CN114235706B - 一种用于衰荡腔的柔性密封调谐装置 - Google Patents

一种用于衰荡腔的柔性密封调谐装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于衰荡腔的柔性密封调谐装置，包括气路密封结构、柔性密封连接器结构、腔镜姿态控制结构、免紧固件状态固化结构、机械基准定位结构。气路密封结构用于对待测样品气体流动进行控制与密封保持；柔性密封连接器结构包括与柔性密封连接组件关联的密封结构；腔镜姿态控制结构包括可拆卸精密调节支架和调节支杆；免紧固件状态固化结构用于实现高反射率腔镜调谐完成之后的低应力封装固化过程；机械基准定位结构采用V形槽机械基准，利用V形槽机械基准实现在光轴方向上的前后移动，进而实现不同纵模匹配的衰荡腔。该装置能够在衰荡腔的调试过程中保证其高精细度、高稳定性、高密封性以及高刚性的高质量装校。

Description

一种用于衰荡腔的柔性密封调谐装置
技术领域
本发明涉及光学谐振腔技术领域，尤其涉及一种用于衰荡腔的柔性密封调谐装置。
背景技术
光腔衰荡光谱(CRDS)是一种具有高灵敏度、高精度的吸收光谱技术，利用激光腔衰荡光谱技术定性、定量测量气体成分与组分含量是一种利用时间信号作为测量参考的相干光谱测量手段，具有不受光强变化的影响、吸收光程长、精度高、快速灵敏等优点，可用于痕量气体检测、气溶胶消光系数测量、火焰燃烧检测等。衰荡腔是腔衰荡光谱技术的设备仪器中核心结构单元，是一种具有高精细度的光学谐振腔，用于增加吸收光程，其腔内模式特性、结构尺寸稳定性等作为关键特性直接影响其性能表现。根据光学谐振腔的原理可知，其精细度直接决定了设备的性能，而其稳定性则影响仪器的使用，因此针对光学谐振腔装调这一问题，往往依靠具有装调经验的专业人员，配合专用的工艺工装与光路系统进行调试，但效能较差的工装方案与经验不足的技术人员给设备调试、性能指标带来各种影响，诸如调试耗时耗力、、一致性差、参数无法固化等问题。
用于光腔衰荡光谱技术中的光学谐振腔，根据设备所采用的纵模匹配原理，一般使用“刚性”谐振腔与“柔性”谐振腔，即谐振腔内是否集成有可动元件(如压电陶瓷-PZT)进行纵模模式扫描，来触发有效衰荡的。若采用柔性谐振腔，即集成有扫描元件，可在精密装校的基础上，利用多轴自由度控制对谐振腔腔镜进行有效调制，配合反馈信号，利用精心设计的算法，实现长时间的有效纵模匹配；而对于刚性谐振腔，在谐振腔调制之时即要求保持长时间的稳定性，在调试过程中其腔镜调试手段、精细度评价方法、状态固化等均对最终产品产生至关重要的影响，由于采用其他纵模匹配的扫描机制，因而这里着重考虑其精细度与长时稳定性两个指标。在众多精密调节的方法与装置中，针对刚性谐振腔的调试、评价、固化，尚无一种方法能够完全有效的覆盖这一工艺过程，如调试工装复杂、过程繁琐、无法在线评估、无直接评估指标、调试完成后状态固化困难或无法保证完整状态固化，这些都严重制约了光学谐振腔性能以及稳定性的提升。
从调试方法与工装角度分析，用于气体衰荡光谱仪中的光学谐振腔从功能上肩负着模式匹配、振荡吸收等的功能，同时也是作为气体吸收池，针对所测气体进行进样、检测、排出、控温、气压控制等操作，因此在腔镜调节过程以及固化结束时都必须保证腔镜之间空间的有效密封，在兼具腔镜有效调节、腔体密封、状态固化等复合功能的要求下，调试方法与工装设计极其困难，现有技术并没有此类高质量的方法与工装方案，这也是制约高质量衰荡腔技术发展的关键因素之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于衰荡腔的柔性密封调谐装置，该装置能够在衰荡腔的调试过程中保证其高精细度、高稳定性、高密封性，以及高刚性的装校，同时结合在线装调机制、胶腔固化(免紧固件)、线膨胀系数匹配等工艺、技术，解决传统调校过程中的不稳定、质量低、效率低、一致性差等问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于衰荡腔的柔性密封调谐装置，所述装置包括气路密封结构、柔性密封连接器结构、腔镜姿态控制结构、免紧固件状态固化结构、机械基准定位结构，其中：
