CN116087105B - 紫外可见光谱范围的可变光程流通池及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种紫外可见光谱范围的可变光程流通池及其控制方法，紫外可见光谱范围的可变光程流通池包括支撑机构、动力机构、流通池和可变光程的光耦系统；动力机构和流通池安装于支撑机构；光耦系统包括可移动光耦组件和固定光耦组件，可移动光耦组件伸缩连接在流通池内，且可移动光耦组件固定连接在动力机构的动力输出端，固定光耦组件固定安装于流通池内。本申请具有方便流通池在较大浓度范围内的样品浓度在线检测的效果。

Description

紫外可见光谱范围的可变光程流通池及其控制方法

技术领域

本申请涉及光学流通池的领域，尤其是涉及一种紫外可见光谱范围的可变光程流通池及其控制方法。

背景技术

流通池是一种具有样品入口和样品出口的密闭容器，其上通常安装有各类传感器，用于测定流通池内流过的样品参数。

光谱分析在线检测相比于色谱分析，可以不用取样，样品的预处理简单，适用范围广。与其他传感器在线检测方式相比，光谱分析具有抗干扰性强，准确度高，线性范围宽的特点。光谱分析的样品浓度与测量光程有关；但是传统的固定光程流通池的光谱在线分析，存在样品检测浓度区间较小，当涉及到浓度范围大的样品时，往往超出仪器的检测范围，测量结果不准。为了满足不同浓度范围的样品测定，通常需要更换不同规格的流通池或者比色皿，限制了光谱分析在在线检测中的应用。

发明内容

为了方便流通池在较大浓度范围内的样品浓度在线检测，本申请提供一种紫外可见光谱范围的可变光程流通池及其控制方法。

一方面，本申请提供的一种紫外可见光谱范围的可变光程流通池采用如下的技术方案：

一种紫外可见光谱范围的可变光程流通池，包括支撑机构、动力机构、流通池和可变光程的光耦系统；所述动力机构和所述流通池安装于所述支撑机构；所述光耦系统包括可移动光耦组件和固定光耦组件，所述可移动光耦组件伸缩连接在所述流通池内，且所述可移动光耦组件固定连接在所述动力机构的动力输出端，所述固定光耦组件固定安装于所述流通池内。

通过采用上述技术方案，在线检测的过程中，通过动力机构实时带动可移动光耦组件在流通池内产生位移，从而改变与固定光耦组件的距离，即改变光耦系统的光程；因此光程改变，可以扩大待测样品的测试浓度范围。

作为优选，所述可变光耦组件包括依次连通的光纤尾座、移动端光纤头和光纤法兰管，所述光纤尾座固定连接于所述动力机构的动力输出端，所述移动端光纤头一端固定连接在所述光纤尾座上，另一端伸缩连接于所述流通池内；所述光纤法兰管位于所述流通池内，且固定连接于所述移动端光纤头远离所述光纤尾座的一端。

通过采用上述技术方案，光源发出设备发出光依次经过光纤尾座、移动端光纤头和光纤法兰管；且在动力机构的带动下，光纤法兰管靠近或远离固定光耦组件，从而改变光耦系统的光程。

作为优选，所述固定光耦组件包括固定端光纤头和光纤座，所述固定端光纤头固定连接于所述流通池内，用于接收所述光纤法兰管射出的光线；所述光纤座的一端连通至所述固定端光纤头，另一端用于连接至外部光谱分析设备。

通过采用上述技术方案，光纤法兰管发出的光经待测样品后由固定端光纤头接收，再经光纤座连通至光谱分析设备，从而分析样品的光谱照射结果。

作为优选，还包括移动端透镜部和固定端透镜部，所述移动端透镜部固定连接在所述光纤法兰管远离所述光纤尾座的一端；所述固定端透镜部固定连接在所述固定端光纤头远离所述光纤座的一端；所述移动端透镜部和固定端透镜部中的透镜均为平凸透镜，且两个平凸透镜的平面相对，所述光纤法兰管的出光口匹配于所述移动端透镜部的焦距，所述固定端透镜部的焦距匹配于所述固定端光纤头的入光口，以使得所述光纤法兰管出光口输出的光经所述移动端透镜部输出为准直光束，所述准直光束经所述固定端透镜部后的光束的焦点位于所述固定端光纤头入光口处。

