CN211426263U - 一种双摆臂结构傅里叶变换光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种双摆臂结构傅里叶变换光谱仪，包含：红外光源，红外探测器，干涉仪，第一平面反射镜，第一至第四离轴抛物面反射镜；反射池，采样触发信号生成系统。所述采样触发信号生成系统用于生成红外干涉信号的采样触发信号。所述干涉仪包含固定在摆动基体上的两面平面动镜反射镜，和固定在基座上的两面定镜反射镜，分束镜。摆动基体和定镜反射镜一体化的做扫摆式运动。红外光源生成的红外光信号被分束器分为一束反射光和一束透射光，反射光和透射光分别经两面平面动镜反射镜和两面平面定镜进行若干次反射，最后在分束器位置处形成干涉，生成红外干涉调制光信号。反射光和投射光的光程差随平面动镜反射镜摆动角度的变化而变化。

Description

一种双摆臂结构傅里叶变换光谱仪

技术领域

本实用新型涉及光学领域，特别涉及一种双摆臂结构傅里叶变换光谱仪。

背景技术

红外光谱仪是对物质的化学组成进行探测和判别的有效科学仪器，具有精度高、分析速度快、结果稳定、分析过程无破坏性等优点，傅里叶变换红外光谱仪(FourierTransform InfraRed Spectrometer，FTIR)是至今发展起来的第三代红外光谱仪器，其采用干涉分光原理，采集目标的干涉信息，利用干涉图与光谱图之间的傅里叶变换对应关系，通过傅里叶变换复原出目标光谱信息。相比其它类型的红外光谱仪，傅里叶变换红外光谱仪具有测量精度高、杂散光低、分辨率高、光通量大、测定速度快和测量波段宽等优势，是光谱分析强有力的工具。相比第二代光栅光谱仪，傅里叶变换红外光谱仪具有多组分同时检测的独特的优势，广泛应用在环境监测、生物制药、石油化工等行业。

傅里叶变换红外光谱仪中的干涉仪直接决定了傅里叶变换红外光谱仪的性能。传统的迈克尔干涉仪是基于动镜的直线运动形成光程差变化，产生干涉图。麦克尔逊型光谱仪正常工作状态下要求动镜运动整个过程中，动镜和定镜保持相对垂直。由于光路调试安装、震动及环境温度等因素都会影响动镜和定镜相对垂直，定镜相对动镜发生了一定的倾斜，即产生了干涉失调。其结果会导致测量的准确性和可信度。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种双摆臂结构傅里叶变换光谱仪，采用了具有双摆臂结构的干涉仪，保证了对样品气组分检测的准确性和可信度。

为了达到上述目的，本实用新型提供一种双摆臂结构傅里叶变换光谱仪，包含：

红外光源，干涉仪，第一平面反射镜，第一至第四离轴抛物面反射镜；反射池，红外探测器，采样触发信号生成系统；

红外光源生成的红外信号经第一离轴抛物面反射镜准直后导入干涉仪；通过干涉仪干涉调制后输出红外干涉调制光信号；所述红外干涉调制光信号通过第一平面反射镜反射后，由设置在反射池入光口外部的第二离轴抛物面反射镜汇聚并导入所述反射池的入光口；所述红外干涉调制光信号在所述反射池内经过若干次反射后形成发散光束从反射池的出光口导出；所述发散光束由设置在反射池出光口外部的第三离轴抛物面反射镜准直；第四离轴抛物面反射镜将准直后的发散光束汇聚在所述红外探测器的探测面上；外部的数据采集系统和分析系统通过处理红外探测器接收到的信号生成待测样品气组分吸收光谱；

所述采样触发信号生成系统用于生成红外干涉信号的采样触发信号。

所述干涉仪包含：固定在摆动基体上的两面平面动镜反射镜，和固定在基座上的两面定镜反射镜，分束镜；

所述两面平面动镜反射镜相互平行，以摆动基体的摆动轴为中心，和摆动基体一体化的在电磁力的驱动下呈均匀扫摆式运动；所述分束镜、两面定镜反射镜分别设置在两面平面动静反射镜两端，且位于两面平面动静反射镜之间；分束镜与第一离轴抛物面反射镜位置对应；所述红外信号经第一离轴抛物面反射镜准直后形成第一红外平行光束；所述第一红外平行光束入射至所述分束镜，并被分束镜分为一束反射光和一束透射光；所述反射光和所述透射光分别经两面平面动镜反射镜和两面平面定镜进行若干次反射，最后在分束镜位置处形成干涉，形成所述红外干涉调制光信号。

