CN113984681A - 全光谱检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及全光谱检测系统及其检测方法，其包括器本体、光束发射单元、光束接收单元、镜面清洁单元，其中器本体具有自侧边向内凹陷的检测区，其中所述检测区包括上下两个检测侧面；光束发射单元包括光源、第一视窗镜片，光束接收单元包括光谱仪、聚光透镜和第二视窗镜片，其中镜面清洁单元能够对第一视窗镜片和/或第二视窗镜片的镜面刷扫清洁。本发明能够随时实施镜面污物清洁，不仅确保光束有效射入检测区，而且配合透镜对检测光束的整理，能够将不同波长和不同强弱的检测光束准确的射入光谱仪；同时不仅能够实施不同波长和不同强弱光束的汇聚和转换，从而获得检测需要的光束信息；而且结构简单，组装后的体积小，以增加使用范围。

Description

全光谱检测系统及其检测方法

技术领域

本发明属于水质检测技术领域，具体涉及一种用于获取检测液体成分的全光谱检测系统，同时还涉及一种全光谱检测方法。

背景技术

随着经济的发展，在越来越看重环境保护的今天，水质检测对于一些行业来讲是必不可少的，例如：在水质监测领域，光谱分析法基于其监测精度高、检测快速、消耗试剂量小等优势，成为现代水质监测的重要发展方向。

光谱分析技术原理为：入射光在水中传播，介质对其有吸收作用，在原传播方向上的光强发生衰减，通过对光强衰减程度的检测可以直接或间接的测定水中大多数金属离子、非金属离子和有机污染物的含量，并可以实现对多种水质参数的检测。这样一来，能够同步快速测量水中COD、DOC、TOC、BOD、硝酸盐氮、色度、浊度、TSS、温度、O3、余氯以及 UV254等多个参数，可实现多参数一体化以及水质检测的实时化、快速化、自动化、便携化。分析过程无需任何化学试剂、且仅需要少量维护工作，使用方便。

目前，常规所采用的全光谱检测系统，包括：器本体，其具有自侧边向内凹陷的检测区，其中检测区包括上下两个检测侧面；光束发射单元，其包括光源、第一视窗镜片；光束接收单元，其包括光谱仪、第二视窗镜片。发射光束经过第一视窗镜片至检测区后经过检测水样，光束传输至第二视窗镜片后射入光谱仪，再由光谱仪对光束进行信息获取和分析，从而获得水质的参数指标。

显然，上述的全光谱检测系统具有以下缺陷：

1、一旦第一视窗镜片或/和第二视窗镜片的镜面被污染，这样就会影响光束的有效射入和光束的准确获取，从而分析出准确的检测结果；

2、针对不同波长且光束强弱程度也不同的光谱而言，其分析的难度较高，而且所采用的结构相对复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的用于获取检测液体成分的全光谱检测系统。

同时，本发明还涉及一种全光谱检测方法。

为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：

一种全光谱检测系统，其包括：

器本体，其具有自侧边向内凹陷的检测区，其中所述检测区包括上下两个检测侧面；

光束发射单元，其包括光源、第一视窗镜片；

光束接收单元，其包括光谱仪、第二视窗镜片，

特别是，第一视窗镜片和所述第二视窗镜片与两个检测侧面一一对应设置，全光谱检测系统还包括设置在检测区的镜面清洁单元，其中镜面清洁单元能够对第一视窗镜片和/或第二视窗镜片的镜面刷扫清洁；

光谱仪包括光室、狭缝组件、光谱分析单元，其中光室包括内部具有室腔的室体、室盖，其中室腔的一端部敞开形成安装口、另一端部与外部连通形成光束入口通道，室盖能够将安装口闭合；狭缝组件包括形成在光束入口通道中且内部中空的狭缝底座、与所述狭缝底座对接的入射狭缝；所述光谱分析单元包括位于光束入口通道同一端部的探测器、位于室腔内且处于入射狭缝和室盖之间的聚焦光栅，其中经过入射狭缝的入射光束在聚焦光栅的转换和聚焦下，光束及不同波长色散汇聚至所述探测器，探测器能够获取水质参数指标或者将接收的信息传输至检测中心；