通过采用上述技术方案，设置有平凸透镜组，使得光从光纤发出后后经透镜呈准直光束射出，然后再将准直光束聚焦后射入固定端光纤头，有利于减少光的损耗。

作为优选，所述动力机构包括固定连接在所述支撑机构上的导轨和滑移连接在所述导轨上的滑块结构，所述滑块结构上固定连接有丝杆螺母，所述丝杆螺母螺纹连接有螺纹杆，所述螺纹杆固定连接有丝杆电机，所述丝杆电机固定安装于所述支撑机构，所述螺纹杆的轴向方向与所述光耦系统的可变光程的变化方向一致。

通过采用上述技术方案，采用丝杠的滑移方式，结构简单，且方便实现控制，丝杆电机可方便控制设备根据样本浓度自动调节光程，从而有利于实现光程的自动控制。

作为优选，所述支撑机构包括固定连接的支撑滑槽和光纤底座，所述导轨固定安装于所述支撑滑槽，所述光纤底座固定连接所述流通池。

通过采用上述技术方案，支撑滑槽和光纤底座提供基本的支撑作用。

作为优选，所述流通池包括流通管体和设置在所述流通管体两端的密封帽，所述流通管体内设置有待测样品的流通腔，所述流通管体包括位于下端的样品入口和位于上端的样品出口；所述流通管体的一端连接所述固定光耦组件，另一端连接所述可移动光耦组件。

通过采用上述技术方案，采用下进上出的流通方式，可以使得液态或气态的待测样品能够充斥流通腔，从而有利于光谱分析的样品浓度的测定。

作为优选，所述流通管体分别与所述固定光耦组件和所述可移动光耦组件设置有密封圈。

另一方面，本申请公开一种紫外可见光谱范围的可变光程流通池的控制方法，基于上述紫外可见光谱范围的可变光程流通池，包括如下方法：实时获取吸收光谱中对应的测试样品浓度值，将测试样品浓度值与预设标准样品浓度值进行比较，控制丝杆电机的转动角度以实时调节光耦系统的光程，其中，所述光耦系统的光程与所述测试样品浓度值呈反比例关系。

通过采用上述技术方案，当待测的浓度较低时，需要的光程越大；反之，当待测的浓度较高时，需要的光程较小，因此，可以控制丝杆电机，改变光耦系统的光程，以适应不同的样品浓度需求，从而提高流通池的可测浓度范围。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.紫外可见光谱范围的光程连续可变的流通池，适用于浓度变化范围大的样品，在实际使用过程中，可以通过吸光度动态调节流通池光程，从而使吸光度保持在合理区间，提高了检测的准确性；

2.增加透镜，减少光能的损耗，进一步提高样品浓度检测的准确性；

3.通过丝杠实现光程的改变，样本采用下进上出的方式，有利于样品的分析检测，减少其他因素如气泡的干扰。

附图说明

图1是本申请实施例紫外可见光谱范围的可变光程流通池的整体结构示意图；

图2是本申请实施例紫外可见光谱范围的可变光程流通池的支撑机构内部结构示意图；

图3是本申请实施例紫外可见光谱范围的可变光程流通池的剖视图；

图4是图3中A部的放大图；

图5是图3中B部的放大图。

附图标记：1、支撑机构；11、支撑滑槽；12、光纤底座；121、让位孔；13、第一安装座；14、第二安装座；2、动力机构；21、导轨；22、滑块结构；221、滑移块；222、光纤滑块连接座；23、丝杆螺母；24、螺纹杆；25、丝杆电机；3、流通池；31、流通管体；32、密封帽；33、流通腔；34、抽液接头；4、光耦系统；41、可移动光耦组件；411、光纤尾座；412、移动端光纤头；413、光纤法兰管；414、移动端透镜部；4141、第一固定座；4142、移动透镜；415、导向管；416、第一密封圈；417、第二密封圈；42、固定光耦组件；421、固定端透镜部；4211、固定透镜；4212、第二固定座；422、固定端光纤头；423、光纤座；424、第三密封圈。