所述气路密封结构包括气体进出接口和气体管道密封连接接口，用于对待测样品气体流动进行控制与密封保持；其中，所述柔性密封调谐装置的气路通过所述气体进出接口对外连接，多个柔性密封调谐装置之间利用所述气体管道密封连接接口的密封圈进行气密连接，实现多个柔性密封调谐装置之间的气路连接；
所述柔性密封连接器结构包括与柔性密封连接组件关联的密封结构，柔性密封连接组件为中空结构，有利于光束与气体的通过；柔性密封连接组件的前端连接所述气体管道密封连接接口，后端连接高反射率腔镜的表面，对高反射率腔镜形成柔性连接，并保持密封，为高反射率腔镜的自由调节提供可靠连接；
所述腔镜姿态控制结构包括可拆卸精密调节支架和调节支杆，所述可拆卸精密调节支架的前端连接柔性封装的高反射率腔镜，后端连接所述调节支杆，利用所述可拆卸精密调节支架和调节支杆调节所述高反射率腔镜的姿态；
所述免紧固件状态固化结构，用于实现所述高反射率腔镜调谐完成之后的低应力封装固化过程，具体是通过主体框架、灌胶腔内挡圈、腔镜支架、灌胶腔外挡圈组成封闭空间，在圆周上形成一个环状灌胶腔体，该环状灌胶腔体通过灌胶端口进行注胶，待注满后，再通过排气端口将气体挤出，最终完成无气泡的灌胶；待胶固化后，将前一调谐工作所得的腔镜状态完全保留下来，且具有极高的刚度；
所述机械基准定位结构采用V形槽机械基准，利用所述V形槽机械基准实现在光轴方向上的前后移动，实现腔长L的控制，进而实现不同纵模匹配的衰荡腔，其中：
在腔长的控制过程中，采用固定滑动套管配合可伸缩密封套管，能够在实现腔长调节的同时保证有效密封；
所述可伸缩密封套管能布置压力传感器、温度传感器对密封通道内的气流参数进行测量反馈。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述装置能够在衰荡腔的调试过程中保证其高精细度、高稳定性、高密封性，以及高刚性的装校，同时结合在线装调机制、胶腔固化(免紧固件)、线膨胀系数匹配等工艺、技术，解决传统调校过程中的不稳定、质量低、效率低、一致性差等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的用于衰荡腔的柔性密封调谐装置的结构示意图；
图2为本发明实施例所述免紧固件的调节状态固化结构示意图；
图3为本发明实施例所述V形槽机械基准的作用机制示意图；
图4为本发明实施例所述衰荡信号反馈调节装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示为本发明实施例提供的用于衰荡腔的柔性密封调谐装置的结构示意图，所述装置包括气路密封结构、柔性密封连接器结构、腔镜姿态控制结构、免紧固件状态固化结构、机械基准定位结构，其中：
所述气路密封结构包括气体进出接口1和气体管道密封连接接口2，用于对待测样品气体流动进行控制与密封保持；其中，所述柔性密封调谐装置的气路通过所述气体进出接口1对外连接，多个柔性密封调谐装置之间利用所述气体管道密封连接接口2的密封圈进行气密连接，实现多个柔性密封调谐装置之间的气路连接；
所述柔性密封连接器结构包括与柔性密封连接组件3关联的密封结构，柔性密封连接组件为中空结构，有利于光束与气体的通过；柔性密封连接组件3的前端连接所述气体管道密封连接接口，后端连接高反射率腔镜4的表面，对高反射率腔镜4形成柔性连接，并保持密封，为高反射率腔镜的自由调节提供可靠连接；本实施例采用柔性密封连接组件克服了利用传统密封圈作为调节与密封载体时面临的局部应力集中问题，同时可以避免对镜片表面膜层的“撕扯”等的切向应力，无论在何种镜片姿态情况下，柔性密封连接组件均可保证高质量的密封效果，避免了密封圈组件在大角度调节时候的局部密封失效；
所述腔镜姿态控制结构包括可拆卸精密调节支架5和调节支杆6，所述可拆卸精密调节支架5的前端连接柔性封装的高反射率腔镜，后端连接所述调节支杆6，利用所述可拆卸精密调节支架5和调节支杆6调节所述高反射率腔镜4的姿态；具体实现中是利用衰荡信号作为反馈调节标准，避免利用其它反馈标准进行调节时的误差，如采用应变片反馈时的应变性能随温度、疲劳等问题所带来的误差，实现精确、稳定的装调；