光束接收单元还包括设置在光谱仪和第二视窗镜片之间的聚光透镜，其中光源、第一视窗镜片、第二视窗镜片、聚光透镜、狭缝底座、入射狭缝的中心上下对齐设置。

优选地，第一视窗镜片和第二视窗镜片为玻璃镜片，且分别密封在所对应的检测侧面上。简化结构，降低成本。

优选地，镜面清洁单元包括沿着检测区高度方向延伸的清洁片、用于推动清洁片在两个检测侧面之间运动的推动件，其中清洁片的上下端面能够与镜面配合将镜面的污物刮除。

进一步的，清洁片的上下端面所形成的清洁区域能够将镜面覆盖。

优选的，聚焦光栅包括聚焦光栅镜、光栅定位件，其中光栅定位件包括固定架、用于将固定架与室体相对定位连接的定位销，聚焦光栅镜安装在固定架上。

根据本发明的一个具体实施和优选方面，固定架相对室体沿着聚焦光栅镜径向或/和绕着中心轴方向转动调节设置。这样一来，能够实施不同角度和中心位置的调整，以最佳角度和位置获取光束检测信息。

优选地，定位销至少有两个且沿着室体的径向延伸，且每个定位销部分位于固定架中剩余部分位于室体内。以实现径向的微调。

根据本发明的又一个具体实施和优选方面，固定架包括架本体、调节座、形成在架本体与调节座之间的弹性垫片、以及调节栓，其中调节栓对弹性垫片施加作用力不同，聚焦光栅镜中心线与入射狭缝的中心线相交或平行或重合设置。以实现角度的微调。

优选地，调节座呈十字型，调节栓对应有四个。方便实施调节。

优选地，聚焦光栅镜的聚焦镜面自中部向内凹陷设置。便于光束的转换，以及不同波长色散汇聚。

根据本发明的又一个具体实施和优选方面，入射狭缝所形成的光束通道的截面呈矩形，其中矩形的中心与聚焦光栅镜的聚焦镜面中心对齐。这样一来，便于检测光束相对均匀的入射至聚焦镜面。

优选地，狭缝组件还包括用于将入射狭缝与狭缝底座中心对齐连接的狭缝固定环。

此外，狭缝底座、入射狭缝同心设置。便于光束的集中。

本发明的另一技术方案是：一种全光谱检测方法，方法采用了上述的全光谱检测系统，且包括如下步骤：

S1、将全光谱检测系统置于检测水样中，检测水样填充至检测区；

S2、接着光源发射出光束通过第一视窗镜片，穿透流经过第一视窗镜片和第二视窗镜片之间的检测水样，然后经过凸透镜聚焦，检测光束自狭缝底座的中空孔进入光谱仪；

S3、自入射狭缝的光束通道射入室体内，光束及不同波长色散在聚焦光栅镜的聚焦镜面转换和聚焦下被探测器接收，再由探测器获取水质参数指标或者将接收的信息传输至检测中心。

由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明能够随时实施第一视窗镜片或/和第二视窗镜片的镜面污物清洁，不仅确保光束有效射入检测区，而且配合透镜对检测光束的整理，能够将不同波长和不同强弱的检测光束准确的射入光谱仪，从而全面且准确获得水中大多数金属离子、非金属离子和有机污染物的含量数据，以完成对水质多种参数指标的检测；同时，由微型光谱仪的设置，一方面能够实施不同波长且不同强弱光束的汇聚和转换，从而获得检测需要的光束信息；另一方面结构简单，组装后的体积小，以增加使用范围。

附图说明

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明的全光谱检测系统的结构示意图；

图2为图1的微型光谱仪的结构示意图；

图3为图2的结构分解示意图；

图4为本发明的微型光谱仪的半剖示意图；

图5为本发明的微型光谱仪的另一视角的半剖示意图；

其中：A、器本体；q、检测区；q1、上检测侧面；q2、下检测侧面；

B、光束发射单元；B1、光源；B2、第一视窗镜片；

C、光束接收单元；C1、光谱仪；1、光室；10、室体；11、室盖；1a、室腔；a1、安装口；a2、光束入口通道；2、狭缝组件；20、狭缝底座；21、入射狭缝；21a、光束通道；22、狭缝固定环；3、光谱分析单元；30、探测器；31、聚焦光栅；310、聚焦光栅镜；311、光栅定位件；b1、固定架；b10、架本体；b11、调节座；b12、弹性垫片；b13、调节栓；b2、定位销；C2、聚光透镜；C3、第二视窗镜片；

Q、镜面清洁单元；Q1、清洁片；Q2、推动件。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1所示，本实施例的用于获取检测液体成分的全光谱检测系统，其包括器本体A、光束发射单元B、光束接收单元C。

具体的，器本体A具有自侧边向内凹陷的检测区q，其中检测区q包括上下设置的上检测侧面q1和下检测侧面q2。

光束发射单元B位于上检测侧面q1的上方，且包括光源B1、第一视窗镜片B2，其中第一视窗镜片B2为常用的光学镜片。

光束接收单元C位于下检测侧面q2的下方，且包括光谱仪C1、聚光透镜C2、第二视窗镜片C3，其中第二视窗镜片C3为常用的光学镜片, 聚光透镜C2为凸透镜且光谱仪C1和第二视窗镜片C3之间。在此通过凸透镜聚焦，便于光束射入光谱仪，更有利于光谱分析，从而获得水中大多数金属离子、非金属离子和有机污染物的含量数据，以完成对水质多种参数指标的检测。