所述第一至第四离轴抛物面反射镜均为90°离轴抛物面反射镜。

所述采样触发信号生成系统包含：激光发生器，激光探测器，第二平面反射镜；

激光发生器生成的单色光信号；所述单色光信号经设置在激光发生器内的阈值比较器整形后变为方波光信号，所述方波光信号经所述第二平面反射镜反射后进入干涉仪，并经干涉仪系统干涉调制后输出方波干涉信号；所述方波干涉信号被所述激光探测器直接接收；

所述方波光信号作为红外干涉调制光信号的采样触发信号，从而保证红外干涉调制光信号的等光程差间隔采样。

所述反射池内有空腔，所述空腔设有：一个主镜，两个副镜，所述主镜和所述副镜均为球凹面反射镜；主镜设置在反射池第一端；两个副镜分开的设置在反射池第二端；主镜的曲率中心落在两个副镜之间的中点处；副镜的曲率中心落在主镜的前表面；所述入光口、出光口设置在反射池第一端连通所述空腔。

所述空腔还设有进气导管；所述反射池第二端设有连通所述空腔的进气口、出气口；进气导管第一端连接所述进气口，进气导管第二端位于反射池第一端，待检测的样品气依序通过进气口、进气导管注入反射池第一端；所述出气口用于排出所述样品气。

所述主镜和所述副镜均同曲率半径。

所述双摆臂结构傅里叶变换光谱仪，还包含质量流量计和真空抽气泵，所述质量流量计连接设置在所述出气口和所述真空抽气泵之间，检测出气口的气流量；通过所述真空抽气泵抽出反射池内的样品气。

所述激光发生器为氦氖激光发生器。

所述分束镜为硒化锌材质。

和现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型的双摆臂结构傅里叶变换光谱仪通过采用基于光学差分原理的双摆臂结构干涉仪，可以更好的适用于工业现场的震动环境。通过本实用新型生成的包含待测样品气组分吸收信息的干涉信号可信度高，能大大提高对样品气检测的准确度。且本实用新型体积小，结构紧凑，很大程度上减小了安装空间。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图：

图1为本实用新型的双摆臂结构傅里叶变换光谱仪结构示意图；

图2为本实用新型的反射池示意图；

图中：11、红外光源；12、红外探测器；

21、第一离轴抛物面反射镜；22、第二离轴抛物面反射镜；23、第三离轴抛物面反射镜；24、第四离轴抛物面反射镜；

3、反射池；31、主镜；32、第一副镜；33、第二副镜；34、进气口；35、出气口；36、入光口；37、出光口；

41、平面动镜反射镜；42、定镜反射镜；43、分束镜；

51、激光发生器；52、激光探测器；

61、第一平面反射镜；62、第二平面反射镜。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供一种双摆臂结构傅里叶变换光谱仪，包含：

红外光源11，干涉仪，第一平面反射镜61，第一至第四离轴抛物面反射镜；反射池3，红外探测器12，采样触发信号生成系统，质量流量计和真空抽气泵。其中所述第一至第四离轴抛物面反射镜24均为90°离轴抛物面反射镜。

红外光源11生成的红外信号经第一离轴抛物面反射镜21准直后导入干涉仪；通过干涉仪干涉调制后输出红外干涉调制光信号。

所述干涉仪包含：固定在摆动基体上的两面平面动镜反射镜41，和固定在基座上的两面定镜反射镜42，分束镜43。在本实用新型的实施例中，所述分束镜43为硒化锌材质，其透过波长范围为0.6～20μm，其折射率介于2.35 ～2.63之间。

