CN213874657U - 一种测试水质的光纤光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种测试水质的光纤光谱仪，包括：壳体、准直单元、色散分光单元、聚焦单元、探测器单元及外接电路，所述准直单元将经光纤输入的光束准直；所述色散分光单元将准直后的光束在色散方向上不同波长的光分开；所述聚焦单元将不同波长谱线的光束聚焦在不同探测器单元上；所述探测器单元至少包括一个探测器，将光信号转变为电信号，由外接电路处理；本实用新型结构简单，生产成本低，操作方便，可以提高微弱光探测能力。

Description

一种测试水质的光纤光谱仪

技术领域

本实用新型涉及光谱仪领域，具体为一种可以测试水质总氮含量的光纤光谱仪。

背景技术

近年来随着经济的不断发展，人民生活水平的逐渐提高，环境污染问题也日趋严峻；水与人类的生活息息相关，水资源的污染会影响社会的各个方面，更会直接影响人类的健康。据世界卫生组织调查，发展中国家70%以上的疾病都与水有关。同时，水资源对于农业造成的危害也不容忽视，会严重影响粮食生产的质量。目前，我国的水资源质量不容乐观，地表水总体来说属于轻度污染，落后地区的部分城市水资源属于严重污染级别，如何有效的控制和治理水资源已经成为当前国民经济的重要工作内容。

治理水资源的前提是需要检测水的质量，目前水质的检测主要有碱性过硫酸钾紫外分光光度法，以及气相分子吸收光谱法等，两种方法均利用光学光谱原理。总氮含量是衡量水质的重要指标之一，是地面水、地下水有机氮及含有悬浮颗粒中氮的总和。总氮的检测目前市面上是使用全光谱线阵CCD作为探测器，如专利CN2019112532219，专利CN2019100704568中都采用全光谱检测方式，线阵CCD成本较高，为了匹配范围内的所有谱线，装配难度较大。用于总氮含量检测的220nm和275nm两种谱线接近于深紫外光谱端，从光学原理出发，全光谱法为了匹配其它谱线的光谱强度要求，位于紫外端的谱线能量会减弱，紫外端谱线的光谱分辨率也会减小，在实际测试中，都会直接影响测量的精度。

发明内容

本实用新型提供了一种用于水质总氮检测的光纤光谱仪，具有成本较低、结构装配简单、光谱能量强且分辨率较高特点。

为解决上述所述的技术问题，本实用新型提供以下技术方案：硅探测器单元作为线阵CCD接收单元，220nm及275nm谱线分别设置硅探测器单元，两个谱线探测器单元可以独立调节，克服因像差带来的在探测器单元上因光斑较大而导致的接收能量较弱，光谱分辨率较低缺点，结构简化也带来装配简化。一种测试水质的光纤光谱仪包括准直单元、分光单元、聚焦单元、探测器单元及外接电路，其中：

所述准直单元将经过光纤输入的光束进行准直；所述分光单元将经过准直单元的准直光束，沿着色散方向将不同波长的光分开排列；所述聚焦单元将已经分开的不同波长的光分别会聚到探测器单元上；探测器单元分别设置于不同波长的谱线位置上，将光信号转换为电信号，本实施例的探测器单元分别位于220nm和275nm波长谱线位置上。

进一步的，所述准直单元包括至少在Y方向上将输入光束准直。

进一步地，所述聚焦单元包括至少在Y方向上将不同波长的光会聚。

进一步地，所述探测器单元包括至少一个探测器。

本实用新型与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：探测器单元通过独立设置于谱线位置上的探测器，依据对应的谱线，调整各自的角度和位置，克服了因线阵CCD尺寸大，谱线宽，难以做到对单个波长谱线精细调整的缺点。避免因像差因素导致的会聚到探测面光斑大，分辨率及光谱能量利用率低的问题；同时，因为可以做到单个光谱谱线的调节，相对于现有的宽光谱在装配线阵CCD位置时需要兼顾宽光谱，装配难度降低；本实用新型结构简单，生产成本低，分辨率及光谱能量利用率较高。