在本实施例中，调节支杆为一圆柱形凸起，可直接连接至一般的光学镜片调整架中，利用成熟的光学镜片调整架进行腔镜调谐的姿态控制，调节完成并待状态固化后，即可直接拆下；更进一步的，由于可拆卸精密调节支架是可拆卸的，则柔性密封调谐装置调谐完成后，可仅保留谐振腔腔镜以内的结构件，进一步减小体积；
所述免紧固件状态固化结构，用于实现所述高反射率腔镜调谐完成之后的低应力封装固化过程，有别于传统的紧固件固化，如螺钉固化，势必带来较大的应力，影响前一步的调谐成果，如图2所示为本发明实施例所述免紧固件的调节状态固化结构示意图，具体是通过主体框架7、灌胶腔内挡圈、腔镜支架8、灌胶腔外挡圈组成封闭空间，在圆周上形成一个环状灌胶腔体10，如图2所示，该环状灌胶腔体10通过灌胶端口9进行注胶，待注满后，通过排气端口11将气体挤出，最终完成无气泡的灌胶；待胶固化后，将前一调谐工作所得的腔镜状态完全保留下来，且具有极高的刚度；
所述机械基准定位结构采用V形槽机械基准，如图3所示为本发明实施例所述V形槽机械基准的作用机制示意图，如图3的左、中两幅图所示，即可确定初始的镜片法向，方便进行调谐工作，同时利用所述V形槽机械基准实现在光轴方向上的前后移动，如图3中的标记16，实现腔长L的控制，进而实现不同纵模匹配的衰荡腔，其中：
如图3的右图所示，在腔长的控制过程中，采用固定滑动套管配合可伸缩密封套管12，能够在实现腔长调节的同时保证有效密封，所述可伸缩密封套管12还可布置压力传感器、温度传感器对密封通道15内的气流参数进行测量反馈，图3中还包括一般密封圈17；同时因带有腔镜姿态控制的功能，即可在失谐后快速回复谐振。
具体实现中，如图2所示，所述灌胶端口与排气端口的布局可优化，以能灌满胶水为准，胶水采用低应力、长时间固化的胶水。例如环氧树脂等，如此便可控制胶水固化的收缩应力，当然胶水固化势必产生收缩应力，导致谐振腔性能的损失，在本方案的固化过程中，可实时调节腔镜姿态，补偿因收缩所导致的微小失谐。
另外，在所述免紧固件状态固化结构中，为获得更强刚性更好的灌胶封装，在所述环状灌胶腔体包络内的主体框架内表面与腔镜支架外表面加工内外螺纹或者粗糙纹理结构，以增加所述环状灌胶腔体固化后与内外两个零件之间的结合力。
所述灌胶腔内挡圈和灌胶腔外挡圈采用密封圈、胶带、弹性硅胶、泡沫硅胶的结构，以较低的刚性为上，同时保证粘稠的胶水不会溢出，并不需要保证气密，在本实例中，所述灌胶腔内挡圈为一邵氏硬度极低的大直径密封圈，所述灌胶腔外挡圈为较薄的硅胶胶带。具体实现中，在衰荡腔两片或多片腔镜的灌胶过程中，需配合在线衰荡信号反馈的调节机制进行状态固化，因而其灌胶工艺应具有较好的逻辑性、流程性，提高灌胶的成功率与效率，以多镜片间的逻辑关系、信号判断为保证灌胶工艺的实施提供指导，作为调谐、密封后的最后工作，灌胶固化(或其他可能采用的固化手段)至关重要，直接影响到最后产品的性能。
上述利用灌胶机制进行状态固化，能够避免出现螺纹紧固时的应力而导致调试结果的二次破坏，保证谐振腔调制的刚性和稳定性。
具体实现中，通过材料线膨胀匹配实现有关腔长的结构件均保证极低的热应变，包括主体框架与腔镜支架、V形槽机械基准13与机械基准底板14等，凡是与腔长相关的结构件均采用殷钢或微晶玻璃等材料生产，在保证较大的刚度情况下，具有良好的热稳定性。
另外，与气体相接触的结构件，包括气体管道密封连接接口、气体进出接口、柔性密封连接组件、可伸缩密封套管均采用防腐蚀材料生产制造，保证在长期气体探测过程中不受某些腐蚀气体的影响。
具体实现中，还可以通过本发明实施例所述柔性密封调谐装置组成衰荡信号反馈调节装置，如图4所示为本发明实施例所述衰荡信号反馈调节装置的结构示意图，包括衰荡信号探测器18、柔性密封调谐装置19、气体通道与谐振腔组件20、机械基准底板14、检测光源及其耦合模块21。在特定气体探测已经确定腔长、腔镜反射率的情况下，衰荡现象即为已知现象，其参数在调谐过程中可作为腔镜姿态控制的反馈判断条件，能够精确反馈谐振腔的精细程度，并通过柔性密封调谐装置的调整支架进行调节；
在调节完成后，衰荡信号探测器与前端的检测光源及其耦合模块部分可直接集成在机械基准底板上，完成衰荡系统的调试工作，并状态固化，简化整个仪器的调试，提高装调效率与成功率。
