CN113008838B - 光学腔、加热腔、测量装置及液体介质透射光谱测量系统 - Google Patents

Abstract

一种光学腔、加热腔、测量装置及液体介质透射光谱测量系统，包括两大部分构成：可调光程光学腔部分和加热腔部分。实验时，两层光学玻璃和聚四氟乙烯层构成了一个封闭的光学腔，利用螺旋内套、螺旋外套以及辅助固定件将其固定以防止漏液，前侧光学玻璃边缘端有1mm圆形孔用以滴加待测液。本发明优势在于提出了一种光程可调的光学腔结构，并设计了配套的高温加热腔结构，对于测量同一种待测液不同光程光学特性时，保证了窗口材料的不变与测试位置的一致性，剔除了封装窗口材料变化以及测试位置不同对液体介质光学常数反演计算带来的误差，同时，创造了一个稳定热环境，实现了高温条件下液体光学特性的测试，减少了温度波动对测试的影响。

Description

光学腔、加热腔、测量装置及液体介质透射光谱测量系统

技术领域

本发明涉及一种光学装置及其测量系统，尤其是涉及一种可调式光学腔、加热腔、光学测量装置及液体介质透射光谱测量系统。

背景技术

液态介质的光谱性质是光谱学、物理光学和辐射传热等学科研究基础特性，其中包括吸收系数、反射率和发射率等。这些参数可由介质的光学常数（亦称复折射率，包括吸收指数和折射指数）计算获得。目前，实验测量是获得液体光学常数最直接、最可靠的方法，例如透射法、椭偏法、反射干涉法、反射和透射结合法等。其中，透射法依据测量对象的厚度特性可分为单厚度和双厚度法。例如，双厚度法是通过测得同一液体介质不同厚度下的透射比光谱，联立两个透射比方程来反演液体介质光学常数。一般测量液体介质光学特性时需要使用光学腔盛装，常用的如石英玻璃、红外窗口等，液体介质封装在光学腔内，形成一个样品封装窗口-液体介质-样品封装窗口的三层结构。构建反演计算模型时需要首先获得封装窗口的光学常数，这样才能精确获得待测样本的辐射特性和物性参数值。故窗口材料光学常数的准确与否将直接影响液体介质辐射特性的测量精度。而现有测量方法，多采用若干组具有不同光程的比色皿结构，每次测量时，更换不同光程的比色皿以获得不同厚度的透射比光谱；此外，中国专利CN105891117A公开了阶梯式比色皿的升降级数来调整光程，可同时满足多光程测量需要，其使用方便；中国专利CN102879333A发明提供了两光程比色皿结构，可在同一比色皿中完成10mm和2mm光程的数据分析，简化了测量步骤，缩短了实验时间。但这些测量方法在获得不同厚度的透射比过程中，都不约而同地变换了比色皿窗口材料和测试点。实验发现，不同窗口材料的光学常数往往是不同的，甚至同一窗口材料，不同测试位置，其光学常数仍有较大的差异。为了剔除窗口材料的差异给反演计算带来的误差，需要一种光学窗口材料固定，但光程可调的光学腔结构，使每次测量时，保证光学窗口材料不变，且测量点亦不变，进而提高待测液体介质的光学常数计算精度。此外在高温测试环境，已有实验数据表明，温度对液体光学常数有重要的影响，且温度波动会造成液体介质透射率的波动，故高温测量过程中，保证环境温度的稳定性也尤为重要。

发明内容

本发明为剔除封装窗口材料对液体介质光学常数反演计算带来的误差，发明了一种光程可调的组装式光学腔，为了配合高温条件下光学腔的使用，同时提供一种用于高温条件下的透射光谱测量的加热腔，以固定光学腔，保证测量过程中封装窗口材料和测量点都不变的同时，确保测量过程中具有一个稳定的高温环境。

本发明的目的在于，提供一种光程可调式的光学腔结构，保证前后光学窗口材料和测量点不变的前提条件下，可以用于获得不同厚度下的透射比光谱，以及提供一种用于高温条件下光谱测试的加热腔结构，可用于固定光学腔，且为测量过程提供一个稳定的高温环境，此外，本发明目的还提供一种加热式光学测量装置以及液体介质透射光谱测量系统。