全光谱检测系统还包括设置在检测区q的镜面清洁单元Q，其中镜面清洁单元Q能够同步对第一视窗镜片B2和第二视窗镜片C3的两个镜面刷扫清洁。

镜面清洁单元Q包括沿着检测区q高度方向延伸的清洁片Q1、用于推动清洁片Q1在上检测侧面q1和下检测侧面q2之间运动的推动件Q2，其中清洁片Q1的上下端面能够与镜面配合将镜面的污物刮除。

具体的，清洁片Q1的上下端面所形成的清洁区域能够将镜面覆盖。

本例中，清洁片Q1的上下端部为可拆卸的硅胶条。

结合图2和图3所示，光谱仪C1包括光室1、狭缝组件2、光谱分析单元3。

具体的，光室1包括内部具有室腔1a的室体10、室盖11，其中室腔1a的一端部敞开形成安装口a1、另一端部与外部连通形成光束入口通道a2，室盖11能够将安装口a1闭合。

狭缝组件2包括形成在光束入口通道a2中且内部中空的狭缝底座20、与狭缝底座20对接的入射狭缝21、及狭缝固定环22，其中狭缝固定环22将入射狭缝21与狭缝底座20中心对齐连接，狭缝底座20、入射狭缝21、狭缝固定环22三者同心设置。

光谱分析单元3包括位于光束入口通道a2同一端部的探测器30、位于室腔1a内且处于入射狭缝21和室盖11之间的聚焦光栅31，其中经过入射狭缝21的入射光束在聚焦光栅31的转换和聚焦下，光束及不同波长色散汇聚至探测器30，探测器30能够获取水质参数指标。

结合图4和图5所示，聚焦光栅31包括聚焦光栅镜310、光栅定位件311，其中光栅定位件311包括固定架b1、用于将固定架b1与室体10相对定位连接的定位销b2，聚焦光栅镜310安装在固定架b1上。

入射狭缝21所形成的光束通道21a的截面呈矩形，其中矩形的中心与聚焦光栅镜310的聚焦镜面中心对齐。这样一来，便于检测光束相对均匀的入射至聚焦镜面。

聚焦光栅镜310的聚焦镜面自中部向内凹陷设置。便于光束的转换，以及不同波长色散汇聚。

固定架b1相对室体10沿着聚焦光栅镜310径向或/和绕着中心轴方向转动调节设置。这样一来，能够实施不同角度和中心位置的调整，以最佳角度和位置获取光束检测信息。

定位销b2有两个且沿着室体10的径向延伸，且每个定位销b2部分位于固定架中剩余部分位于室体内。以实现径向的微调。

具体的，固定架b1包括架本体b10、调节座b11、形成在架本体b10与调节座b11之间的弹性垫片b12、以及调节栓b13，其中调节栓b13对弹性垫片b12施加作用力不同，聚焦光栅镜310中心线与入射狭缝21的中心线相交或平行或重合设置。以实现角度的微调。

本例中，调节座b11呈十字型，调节栓对应有四个。方便实施调节。

综上，本实施例的实施过程如下：

将全光谱检测系统置于检测水样中，检测水样填充至检测区q，接着光源发射出紫外-可见光通过第一视窗镜片B2，穿透流经过第一视窗镜片B2和第二视窗镜片C3之间的检测水样，然后经过凸透镜聚焦，检测光束自狭缝底座20的中空孔进入，并自入射狭缝21矩形的光束通道21a射入室体10内，光束及不同波长色散在聚焦光栅镜310的聚焦镜面转换和聚焦下被探测器30接收，再由探测器30获取水质参数指标（或者将接收的信息传输至检测中心），因此，可以直接或间接的测定水中大多数金属离子、非金属离子和有机污染物的含量，以完成对水质多种参数指标的检测。

因此，本实施例具有以下优势：

1、能够随时实施第一视窗镜片或/和第二视窗镜片的镜面污物清洁，不仅确保光束有效射入检测区，而且能够将不同波长和不同强弱的检测光束准确的射入光谱仪，从而全面且准确获得水中大多数金属离子、非金属离子和有机污染物的含量数据，以完成对水质多种参数指标的检测；