所述两面平面动镜反射镜41相互平行，以摆动基体的摆动轴为中心，和摆动基体一体化的在电磁力的驱动下呈均匀扫摆式运动，由两面平面动镜反射镜41形成干涉仪的双摆臂结构。所述分束镜43、两面定镜反射镜42分别设置在两面平面动静反射镜两端，且位于两面平面动静反射镜之间。分束镜43 与第一离轴抛物面反射镜21位置对应。所述红外信号经第一离轴抛物面反射镜21准直后形成第一红外平行光束；所述第一红外平行光束入射至所述分束镜，并被分束镜分为一束反射光和一束透射光；当摆动基体带动两面平面动镜反射镜41做扫摆式运动时，所述反射光和所述透射光分别经两面平面动镜反射镜41和两面平面定镜进行若干次反射，最后在分束镜位置处汇合并形成干涉，生成所述红外干涉调制光信号。其中，反射光和投射光的光程差随平面动静反射镜摆动角度的变化而变化。并且，入射至分束镜的第一红外平行光束和从分束镜出射的红外干涉调制光信号之间具有一个偏移量，不会互相干扰。

如图2所示，所述反射池3内有空腔，所述空腔设有：一个主镜31，两个副镜，所述主镜31和所述副镜为同曲率半径的球凹面反射镜。主镜31设置在反射池第一端；两个副镜分开的设置在反射池第二端，且两个副镜与主镜31的间距相等，可以通过调节两面副镜之间的角度来增减光束在主镜31 和副镜间的反射次数。优选的，在本实用新型的实施例中，主镜31和副镜的间距为25cm。主镜31的曲率中心落在两个副镜之间的中点C处；副镜的曲率中心落在主镜31的前表面；反射池3的入光口36、出光口37设置在反射池第一端连通所述空腔。

所述空腔还设有进气导管；所述反射池第二端设有连通所述空腔的进气口34、出气口35；进气导管第一端连接所述进气口34，进气导管第二端位于反射池第一端，待检测的样品气依序通过进气口34、进气导管注入反射池第一端；所述出气口35用于排出所述样品气。所述质量流量计连接设置在所述出气口35和所述真空抽气泵之间，检测出气口35的气流量；通过所述真空抽气泵抽出反射池内的样品气。

所述红外干涉调制光信号由分束镜出射至第一平面反射镜61反射后，由设置在反射池入光口36外部的第二离轴抛物面反射镜22汇聚并导入所述反射池3的入光口36。所述红外干涉调制光信号在所述反射池内经过主镜31、副镜之间的若干次反射后形成发散光束从反射池3的出光口37导出。所述发散光束由设置在反射池出光口37外部的第三离轴抛物面反射镜23准直。第四离轴抛物面反射镜24将准直后的发散光束汇聚在所述红外探测器12的探测面上。红外探测器12接收到的信号即为经过干涉调制并包含有反射池3内样品气待测组分吸收信息的干涉信号，外部的数据采集系统和分析系统通过处理红外探测器12接收到的信号生成待测样品气组分吸收光谱。

如图1所示，在本实用新型的实施例中，两个副镜分别为第一副镜32和第二副镜33。红外干涉调制光信号经第二离轴抛物面反射镜22会聚在入光口36 位置，然后入射到第一副镜32的位置d处，经第一副镜32反射到主镜31的位置 c处，然后反射到第二副镜33的位置e处，第二副镜33将光束反射到主镜31的位置b处，主镜31再次将光束反射到第一副镜32的位置d，光线按照上述过程在主镜31和副镜之间多次反射，最后光束会聚到出光口37导出。

所述采样触发信号生成系统用于生成红外干涉信号的采样触发信号。

所述采样触发信号生成系统包含：激光发生器51，激光探测器52，第二平面反射镜62；

激光发生器51生成的单色光信号；所述单色光信号经设置在激光发生器51内的阈值比较器整形后变为方波光信号，所述方波光信号经所述第二平面反射镜62反射后进入干涉仪，并经干涉仪系统干涉调制后输出方波干涉信号；所述方波干涉信号被所述激光探测器51直接接收；

所述方波光信号作为红外干涉调制光信号的采样触发信号，从而保证红外干涉调制光信号的等光程差间隔采样。在本实用新型的实施例中，所述激光发生器51为氦氖激光发生器，其中心波长632.8nm。