本发明采用的技术方案如下：

光学腔，该光学腔的光程可调，包括滴液腔体511、螺旋内套定套512、螺旋外套513、辅助固定辅件514，其特征为：石英玻璃层5111-聚四氟乙烯层5113-石英玻璃层5112构成了一个封闭的滴液腔体511，通过变换中间聚四氟乙烯层5113的长度，形成了一系列光程可调的滴液腔体；而前侧石英玻璃5111的边缘端有一个1mm的圆形开口，可用于滴加待测液使用。滴液腔体511放进螺旋内套512中，其中石英玻璃层5111侧被放置在最内部，而在后侧石英玻璃层5112侧放置辅助固定件514，辅助固定件亦是一个聚四氟乙烯圆环，其作用是用于配合压紧三层结构组成的滴液腔体511，最后利用螺旋内外套512，513，旋转压紧内部组合结构，构成了一个完整且密闭的可调光的光学腔结构51。本发明组合操作方便、简单，可实现测试光程的任意调整；此外，组合式结构方便拆装与清洗，大大缩短了实验后处理时间，相比传统的测试比色皿，具有明显的操作优势。

优选为：所述滴液腔体511包括两层石英玻璃层5111、5112、聚四氟乙烯层5113，其结构为：第一石英玻璃层-聚四氟乙烯层-第二石英玻璃层构成了一个封闭的滴液腔体结构。

优选为：所述第一石英玻璃层前侧玻璃边缘端设计有滴液孔，可以通过滴液孔向腔体滴加待测液体。

加热腔，包括加热腔体52、加热腔上盖53、热电偶54；所述热电偶54固定并穿过热腔上盖53延伸到加热腔体52中；其特征为：所述加热腔体52由内向外依次设置：加热层522、保温层523和外壳524；所述加热腔体52侧面设置一个贯穿的通光孔521；所述加热腔体52内部设置一个半圆支撑台525，所述通光孔与半圆支撑台同轴；所述支撑台525用于支撑上述光学腔。

优选为：所述加热层通过外接电源方式加热。

本发明还公开一种加热式光学测量装置5，其特征为：该装置包括光学腔51、加热腔52、温控仪55、上盖53、热电偶54；所述光学腔设置在加热腔中，所述温控仪55与加热腔53连接，通过温控仪55控制腔体内温度。还包括加热腔53外壳前后有通光孔，可与光纤2配合；加热腔53内部设置有半圆支撑台525，用于固定光学腔52；光学腔51与通光孔两者同轴，该设置使光学腔51确保测量位置不变，大大提高了光学测试精度。

本发明还公开一种液体介质透射光谱测量系统。

有益效果：

1.光程可调式的光学腔结构，保证前后光学窗口材料和测量点不变的前提条件下，可以用于获得不同厚度下的透射比光谱；

2.提供一种用于高温条件下光谱测试的加热腔结构，可用于固定光学腔，且为测量过程提供一个稳定的高温环境；

3.对于测量同一种待测液不同光程光学特性时，保证了窗口材料的不变与测试位置的一致性，剔除了封装窗口材料变化以及测试位置不同对液体介质光学常数反演计算带来的误差，实现了高温条件下液体光学特性的测试，减少了温度波动对测试的影响。

附图说明

图1为透射光学测试系统结构示意图。

图2为可调光学腔结构组装示意图。

图3为高温加热腔结构组装示意图。

图4为反射光学测试系统结构示意图。

附图标记说明

1-氘卤钨灯光源，2-光纤，3-准直透镜，4-平行光束，5-加热式光学测量装置，6-NIRQuest，7-QEpro、8-电脑，51-可调光的光学腔结构，52-加热腔体，53-加热腔上盖，54-热电偶，55-温控仪，511-滴液腔体，512-螺旋内套定套，513-螺旋外套，514-辅助固定辅件，521-通光孔，522-加热层，523-保温层，524-外壳，525-支撑台，5111-前侧石英玻璃，5112-后侧石英玻璃，5113-聚四氟乙烯层。

具体实施方式

本发明提供一种光程可调式的光学腔结构，保证前后光学窗口材料和测量点不变的前提条件下，可以用于获得不同厚度下的透射比光谱。以及配套提供一种用于高温条件下光谱测试的加热腔结构，可用于固定光学腔，且为测量过程提供一个稳定的高温环境。下面结合附图和具体的实施方式对本发明做进一步详细说明。

实施例一

参阅附图1-3所示，本具体实施方式采用的技术方案是：

参阅附图1所示，液体光学特性测试系统包括有氘卤钨灯光源1，光纤2，准直透镜3，加热式光学测量结构5，红外光谱仪 (NIRQuest) 6，紫外-可见光光谱仪(QEpro) 7、电脑8。由光源打出的光通过光纤2进入准直透镜3后变为平行光束，加热式光学测量结构5中可调光程的光学腔结构51对光束产生一个消光作用，衰减后的光通过接收侧的准直透镜耦合进入分叉光纤，并通过两个不同波段的光谱仪对数据进行分析处理，最终获得待测液提及其光学窗口的总的消光光谱。