2、由微型光谱仪的设置，一方面能够实施不同波长且不同强弱光束的汇聚和转换，从而获得检测需要的光束信息；另一方面结构简单，组装后的体积小，以增加使用范围；

3、能够实施聚焦光栅镜的不同角度和中心位置的调整，以最佳角度和位置获取光束检测信息；

4、结构简单，组装后的体积小，以增加使用范围。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种全光谱检测系统，其包括：

器本体，其具有自侧边向内凹陷的检测区，其中所述检测区包括上下两个检测侧面；

光束发射单元，其包括光源、第一视窗镜片；

光束接收单元，其包括光谱仪、第二视窗镜片，

其特征在于：所述第一视窗镜片和所述第二视窗镜片与两个所述检测侧面一一对应设置，所述全光谱检测系统还包括设置在所述检测区的镜面清洁单元，其中所述的镜面清洁单元能够对所述第一视窗镜片和/或所述第二视窗镜片的镜面刷扫清洁；

所述光谱仪包括光室、狭缝组件、光谱分析单元，其中所述光室包括内部具有室腔的室体、室盖，其中所述室腔的一端部敞开形成安装口、另一端部与外部连通形成光束入口通道，所述室盖能够将所述安装口闭合；所述狭缝组件包括形成在所述光束入口通道中且内部中空的狭缝底座、与所述狭缝底座对接的入射狭缝；所述光谱分析单元包括位于所述光束入口通道同一端部的探测器、位于所述室腔内且处于所述入射狭缝和所述室盖之间的聚焦光栅，其中经过所述入射狭缝的入射光束在所述聚焦光栅的转换和聚焦下，光束及不同波长色散汇聚至所述探测器，所述探测器能够获取水质参数指标或者将接收的信息传输至检测中心；

所述光束接收单元还包括设置在所述光谱仪和所述第二视窗镜片之间的聚光透镜，其中光源、第一视窗镜片、第二视窗镜片、聚光透镜、狭缝底座、入射狭缝的中心上下对齐设置。

2.根据权利要求1所述的全光谱检测系统，其特征在于：所述的第一视窗镜片和所述第二视窗镜片为玻璃镜片，且分别密封在所对应的检测侧面上。

3.根据权利要求1所述的全光谱检测系统，其特征在于：所述镜面清洁单元包括沿着所述检测区高度方向延伸的清洁片、用于推动所述清洁片在两个所述检测侧面之间运动的推动件，其中所述清洁片的上下端面能够与镜面配合将镜面的污物刮除。

4.根据权利要求2所述的全光谱检测系统，其特征在于：所述清洁片的上下端面所形成的清洁区域能够将镜面覆盖。

5.根据权利要求1所述的全光谱检测系统，其特征在于：所述聚焦光栅包括聚焦光栅镜、光栅定位件，其中所述光栅定位件包括固定架、用于将所述固定架与所述室体相对定位连接的定位销，所述聚焦光栅镜安装在所述固定架上。

6.根据权利要求5所述的全光谱检测系统，其特征在于：所述固定架相对所述室体沿着所述聚焦光栅镜径向或/和绕着中心轴方向转动调节设置。

7.根据权利要求6所述的全光谱检测系统，其特征在于：所述定位销至少有两个且沿着所述室体的径向延伸，且每个所述定位销部分位于所述固定架中剩余部分位于所述室体内。

8.根据权利要求6所述的全光谱检测系统，其特征在于：所述固定架包括架本体、调节座、形成在所述架本体与所述调节座之间的弹性垫片、以及调节栓，其中所述调节栓对所述弹性垫片施加作用力不同，所述聚焦光栅镜中心线与所述入射狭缝的中心线相交或平行或重合设置。

9.根据权利要求1所述的全光谱检测系统，其特征在于：所述聚焦光栅镜的聚焦镜面自中部向内凹陷设置；所述入射狭缝所形成的光束通道的截面呈矩形，其中矩形的中心与所述聚焦光栅镜的聚焦镜面中心对齐；所述狭缝组件还包括用于将所述入射狭缝与所述狭缝底座中心对齐连接的狭缝固定环。

10.一种全光谱检测方法，其特征在于：该方法采用了权利要求1至9中任一项权利要求所述全光谱检测系统，且包括如下步骤：

S1、将全光谱检测系统置于检测水样中，检测水样填充至检测区；

S2、接着光源发射出光束通过第一视窗镜片，穿透流经过第一视窗镜片和第二视窗镜片之间的检测水样，然后经过凸透镜聚焦，检测光束自狭缝底座的中空孔进入光谱仪；

S3、自入射狭缝的光束通道射入室体内，光束及不同波长色散在聚焦光栅镜的聚焦镜面转换和聚焦下被探测器接收，再由探测器获取水质参数指标或者将接收的信息传输至检测中心。

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