附图说明

图1为本实用新型实施例光谱仪结构图；

图2为本实用新型实施例光谱仪探测单元探测器位置调整示意图；

图3为本实用新型实施例光谱仪探测单元探测器通过添加挡板方式进一步提高分辨率调整示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本实施例中：如图1所示：一种测试水质的光纤光谱仪，所述光谱仪包括：光信号输入光纤10，准直单元40，色散分光单元20，聚焦单元50，探测器单元探测器31及32，外接电路及壳体11，其中，所述光信号输入光纤10的输入光为光源发射光束经过被测试液体后，具有被测试液体特征谱线的光束；光束斜入射至准直单元40，光信号输入光纤10出射光束的腰部位于准直单元40的焦面上，或焦面附近位置，经过准直单元40准直后，至少在Y方向上以近乎平行的光束入射至色散分光单元20上；色散分光单元20可为衍射光栅，棱镜，或者棱镜与光栅的组合体；在Y方向上，色散分光单元20将入射的光束在空间上将各个波长分开，色散分光单元20衍射面为平面，不会改变光束的传播特性，各个波长的光基本以平行光传播斜入射至聚焦单元50上，会聚至探测单元探测器31及32；本实施例中，示例性地，探测器31及探测器32分别位于275nm及220nm的谱线上，具有被测试液体特征谱线的光信号转变为电信号后被外接电路获取，实现光与电的转换。光信号输入光纤10，准直单元40，色散分光单元20，聚焦单元50以及探测器单元探测器31及探测器32密封于壳体11内，壳体11可预留与外界接口的孔洞。示例性地，准直单元40和聚焦单元50可为凹面反射镜片，探测单元探测器31及探测器32分别位于聚焦单元对应谱线的焦面上或者焦面附近。

具体的，本申请实施例中，探测器单元探测器31及探测器32为现有技术，本领域技术人员可以理解认知的，此处不详细介绍。

具体的，本申请实施例中，探测器单元探测器31及探测器32放置的角度和空间位置可以根据光路实际情况分别设置。图1中示意的探测器单元探测器31及探测器32在Y方向上间距d可以避免探测器31和/或探测器32因偏离对应波长谱线的焦面而导致的分辨率及谱线能量利用率低的问题，具体为光信号输入光纤10输入光束斜着入射至准直单元40，以及色散分光单元20在沿着色散方向上，与探测器单元探测器31及探测器32对应的波长斜着入射至聚焦单元50，会产生离轴像差，会聚到探测器单元上各个波长谱线的焦点前后位置发生了偏移，调节间距d值，探测器31及探测器32的感光面位于对应谱线的焦面上。图2为探测器31或探测器32沿着Z方向位置调整示例，λ0至λ6分别表示经过聚焦单元50会聚后不同波长谱线在探测器单元探测器面上的分布实例，60区域为提前预留的探测器可以调整的空间，71为探测器单元探测器面，72为探测器单元探测器面有效感光面，λ0为具有被测试液体的特征谱线，本实施例中的探测器31及探测器32可以分别独立的调整，探测器单元探测器面71在调整空间60区域内沿着+/-Z轴方向移动，存在一个位置，有效感光面72可以捕获λ0谱线的最大接收能量，以及在λ3与λ4之间最高谱线分辨率。

可选的，探测器单元探测器31和/或探测器32探测器面上，或者沿Y方向前方在调整空间区域60上放置两条挡板73，图3示意的挡板73可以有效遮挡λ3及λ4谱线的光进入探测器面的有效感光面72，有效感光面72可以捕获更高分辨率的λ0谱线。

结合上述实施例，本申请提供了一种测试水质的光纤光谱仪具体实施例，在该实例中，包括光信号输入光纤，准直单元，色散分光单元，聚焦单元，探测器单元，外接电路以及壳体；具体的光信号输入光纤的输入光束是经过被测试液体后的激发光，不限于光纤输入，被测试液体的激发光可以直接输入。

需要说明的是，本实施例中光纤光谱仪，不仅可适用液体的测试，还可以解决其它方面如固态、半流体等需要离散型的单个谱线或多个谱线的应用场景。相对于全光谱，本实施例的结构方案可以在降低成本的基础上，显著提高谱线的分辨率和谱线能量利用率，为工业化生产和水质等大规模检测提供基础性支持。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本实用新型申请待批权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种测试水质的光纤光谱仪，光谱仪包括：光信号输入光纤，准直单元，色散分光单元，聚焦单元，探测器单元，外接电路及壳体，其特征在于：

所述的光信号输入光纤输入经过被测试物质的激发光束，具有该种物质的特征谱线；

所述的准直单元准直光信号输入光纤的光束；

所述的色散分光单元在色散方向上将准直光束按不同波长分开；

所述的聚焦单元将不同波长谱线的光会聚至探测器单元上；

所述的探测器单元将对应波长谱线的光信号转变为电信号，并传输至外接电路；

所述的外接电路处理探测器单元的电信号，并配合客户端软件，将光谱信号显示出来；所述的壳体是密封于输入光纤，准直单元，色散分光单元，聚焦单元，探测器单元和/或外接电路的密封体。

2.根据权利要求1所述的一种测试水质的光纤光谱仪，其特征在于，所述探测器单元至少包括一个探测器。

3.根据权利要求1所述的一种测试水质的光纤光谱仪，其特征在于，所述探测器单元的探测器位置可以独立调整到其所对应的波长谱线焦面上，或焦面附近。

4.根据权利要求1所述的一种测试水质的光纤光谱仪，其特征在于，所述的探测器单元的探测器面，或调节空间区域上对应于具有特征波长谱线的位置上放置挡板，捕获更高分辨率的特征波长谱线。

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