具体实施方式

以下结合附图1-5对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种紫外可见光谱范围的可变光程流通池。参照图1和图2，一种紫外可见光谱范围的可变光程流通池包括支撑机构1、设置在支撑机构1内的动力机构2、安装在支撑机构1上的流通池3，以及设置在流通池3内的可变光程的光耦系统4，且光耦系统4的可变光程端连接在动力机构2的动力输出端，由动力机构2改变光耦系统4的可变光程。

支撑滑槽11上，且覆盖于槽口处；支撑滑槽11和光纤底座12组成长方体状的结构。

参照图2和图3，动力机构2包括导轨21、滑移连接在导轨21上的滑块结构22、固定连接在滑块结构22上的丝杆螺母23、螺纹连接在丝杆螺母23上的螺纹杆24，以及同轴固定连接螺纹杆24的丝杆电机25。导轨21沿支撑滑槽11的长度方向固定安装在支撑滑槽11的内壁，螺纹杆24平行于导轨21设置，在丝杆电机25的带动下，滑块结构22在导轨21上按照设定的位置滑移。滑块结构22包括滑移连接在导轨21上的滑移块221和垂直固定安装在滑移块221远离导轨21一侧的光纤滑块连接座222，其中，丝杆螺母23安装于光纤滑块连接座222上。

光纤底座12对应光纤滑块连接座222的滑移路径开设有让位孔121，且光纤滑块连接座222远离导轨21的一端凸出于光纤底座12的表面。光纤底座12远离支撑滑槽11的一侧，且沿自身长度方向安装有两个安装座，分别为第一安装座13和第二安装座14，安装座主要用于固定安装流通池3。

参照图3和图4，流通池3包括流通管体31和螺纹连接在管体两端的密封帽32，流通管体31内设有待检测物的流通腔33；流通管体31的侧壁对应第一安装座13和第二安装座14的位置开设有与流通腔33连通的贯穿孔，第一安装座13和第二安装座14上均设置有连通于贯穿孔的通孔，通孔内均螺纹安装有抽液接头34，抽液接头34与外部待测样品的容器连通。两个抽液接头34分别为样品出口和样品入口；其中，样品入口位于下端，样品出口位于上端。样品采用下进上出的方式进行流通，有利于使得样品充斥流通腔33，便于提高检测的准确性。

光耦系统4包括可移动光耦组件41和固定光耦组件42，流通管体31的一端滑移连接可移动光耦组件41，另一端固定安装固定光耦组件42，可移动光耦组件41还固定连接于光纤滑块连接座222。

可移动光耦组件41包括光纤尾座411、移动端光纤头412、光纤法兰管413和移动端透镜部414；光纤尾座411固定安装于光纤滑块连接座222上，且轴向方向平行于导轨21的长度方向设置，光纤尾座411用于连接于光源发射设备。移动端光纤头412呈圆柱形管状，与光纤尾座411同轴设置，移动端光纤头412连通于光纤尾座411。移动端光纤头412伸缩连接于流通腔33内，对应的密封帽32上开设有供移动端光纤头412穿过的通孔。移动端光纤头412与流通腔33的内壁之间设置有密封导向结构，密封导向结构包括导向管415和分别设置在导向管415两端的第一密封圈416和第二密封圈417。流通管体31靠近的一端设置有变径端，导向管415固定安装于变径端内，且第一密封圈416和第二密封圈417均抵紧在变径端的内壁和导向管415的外侧壁之间；其中第一密封圈416靠近流通管的端部，第一密封圈416还抵紧于该端的密封帽32之间。移动端光纤头412的外径尺寸等于流通腔33的内壁尺寸，也等于导向管415的内壁尺寸。

光纤法兰管413同轴固定安装于移动端光纤头412远离光纤尾座411的一端，光纤法兰管413整体呈圆柱形，中心轴线处开设有通光孔。移动端透镜部414包括第一固定座4141和移动透镜4142，第一固定座4141整体呈圆柱形的管状，同轴于光纤法兰管413设置。第一固定座4141的一端固定安装于移动端光纤头412远离光纤尾座411的一端，且光纤法兰管413固定安装于第一固定座4141。移动透镜4142固定安装于第一固定座4141远离移动端光纤头412的一端内部，且移动透镜4142为平凸透镜，且平面的一侧朝向固定光耦组件42所在的一侧。光从光纤法兰管413上通光孔出口处发射出后，经移动透镜4142折射后呈准直光束射出。

