CN111707629B - 两种光源自动切换的光路装置及光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种支持两种光源自动切换的气相分子吸收光谱仪的光路装置，该装置包括：在空心阴极灯产生的光线行进方向依次设置的空心阴极灯灯架座、空心阴极灯、半透半反装置(2)、透镜、单色器，和在半透半反装置的侧方设置氘灯光源，其中所述半透半反装置可以根据需要选择透光模式或反光模式，从而使得空心阴极灯或氘灯发射的光线分别透过半透半反装置或从中折射而通向透镜、单色器，最终进入下游的光检测装置。本发明还提供包含上述光路装置的气相分子吸收光谱仪。本发明既能使用使用氘灯光源提供的连续特征波长也可以使用特定的空心阴极灯发出的锐线波长，同时能匹配现有的任何气相分子吸收光谱仪，提高了产品的通用性。

Description

两种光源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，具体涉及一种支持两种光源自动切换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，安杰公司成功研发了使用氘灯代替空心阴极灯的 改进方法。氘灯比空心阴极灯的光能量更强，配以性能良好的滤光片或单色器，完全能获得 更加良好的检测效果，且经过实验，证明氘灯更优于空心阴极灯(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)。

目前，市场上的气相分子吸收光谱仪存在两种可以使用的光源，分别是空心阴极灯光源 和氘灯光源，有些用户在测量不同项目的时候偏向于使用不同的光源，但是市场上目前存在 的仪器都只支持其中一种光源。

随着应用的发展，现在需要能支持多光源的吸收光谱仪。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：ZL 201621292939.0)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”。然而，该装置所针对的锐线光源或连续光源只是涉及空心阴 极灯光源，并不涉及氚灯光源或空心阴极灯结构的氘灯光源，并且其只是通过改变多光源分 光后的输出路径或方式，以实现光源切换，并不能实现同时应用空心阴极灯光源和氘灯光源， 也未从光源的源头进行切换，因此在使用中存在一定不便。

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。然而，该发明所谓的多个光源仍然属于同一的空心阴极灯 光源或氘灯光源，产生的多束光后仍然通过透射镜的不同入射角度进入同一吸收池以实现不 同光路的分光，并不能实现同时应用空心阴极灯光源和氘灯光源，因此在使用中存在一定不 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，这种多光源装置(包括光源选择支架、固定轴以及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)通常只能够支持多个空心阴极灯光源，并不能支持氘灯光源，

因此，目前需要一种能够支持两种光源自动切换的气相分子吸收光谱仪的光路装置，该 装置既能使用使用氘灯光源提供的连续特征波长也可以使用特定的空心阴极灯发出的锐线 波长，同时能匹配现有的任何气相分子吸收光谱仪，提高了产品的通用性。同时，也需要包 含该光路装置的气相分子吸收光谱仪。

发明内容

本发明第一个发明目的是提供一种支持两种光源自动切换的气相分子吸收光谱仪的 光路装置，该装置包括：在空心阴极灯产生的光线行进方向依次设置的空心阴极灯灯架座 (101)、空心阴极灯(102)/(103)/(104)、半透半反装置(2)、第一透镜(4)、第二透镜(5)、单 色器(6)，和在半透半反装置(2)的侧方设置的氘灯光源(3)，其中

所述半透半反装置(2)同时位于氘灯光源(3)产生的光线行进方向，并可以根据需要选 择透光模式或反光模式，从而使得空心阴极灯或氘灯发射的光线分别透过半透半反装置(2)或 折射后而通向第一透镜(4)、第二透镜(5)、单色器(6)，最终进入下游的光检测装置；

所述空心阴极灯(102)/(103)/(104)和氘灯光源(3)的通电开关受到计算机程序的控 制，从而根据用户的选择实现是否产生连续光源波长或锐线光源波长。

在一个实施方案中，其中所述多个空心阴极灯(102)/(103)/(104)为对称设置的固定 位置或可旋转位置，而所述半透半反装置(2)是设置为与所述空心阴极灯相匹配的可旋转的圆 盘形式，上方沿中轴线在边缘对称设置4、6、8、12直至20个孔，其中每个孔依次间隔设有 反射镜片、中空结构，其中所述中空结构可使得空心阴极灯发射的光路穿过到达透镜，而所 述反射镜片能将氘灯光线能够通过反射镜片到达透镜。在一个优选实施方案中，其中所述圆 盘上设有4或6或8或12个孔。

在一个实施方案中，当使用空心阴极灯作为光源时半透半反装置(2)自动切换到透光 状态，让空心阴极灯的光透过该装置，到达第一透镜(4)；当使用氘灯作为光源时半透半反装 置自动切换到反光状态，让氘灯的光通过折射到达第一透镜(4)。