和现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型的双摆臂结构傅里叶变换光谱仪通过采用基于光学差分原理的双摆臂结构干涉仪，可以更好的适用于工业现场的震动环境。通过本实用新型生成的包含待测样品气组分吸收信息的干涉信号可信度高，能大大提高对样品气检测的准确度。且本实用新型体积小，结构紧凑，很大程度上减小了安装空间。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种双摆臂结构傅里叶变换光谱仪，其特征在于，包含：

红外光源，干涉仪，第一平面反射镜，第一至第四离轴抛物面反射镜；反射池，红外探测器，采样触发信号生成系统；

红外光源生成的红外信号经第一离轴抛物面反射镜准直后导入干涉仪；通过干涉仪干涉调制后输出红外干涉调制光信号；所述红外干涉调制光信号通过第一平面反射镜反射后，由设置在反射池入光口外部的第二离轴抛物面反射镜汇聚并导入所述反射池的入光口；所述红外干涉调制光信号在所述反射池内经过若干次反射后形成发散光束从反射池的出光口导出；所述发散光束由设置在反射池出光口外部的第三离轴抛物面反射镜准直；第四离轴抛物面反射镜将准直后的发散光束汇聚在所述红外探测器的探测面上；外部的数据采集系统和分析系统通过处理红外探测器接收到的信号生成待测样品气组分吸收光谱；

所述采样触发信号生成系统用于生成红外干涉信号的采样触发信号。

2.如权利要求1所述的双摆臂结构傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述干涉仪包含：固定在摆动基体上的两面平面动镜反射镜，和固定在基座上的两面定镜反射镜，分束镜；

所述两面平面动镜反射镜相互平行，以摆动基体的摆动轴为中心，和摆动基体一体化的在电磁力的驱动下呈均匀扫摆式运动；所述分束镜、两面定镜反射镜分别设置在两面平面动静反射镜两端，且位于两面平面动静反射镜之间；分束镜与第一离轴抛物面反射镜位置对应；所述红外信号经第一离轴抛物面反射镜准直后形成第一红外平行光束；所述第一红外平行光束入射至所述分束镜，并被分束镜分为一束反射光和一束透射光；所述反射光和所述透射光分别经两面平面动镜反射镜和两面平面定镜进行若干次反射，最后在分束镜位置处形成干涉，形成所述红外干涉调制光信号。

3.如权利要求1所述的双摆臂结构傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述第一至第四离轴抛物面反射镜均为90°离轴抛物面反射镜。

4.如权利要求2所述的双摆臂结构傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述采样触发信号生成系统包含：激光发生器，激光探测器，第二平面反射镜；

激光发生器生成的单色光信号；所述单色光信号经设置在激光发生器内的阈值比较器整形后变为方波光信号，所述方波光信号经所述第二平面反射镜反射后进入干涉仪，并经干涉仪系统干涉调制后输出方波干涉信号；所述方波干涉信号被所述激光探测器直接接收；

所述方波光信号作为红外干涉调制光信号的采样触发信号，从而保证红外干涉调制光信号的等光程差间隔采样。

5.如权利要求1所述的双摆臂结构傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述反射池内有空腔，所述空腔设有：一个主镜，两个副镜，所述主镜和所述副镜均为球凹面反射镜；主镜设置在反射池第一端；两个副镜分开的设置在反射池第二端；主镜的曲率中心落在两个副镜之间的中点处；副镜的曲率中心落在主镜的前表面；所述入光口、出光口设置在反射池第一端连通所述空腔。

6.如权利要求5所述的双摆臂结构傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述空腔还设有进气导管；所述反射池第二端设有连通所述空腔的进气口、出气口；进气导管第一端连接所述进气口，进气导管第二端位于反射池第一端，待检测的样品气依序通过进气口、进气导管注入反射池第一端；所述出气口用于排出所述样品气。

7.如权利要求5所述的双摆臂结构傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述主镜和所述副镜均同曲率半径。

8.如权利要求6所述的双摆臂结构傅里叶变换光谱仪，其特征在于，还包含质量流量计和真空抽气泵，所述质量流量计连接设置在所述出气口和所述真空抽气泵之间，检测出气口的气流量；通过所述真空抽气泵抽出反射池内的样品气。

9.如权利要求4所述的双摆臂结构傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述激光发生器为氦氖激光发生器。

10.如权利要求2所述的双摆臂结构傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述分束镜为硒化锌材质。

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