这里，采用衰荡信号本身来进行装调，根据腔长、腔镜反射率等所得衰荡的已知时间和强度信号作为反馈参考标准进行精密调试，避免引入其他基准。
另外，在调节过程中，检测光源及其耦合模块21、气体通道与谐振腔组件20、衰荡信号探测器18均可直接组合，调谐完成即完成生产。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
综上所述，本发明实施例所述装置能够有效应用于光腔衰荡光谱仪，痕量气体探测设备中，实现其中核心模块衰荡腔的高质量、高效装调，并克服传统技术的不足，实现从调试到密封，再到状态固化的多功能一站式装调工作，最终生产出性能优异、稳定性极佳的高精细度衰荡腔，突破传统生产工艺与调试方法，推动技术的发展并提升相关产品的性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种用于衰荡腔的柔性密封调谐装置，其特征在于，所述装置包括气路密封结构、柔性密封连接器结构、腔镜姿态控制结构、免紧固件状态固化结构、机械基准定位结构，其中：
所述气路密封结构包括气体进出接口和气体管道密封连接接口，用于对待测样品气体流动进行控制与密封保持；其中，所述柔性密封调谐装置的气路通过所述气体进出接口对外连接，多个柔性密封调谐装置之间利用所述气体管道密封连接接口的密封圈进行气密连接，实现多个柔性密封调谐装置之间的气路连接；
所述柔性密封连接器结构包括与柔性密封连接组件关联的密封结构，柔性密封连接组件为中空结构，有利于光束与气体的通过；柔性密封连接组件的前端连接所述气体管道密封连接接口，后端连接高反射率腔镜的表面，对高反射率腔镜形成柔性连接，并保持密封，为高反射率腔镜的自由调节提供可靠连接；
所述腔镜姿态控制结构包括可拆卸精密调节支架和调节支杆，所述可拆卸精密调节支架的前端连接柔性封装的高反射率腔镜，后端连接所述调节支杆，利用所述可拆卸精密调节支架和调节支杆调节所述高反射率腔镜的姿态；
所述免紧固件状态固化结构，用于实现所述高反射率腔镜调谐完成之后的低应力封装固化过程，具体是通过主体框架、灌胶腔内挡圈、腔镜支架、灌胶腔外挡圈组成封闭空间，在圆周上形成一个环状灌胶腔体，该环状灌胶腔体通过灌胶端口进行注胶，待注满后，再通过排气端口将气体挤出，最终完成无气泡的灌胶；待胶固化后，将前一调谐工作所得的腔镜状态完全保留下来，且具有极高的刚度；
所述机械基准定位结构采用V形槽机械基准，利用所述V形槽机械基准实现在光轴方向上的前后移动，实现腔长L的控制，进而实现不同纵模匹配的衰荡腔，其中：
在腔长的控制过程中，采用固定滑动套管配合可伸缩密封套管，能够在实现腔长调节的同时保证有效密封；
所述可伸缩密封套管能布置压力传感器、温度传感器对密封通道内的气流参数进行测量反馈。
2.根据权利要求1所述用于衰荡腔的柔性密封调谐装置，其特征在于，在所述环状灌胶腔体中，所述灌胶端口与排气端口的布局可优化，以能灌满胶水为准，胶水采用低应力、长时间固化的胶水；
在固化过程中实时调节腔镜姿态，补偿因收缩所导致的微小失谐。
3.根据权利要求1所述用于衰荡腔的柔性密封调谐装置，其特征在于，在所述免紧固件状态固化结构中，在所述环状灌胶腔体包络内的主体框架内表面与腔镜支架外表面加工内外螺纹或者粗糙纹理结构，以增加所述环状灌胶腔体固化后与内外两个零件之间的结合力。
4.根据权利要求1所述用于衰荡腔的柔性密封调谐装置，其特征在于，
所述灌胶腔内挡圈和灌胶腔外挡圈采用密封圈、胶带、弹性硅胶、泡沫硅胶的结构；
所述灌胶腔内挡圈为一邵氏硬度极低的大直径密封圈，所述灌胶腔外挡圈为较薄的硅胶胶带。
5.根据权利要求1所述用于衰荡腔的柔性密封调谐装置，其特征在于，
与腔长相关的结构件，包括主体框架与腔镜支架、V形槽机械基准与机械基准底板均采用殷钢或微晶玻璃材料制造生产。
6.根据权利要求1所述用于衰荡腔的柔性密封调谐装置，其特征在于，
与气体相接触的结构件，包括气体管道密封连接接口、气体进出接口、柔性密封连接组件、可伸缩密封套管均采用防腐蚀材料生产制造，保证在长期气体探测过程中不受腐蚀气体影响。
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