本发明提供的加热式光学测量装置由两部分组成，可调光程的光学腔部分和加热腔部分。请参阅附图2所示，所述可调光程的光学腔部分由前后两层石英玻璃层5111、5112、聚四氟乙烯层5113、螺旋内套512、螺旋外套513以及辅助固定件514组成。石英玻璃-聚四氟乙烯层-石英玻璃构成了一个封闭的光学腔结构511，前侧石英玻璃5111的边缘侧设计有1mm的滴液孔，可以通过滴液孔向腔体滴加待测液体；将组合好的封闭光学腔511放进螺旋内套512中，配合辅助固定件514和螺旋外套513构成了一个完整且密闭的光学测量腔，实验过程中可以更换不同厚度的聚四氟乙烯层，以实现不同厚度透射比的测量。所述高温加热腔则包含加热腔体52、加热腔上盖53、热电偶54、温控仪55四部分。其中加热腔有三层结构，加热层522、保温层523和外壳524。加热腔外部上有一个贯穿的通光孔521，内部有一个用于支撑光学腔的半圆支撑台525，通光孔521与半圆支撑台525同轴，确保不同工况时测试位置的一致性。高温加热腔采用电加热的方式（例如，测量范围常温至400℃，波动±1℃），并利用上盖设置的热电偶54监测内部温度，通过温控仪55可以精确调节内部环境温度。实验时，将光学腔按要求组合好，滴加待测液体，而后放置于加热腔内部的支撑台525上，连接好光学测试设备与电脑，设定好加热温度，即可对待测液体的光学特性测试。测量后，需待内部温度降至室温再打开上端封盖，重复上述步骤，调整光学腔厚度或环境温度以测试下一工况。

采用上述技术方案后，本发明有益效果为：在利用实验测量高温液体介质光学特性时，利用本发明提供的一种用于高温条件下的液体介质透射光谱测量的光学结构，剔除了封装窗口材料不同或者测试位置变动对液体介质光学常数计算带来的误差，保证反演计算的准确性。此外创造了一个稳定的加热空间，避免了在测量过程中，温度波动对光谱特性带来的影响，进而提高待测液体介质在高温条件下的辐射特性的计算精度。

实施例二

本实施例提供一种高温反射光谱测试方法，其中测试光纤2种类与连接方式与实施例一不同，其余系统组成结构和连接方式与实施例一相同。

请参阅图4所示，本实施例中，光纤2为反射光线，既是发射端也是接收端，经过加热式光学测量结构5反射回的光由光线2接受并耦合进入光谱仪分析。通过对所搭建透射系统简单改良，可以用于高温条件下反射光谱测试。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各 种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (2)

1.一种加热式光学测量装置，该光学测量装置包括加热腔，所述加热腔结构为：包括加热腔体、加热腔上盖、热电偶；所述热电偶固定并穿过加热腔上盖延伸到加热腔体中；其特征为：所述加热腔体由内向外依次设置：加热层、保温层和外壳；所述加热腔体侧面设置一个贯穿的通光孔；所述加热腔体内部设置一个半圆支撑台，所述通光孔与半圆支撑台同轴；所述半圆支撑台用于支撑光学腔；所述加热层通过外接电源方式加热；所述光学腔结构为：光程可调，并且包括滴液腔体、螺旋内套定套、螺旋外套、辅助固定辅件，滴液腔体放进螺旋内套定套中，配合辅助固定件和螺旋外套构成了一个完整且密闭的光学测量腔；所述滴液腔体包括两层石英玻璃层、聚四氟乙烯层，更换不同厚度聚四氟乙烯层调整待测液的测试光程，其结构为：第一石英玻璃层-聚四氟乙烯层-第二石英玻璃层构成了一个封闭的滴液腔体结构；所述第一石英玻璃层前侧玻璃边缘端设计有滴液孔，通过滴液孔向腔体滴加待测液体；所述光学腔设置在加热腔中，温控仪与加热腔连接，通过温控仪控制加热腔体中的温度。

2.一种液体介质透射光谱测量系统，包括权利要求1所述的加热式光学测量装置，其特征为：还包括氘卤钨灯光源、光纤、准直透镜、红外光谱仪(NIRQuest) 、紫外-可见光光谱仪(QEpro) ；由氘卤钨灯光源输出的光通过光纤进入第一准直透镜后变为平行光束，该平行光束进入加热式光学测量装置后，通过该加热式光学测量装置中的可调光程光学腔对光束产生一个消光作用，衰减后的光通过接收侧的第二准直透镜耦合进入分叉光纤，并通过两个不同波段的红外光谱仪(NIRQuest) 、紫外-可见光光谱仪(QEpro) 对数据进行分析处理，最终获得待测液提及其光学窗口的总的消光光谱。

Images