在一个实施方案中，所述光路装置选择使用无机械结构的滤光片代替机械结构的单色 器(6)和透镜组，简化了检测装置的结构，提高了检测装置的精度和抗机械振动能力。

在上述任一实施方案中，所述圆盘转轴与电机相连，通过电机带动圆盘即可实现光源 切换。在一个具体实施方案中，所述电机是受到计算机或芯片或软件的控制，通过旋转圆盘 使得中空的孔或设有反射镜片的孔根据光源的不同而自动对准光路行进方向，从而实现气相 分子吸收光谱仪的两种光源的自动化切换。

在上述任一实施方案中，所述第一透镜(4)和第二透镜(5)可以将相同或不同位置的光 源所发射的非平行光整合为平行光，以进入后续光路，其规格尺寸不同，可根据需要进行选 择。

本发明第二个目的提供一种支持两种光源自动切换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：在空心阴极灯产生的光线行进方向依次设置的空心阴极灯灯架座(101)、空心阴极灯(102)/(103)/(104)、半透半反装置(2)、第一透镜(4)、第二透镜(5)、单 色器(6)，和在半透半反装置(2)的侧方设置氘灯光源(3)，其中

所述半透半反装置(2)同时位于氘灯光源(3)产生的光线行进方向，并可以根据需要选 择透光模式或反光模式，从而使得空心阴极灯或氘灯发射的光线分别透过半透半反装置(2)或 折射后而通向第一透镜(4)、第二透镜(5)、单色器(6)，最终进入下游的光检测装置；

所述空心阴极灯(102)/(103)/(104)和氘灯光源(3)的通电开关受到计算机程序的控 制，从而根据用户的选择实现是否产生连续光源波长或锐线光源波长。

在一个实施方案中，所述半透半反装置是设置为可旋转的圆盘形式，上方沿中轴线在 边缘对称设置4、6、8、12直至20个孔，其中每个孔依次间隔设有反射镜片、中空结构，所 述反射镜片能将氘灯光线能够通过反射镜片到达透镜。在一个优选实施方案中，其中所述圆 盘上设有4或6或8或12个孔。

在一个实施方案中，当使用空心阴极灯作为光源时半透半反装置自动切换到透光状态， 让空心阴极灯的光透过该装置，到达第一透镜(4)；当使用氘灯作为光源时半透半反装置自动 切换到反光状态，让氘灯的光通过折射到达第一透镜(4)。

在一个实施方案中，所述光路装置选择使用无机械结构的滤光片代替机械结构的单色 器(6)和透镜组，简化了检测装置的结构，提高了检测装置的精度和抗机械振动能力。

在上述任一实施方案中，所述圆盘转轴与电机相连，通过电机带动圆盘即可实现光源 切换。在一个具体实施方案中，所述电机是受到计算机或芯片或软件的控制，通过旋转圆盘 使得中空的孔或设有反射镜片的孔根据光源的不同而自动对准光路行进方向，从而实现气相 分子吸收光谱仪的两种光源的自动化切换。

在上述任一实施方案中，所述第一透镜(4)和第二透镜(5)的规格尺寸不同，可根据需 要进行选择。

在上述任一实施方案中，所述吸收光谱仪的其他装置包括吸收池、检测器。

在上述另一实施方案中，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：本发明支持用户选择两种空心阴极灯和氘灯光源中的其中一 种，软件会根据用户的设置把选择使用的光源打开，没有选择的光源关闭，打开的光源发出 的光透过半透半反装置的透光或反光模式而到达透镜，然后经过透镜的聚焦到达单色器，单 色器根据用户的设置把波长调节到指定位置即可。

技术效果

1、波长使用范围更广：可以使用氘灯光源提供的连续特征波长也可以使用特定的空心阴极 灯发出的锐线波长。

2、结构安全可靠：两种光源的固定方式比较可靠，不会互相影响。

3、使用方便：可以根据选择自动的切换使用的光源类型。

4、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：ZL 201621292939.0)进行改造，这样能节省大量费用，避免重新采购新仪器带来的成本。

6、通过本光路装置制备的气相分子光谱仪，能够对气相分子光谱仪及其光路进行校正而保 证检测数据的准确性，增加检测装置的精度与抗干扰能力，结构简单、便于携带，适应 户外检测环境。

附图说明

图1为本发明的光路装置的结构示意侧视图。

图2为本发明的光路装置的结构示意俯视图。

图3为本发明的光路装置的结构示意立体图。

其中，附图标记如下：空心阴极灯灯架座(101)，空心阴极灯(102)/(103)/(104)，半 透半反装置(2)，氘灯光源(3)，第一透镜(4)，第二透镜(5)，单色器(6)。

