

为了使发明实现的技术手段、创造特征、达成目的和功效易于明白了解，下结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1所示，转轴支持轴承座安装板6为L型的支撑基座，垂直向上的基板上设有转轴支撑轴承座7，该轴承座上设有旋转支撑轴2，其穿过多工位法兰5的中心孔并可带动法兰旋转。多工位法兰5上对称设有多个光源1，其通过光源套压环固定在光源安装座4上。转轴支持轴承座安装板6的水平底部基板与电机安装钣金11固定连接。

如图2所示，电机安装钣金11固定连接在转轴支持轴承座安装板6的水平底部基板的侧端，其通过主同步轮10、同步带9、从同步轮8与转轴支撑轴承座7固定连接，其中同步带9分别缠绕在主同步轮10和从同步轮8上，当计算机程序软件或自动控制器控制电机启动时，同步带9驱动转轴支撑轴乘座7中的旋转支撑轴2的旋转，从而带动多工位法兰5的旋转，最终驱动多个光源1的旋转。

当装配好光源后，程序化软件或自动控制器控制光耦钣金12自动位于邻近光耦13的位置，作为出发位置(例如图2中的相对于光耦13的45°位置)。因此，当光耦钣金12随法兰盘一起旋转第一次到达光耦13的工作区域时，光耦13的红外线被隔断，并产生信号并发送给程序化软件或自动控制器，此时所记录的位置为零点位置，作为准确定位光源的精确位置，便于调整或更换光源后，进行校正光源的位置。

如图3所示，所述动力输出装置受到程序化软件或自动控制器的控制，以实现自动化旋转调整光源1到达指定的待检测位置，并发射特定波长的检测光线。如果光源出现故障，随时通过旋转多工位法兰5而将故障光源移出指定的待检测位置，以避免影响下一光源进入指定位置进行检测。

如果需要更换光源，通过调整光源套压环3，使得光源从光源安装座4上拆下而更换单个的光源1，或者直接拆卸多工位法兰5，从而更换所有的光源1。

如图4所示，所述光路装置可以和其他检测装置整合在一个支撑平板上，其中其他检测装置包括设在多个光源的光路行进方向依次设置的圆盘状分光装置、多组透镜、单色器、光检测装置。

此外，所述支撑平板上的所有装置还可以与控制装置、液路装置、气路装置等整合制备成支持两种光源自动切换的气相分子吸收光谱仪。其中所述液路装置包括依次连接的进样装置、混合装置、反应装置以及分离装置；所述气路装置包括依次连接的气源、所述分离装置、吸光管以及弃物处理装置。

其中，控制装置控制气路装置的气源将检测用载气压入反应装置以及分离装置，可用于检测样品中目标物质含量的特征气体被载气带入吸光管中；最后，控制装置控制上述光路装置，选择不同光源灯中的一种进行照射，其中一种光源灯发出的光照射吸光管中被载气带入的特征气体，一部分光被吸光管中的气体所吸收，剩余的光经过分光装置，选择待测物质吸收效应强的特征光束，其光强度被光检测器转化为对应的电信号，信号的变化可用于确定待测物质的含量。检测过程中生成的废液、废气，送入弃物处理装置，避免造成环境污染。

以上对发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，发明并不局限于上述特定实施方式，中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改做出若干简单推演、变形或替换，这并不影响发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种适用于气相分子吸收光谱仪的多工位自动切换和微调灯源的光路装置，包括安装微调装置、动力输出装置，所述的安装微调装置包括光源(1)、旋转支撑轴(2)、光源套压环(3)、光源安装座(4)、多工位法兰(5)、转轴支持轴承座安装板(6)、转轴支持轴承座(7)、光耦钣金(12)；

其中，多工位法兰(5)为具有中心孔的圆盘，对称设有多个光源安装座(4)，光源(1)通过光源套压环(3)固定在光源安装座(4)，从而可安装多个相同或不同的光源，法兰(5)在圆盘边缘处设有一个突出的光耦钣金(12)；

旋转支撑轴(2)穿过法兰(5)的中心孔，并套接在转轴支持轴承座(7)，转轴支持轴承座(7)固定连接在转轴支持轴承座安装板(6)的垂直基板；

所述动力输出装置与转轴支持轴承座(7)的水平基板连接，可驱动套接在转轴支持轴承座(7)中的旋转支撑轴(2)进行旋转，从而带动多工位法兰(5)发生旋转，并带动多个光源(1)进行旋转进位到达指定位置；

所述光源套压环(3)将光源(1)固定在光源安装座(4)，并可通过调整光源套压环(3)，从光源安装座(4)上拆卸光源(1)；

所述光耦(13)设在相对于多工位法兰的正下方的电机安装钣金(11)上，所述光耦钣金(12)是用于隔离光耦(13)光路的金属片状物，当随法兰盘一起旋转到达光耦(13)的工作区域时，光耦(13)的红外线被隔断，并产生信号并发送给程序化软件或自动控制器，以记录零点位置，该零点位置作为准确定位光源的精确位置，便于调整或更换光源时，进行校正光源的位置；

所述灯源安装座(4)内设有弹簧，使得灯源与多工位法兰(5)之间通过弹簧柔性接触，因此可以手动微调弹簧以调整光源的焦距而得到最强的光线。

2.根据权利要求1所述的光路装置，其中动力输出装置包括从动同步轮(8)、同步带(9)、主动同步轮(10)、电机安装钣金(11)、光耦(13)、步进电机(14)，其中电机安装钣金(11)是动力输出装置的固定支撑板，其固定连接在转轴支持轴承座安装板(6)的水平底部基板的侧端，并通过主同步轮(10)、同步带(9)、从同步轮(8)与转轴支撑轴承座(7)固定连接，以及光耦(13)设在相对于多工位法兰的正下方的电机安装钣金(11)上。

3.根据权利要求1或2所述的光路装置，其中所述动力输出装置受到程序化软件或自动控制器的控制，以实现自动化旋转调整光源(1)到达指定的待检测位置，并随时将故障的光源通过旋转多工位法兰(5)而移出指定的待检测位置。

4.根据权利要求3所述的光路装置，其中可直接拆卸多工位法兰(5)，从而更换所有的光源(1)；所述光源是相同或不同的元素阴极灯和/或氚灯。

5.一种支持多工位自动切换和微调灯源的的气相分子吸收光谱仪，该吸收光谱仪包括权利要求1-4任一所述的光路装置，还包括控制装置、液路装置、气路装置，所述液路装置包括依次连接的进样装置、混合装置、反应装置以及分离装置；所述气路装置包括依次连接的气源、所述分离装置、吸光管以及弃物处理装置。

Images