参照图3和图5，固定组件包括固定端透镜部421、固定端光纤头422和光纤座423。固定端透镜部421包括固定透镜4211和第二固定座4212；第二固定座4212整体呈圆柱形管状设置，固定透镜4211安装于第二固定座4212靠近可移动光耦组件41的一端内部；其中，固定透镜4211设为平凸透镜，且平面的一侧朝向可移动光耦组件41所在的一侧。第二固定座4212的外侧壁设置有第三密封圈424，第三密封圈424密封抵接于第二固定座4212的外侧壁与流通腔33的内壁之间。第二固定座4212远离固定透镜4211的一端螺纹连接于设于该端的密封帽32内。固定端光纤头422整体呈圆柱形，且轴心线处开设有光纤通道，固定端光纤头422贴合于第二固定座4212远离固定透镜4211的一端内部的侧壁，且准直光束经固定透镜4211折射后，光线的焦点位于固定端光纤头422靠近固定透镜4211的一端的光纤通道入口处。光纤座423整体呈圆柱形，一端的外侧壁设置有卡接凸环，卡接凸环嵌入该端的密封帽32内，且固定夹设于固定端光纤头422和密封帽32之间。光纤座423远离密封帽32的一端设置有连接接口，用于连接外部的光谱分析设备。

其中，平凸透镜和光纤的通道分别为紫外石英透镜和多模紫外石英光纤，光纤的数值孔径为0.22；

本申请实施例一种紫外可见光谱范围的可变光程流通池的实施原理为：采用下进上出的样品流通方向，配合光学透镜的使用，减少光能的损耗，且采用光程连续可变的流通池3，适用于浓度变化范围大的样品，在实际使用过程中，可以通过样品的浓度，即样品的吸光度动态调节流通池3的光程大小，从而使吸光度保持在合理区间，提高了检测的准确性。

本申请实施例公开一种紫外可见光谱范围的可变光程流通池的控制方法，基于上述一种紫外可见光谱范围的可变光程流通池，包括如下方法：

第一步：实时获取吸收光谱中对应的测试样品浓度值，并将测试样品浓度值与预设标准样品浓度值进行比较。

第二步，控制丝杆电机25的转动角度以实时调节光耦系统4的光程，其中，光耦系统4的光程与测试样品浓度值呈反比例关系。

在获得实时吸收光谱之前，首先会在流通池3内进行空白检测，即没有样品输入的情况下，得到空白光谱，作为参考。

通样之后，通过对样品的光谱照射，产生吸收光谱。其中，吸收光谱主要针对有机化合物和部分的无机化合物，不同的化合物吸收的光谱是不一样的。分析测试样品的吸收光谱，根据系统内预设的标准物质的光谱，得到待测物的浓度。

当样品浓度高的时候，需要的光程比较短；反之，当样品浓度比较低的时候，需要将吸光度落在0.3-1之间，增加光程。

此外，在线检测过程中，针对浓度跨度比较大的情况下，例如样品浓度从0.1微克每毫升-100微克每毫升，浓度的跨度是一千倍的跨度，传统的固定光程的池子，无法同时兼顾低浓度和高浓度的样品检测，满足了低浓度的检测，高浓度的就不准，反之，满足了高浓度的检测，低浓度的就不准。此外，通常的紫外检测采用1cm光程的吸收池，本方案的最大光程可以超过10cm，可以实现更低浓度的样品检测。因此可以根据浓度的大小调节丝杆电机25以调节不同的光程，从而提高可变光程流通池3的适用范围和提高检测的准确性。

本申请实施例一种紫外可见光谱范围的可变光程流通池及其控制方法的实施原理为：光程连续可变的流通池3，适用于浓度变化范围大的样品，本发明最低浓度和最高浓度可以相差1000倍以上。在实际使用过程中，可以通过吸光度动态调节流通池3光程，从而使吸光度保持在合理区间，提高了检测的准确性。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种紫外可见光谱范围的可变光程流通池，其特征在于：包括支撑机构（1）、动力机构（2）、流通池（3）和可变光程的光耦系统（4）；所述动力机构（2）和所述流通池（3）安装于所述支撑机构（1）；所述光耦系统（4）包括可移动光耦组件（41）和固定光耦组件（42），所述可移动光耦组件（41）伸缩连接在所述流通池（3）内，且所述可移动光耦组件（41）固定连接在所述动力机构（2）的动力输出端，所述固定光耦组件（42）固定安装于所述流通池（3）内；