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，通过计算机选择打开空心阴极灯，其中所述空心阴极灯 (102)/(103)/(104)为对称设置的固定位置或可旋转位置，而所述半透半反装置是设置为与所 述空心阴极灯相匹配的可旋转的圆盘形式，上方沿中轴线在边缘对称设置4、6、8、12直至20个孔，其中每个孔依次间隔设有反射镜片、中空结构，其中所述中空结构可使得空心阴极灯发射的光路穿过到达透镜，而所述反射镜片能将氘灯光线能够通过反射镜片到达透镜，优选 所述圆盘上设有4或6或8或12个孔。

当电机驱动半透半反装置(2)的圆盘转轴，将圆盘边缘的空心小孔对准空心阴极灯的 光路行进方向。空心阴极灯受到激发后，产生相应的光线穿过半透半反装置(2)的圆盘上的空 心孔，继续行进并穿过第一透镜(4)和第二透镜(5)，然后进入单色器(6)中。

如图2所示，通过计算机选择打开氚灯，此时仪器自动关闭空心阴极灯，同时，电机驱动半透半反装置(2)的圆盘转轴，将圆盘边缘上含有反射镜片的小孔对准氚灯的光路行进方 向。氚灯受到激发后，产生相应的光线穿过半透半反装置(2)的圆盘上的小孔，光线折射后趋 向于空心阴极灯光线的相同行进方向，并继续行进并穿过第一透镜(4)和第二透镜(5)，然后 进入单色器(6)中。

图1或图2中被单色器(6)纯化后的单一光线，再进入吸收池，并由检测器分析每个吸收池的光谱线，从而完成检测。

如图3所示，所述光路装置可以整合在一个支撑平板上，然后分别与控制装置、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 (4)

1.一种支持两种光源自动切换的气相分子吸收光谱仪的光路装置，该装置包括：在空心阴极灯产生的光线行进方向依次设置的空心阴极灯灯架座(101)、半透半反装置(2)、第一透镜(4)、第二透镜(5)、单色器(6)，和在半透半反装置(2)的侧方垂直方向设置的氘灯光源(3)，其中,

所述空心阴极灯灯架座(101)为可旋转式结构，并对称设有多个空心阴极灯(102)/(103)/(104)；

所述半透半反装置(2)同时位于氘灯光源(3)产生的光线行进方向，被设置为与所述空心阴极灯灯架座(101)相匹配的可旋转的圆盘结构，上方沿中轴线在边缘对称设置4、6、8、12直至20个孔，其这些孔依次被间隔设为反射镜片的孔、中空结构的孔，其中所述中空结构的孔使得空心阴极灯发射的光路直接穿过该孔后，到达透镜而达到透光模式，而所述反射镜片的孔能将氘灯光线通过反射镜片到达透镜而达到反光模式；空心阴极灯发射的光线通过透射或氘灯发射的光线通过反射，分别单独非同时地通向第一透镜(4)、第二透镜(5)、单色器(6)，最终进入下游的光检测装置；

所述多个空心阴极灯(102)/(103)/(104)和氘灯光源(3)的通电开关受到计算机程序的控制，从而根据用户的选择实现自动开启空心阴极灯、关闭氘灯，或自动关闭空心阴极灯、打开氘灯，以单独非同时地产生单一的连续光源波长或锐线光源波长；

以及，所述半透半反装置的圆盘转轴与电机相连，并受到计算机程序的控制，当自动开启空心阴极灯、关闭氘灯时，通过旋转圆盘使得中空的孔自动对准光路行进方向；当自动关闭空心阴极灯、打开氘灯时，通过旋转圆盘使得反射镜片的孔自动对准光路行进方向，从而实现气相分子吸收光谱仪的两种光源的自动化切换。

2.权利要求1的光路装置，其中所述半透半反装置(2)的圆盘上设有4或6或8或12个孔。

3.权利要求1或2的光路装置，其中选择使用无机械结构的滤光片代替机械结构的单色器(6)和透镜组，所述第一透镜(4)和第二透镜(5)将相同或不同位置的光源所发射的非平行光整合为平行光，以进入后续光路，其规格尺寸不同，可根据需要进行选择。

4.权利要求3的光路装置，其中所述电机是受到计算机或芯片或软件的控制，通过旋转圆盘使得中空的孔或设有反射镜片的孔根据光源的不同而自动对准光路行进方向，从而实现气相分子吸收光谱仪的两种光源的自动化切换。

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