所述可移动光耦组件（41）包括依次连通的光纤尾座（411）、移动端光纤头（412）和光纤法兰管（413），所述光纤尾座（411）固定连接于所述动力机构（2）的动力输出端，所述移动端光纤头（412）一端固定连接在所述光纤尾座（411）上，另一端伸缩连接于所述流通池（3）内；所述光纤法兰管（413）位于所述流通池（3）内，且固定连接于所述移动端光纤头（412）远离所述光纤尾座（411）的一端；

所述固定光耦组件（42）包括固定端光纤头（422）和光纤座（423），所述固定端光纤头（422）固定连接于所述流通池（3）内，用于接收所述光纤法兰管（413）射出的光线；所述光纤座（423）的一端连通至所述固定端光纤头（422），另一端用于连接至外部光谱分析设备。

2.根据权利要求1所述的一种紫外可见光谱范围的可变光程流通池，其特征在于：还包括移动端透镜部（414）和固定端透镜部（421），所述移动端透镜部（414）固定连接在所述光纤法兰管（413）远离所述光纤尾座（411）的一端；所述固定端透镜部（421）固定连接在所述固定端光纤头（422）远离所述光纤座（423）的一端；所述移动端透镜部（414）和固定端透镜部（421）中的透镜均为平凸透镜，且两个平凸透镜的平面相对，所述光纤法兰管（413）的出光口匹配于所述移动端透镜部（414）的焦距，所述固定端透镜部（421）的焦距匹配于所述固定端光纤头（422）的入光口，以使得所述光纤法兰管（413）出光口输出的光经所述移动端透镜部（414）输出为准直光束，所述准直光束经所述固定端透镜部（421）后的光束的焦点位于所述固定端光纤头（422）入光口处。

3.根据权利要求1所述的一种紫外可见光谱范围的可变光程流通池，其特征在于：所述动力机构（2）包括固定连接在所述支撑机构（1）上的导轨（21）和滑移连接在所述导轨（21）上的滑块结构（22），所述滑块结构（22）上固定连接有丝杆螺母（23），所述丝杆螺母（23）螺纹连接有螺纹杆（24），所述螺纹杆（24）固定连接有丝杆电机（25），所述丝杆电机（25）固定安装于所述支撑机构（1），所述螺纹杆（24）的轴向方向与所述光耦系统（4）的可变光程的变化方向一致。

4.根据权利要求3所述的一种紫外可见光谱范围的可变光程流通池，其特征在于：所述支撑机构（1）包括固定连接的支撑滑槽（11）和光纤底座（12），所述导轨（21）固定安装于所述支撑滑槽（11），所述光纤底座（12）固定连接所述流通池（3）。

5.根据权利要求1所述的一种紫外可见光谱范围的可变光程流通池，其特征在于：所述流通池（3）包括流通管体（31）和设置在所述流通管体（31）两端的密封帽（32），所述流通管体（31）内设置有待测样品的流通腔（33），所述流通管体（31）包括位于下端的样品入口和位于上端的样品出口；所述流通管体（31）的一端连接所述固定光耦组件（42），另一端连接所述可移动光耦组件（41）。

6.根据权利要求5所述的一种紫外可见光谱范围的可变光程流通池，其特征在于：所述流通管体（31）分别与所述固定光耦组件（42）和所述可移动光耦组件（41）之间设置有密封圈。

7.一种紫外可见光谱范围的可变光程流通池的控制方法，基于权利要求1-6任意一项所述的一种紫外可见光谱范围的可变光程流通池，其特征在于：包括如下方法：实时获取吸收光谱中对应的测试样品浓度值，将测试样品浓度值与预设标准样品浓度值进行比较，控制丝杆电机（25）的转动角度以实时调节光耦系统（4）的光程，其中，所述光耦系统（4）的光程与所述测试样品浓度值呈反比例关系。