CN214472735U - 一种吸收光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种吸收光谱仪，包括外壳、设置在外壳内的光源、第一传感器、第二传感器、传输光纤、Y型光纤、光束耦合器、电路板和设置在外壳外侧的接口单元；外壳设置有凹部，凹部的两侧分别设置有窗口；光源连接Y型光纤，Y型光纤的输出端分成第一路和第二路，第一路为参考光路，参考光路内设置有密封超纯水的管体，管体的一端通过光束耦合器连接光源，管体的另一端通过光束耦合器和传输光纤连接第一传感器；第二路为探测光路，探测光路的光信号经过传输光纤和光束耦合器连接窗口，并由第二传感器接收探测。本实用新型提供的一种可在水下原位使用的吸收光谱仪，不仅有效排除了水的吸收和散射，而且排除折射率对于光学系统的影响。

Description

一种吸收光谱仪

技术领域

本实用新型属于光电传感器技术领域，具体而言，尤其涉及一种吸收光谱仪。

背景技术

水是生命之源,人类在生活和生产活动中都离不开水。然而，随着我国经济的高速发展和城市化进程的加快，暴露的水环境污染问题也日趋严重，水质或水体污染事件频发，凸显了我国水环境形势不容乐观。水质的优劣不仅与工农业生产安全和人类健康密切相关,而且还依赖于水质检测技术作保障，以此评判、预测和监测水质的优劣。

现有技术中，传统的仪器检测设备可以对水质参数进行检测，但一般只对单一参数进行测量。例如，水质COD、TOC、TURB和NO3-N等参数的检测，其通常需要COD分析仪，TOC分析仪，浊度计，NO3-N分析仪等设备进行单独测量，这不仅不利于数据的整合，而且还增加了检测成本。

现有技术中，水下原位吸收光谱仪采用空气作为参比介质，无法排除水的吸收和散射，而空气与水的折射率差异也可能导致光学系统测量误差，其次，气泡驻留在通光窗口影响测量结果，再者，光谱分辨率低，不可区分光谱吸收相近的不同成分，如硝酸盐-氮和亚硝酸盐-氮，再者，现有水下原位吸收光谱仪光谱范围不包含紫外光(190-400nm)，无法用于硝酸盐-氮、亚硝酸盐-氮、COD、TOC等多种水质生化要素的检测。

针对上述问题，研究出一种吸收光谱仪，能够解决上述问题成为本领域技术人员亟待解决的问题。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种吸收光谱仪，其能够解决前述技术问题中的至少一个。具体地，其技术方案如下：

一种吸收光谱仪，包括外壳、设置在所述外壳内的光源、第一传感器、第二传感器、传输光纤、Y型光纤、光束耦合器、电路板和设置在所述外壳外侧的接口单元；

所述接口单元连接所述电路板；

所述外壳设置有凹部，所述凹部的两侧分别设置有窗口，并容纳待检测样品；

所述光源通过所述光束耦合器连接所述Y型光纤，所述Y型光纤的输出端分成第一路和第二路，所述第一路为参考光路，所述参考光路内设置有密封超纯水的管体，所述管体的一端通过所述光束耦合器连接所述光源，所述管体的另一端通过所述光束耦合器和所述传输光纤连接所述第一传感器；

所述第二路为探测光路，所述探测光路的光信号经过所述传输光纤和所述光束耦合器连接所述凹部两侧的窗口，并由所述第二传感器接收探测。本实用新型的一种水下原位吸收光谱仪，参比介质为密封在管体的超纯水，相比于将空气作为参比介质，超纯水可以排除水的吸收和散射，也有效排除了折射率对于光学系统的影响。

在一个具体的实施例中，所述管体的两端分别设置有通光壁，两个所述通光壁之间为所述超纯水，所述超纯水的光学长度与所述凹部的长度相等。

在一个具体的实施例中，还包括凸台，所述凸台包括第一柱体和第二柱体，所述第一柱体和所述第二柱体同轴设置，并且所述第二柱体的直径小于所述第一柱体的直径，所述窗口设置有窗口槽，所述第二柱体设置在所述窗口槽中。窗口采用双特异型凸台的设计，可以有效防止气泡驻留在窗口影响测量结果。

在一个具体的实施例中，两个所述通光壁的厚度之和与两个所述凸台的厚度之和相等。

在一个具体的实施例中，还包括密封圈，所述密封圈围绕所述第二柱体设置。密封圈使得窗口的水密性得到保障。

在一个具体的实施例中，所述Y型光纤的输入端连接所述光源，所述Y型光纤的第一输出端通过所述光束耦合器连接所述管体的一端，所述Y型光纤的第二输出端通过所述光束耦合器连接靠近所述光源侧的所述凸台。

在一个具体的实施例中，还包括Y型光纤固定件，所述Y型光纤固定件用于固定所述Y型光纤。Y型光纤的分光节点在振动环境下其分光比由小幅的变化，影响了探测的准确性，因此，在Y型光纤的分光节点位置加以固定，减小外界的振动影响。

在一个具体的实施例中，还包括温度传感器，所述温度传感器靠近所述凹部设置。吸收光谱仪配备了温度传感器，为吸收光谱的温度矫正提供数据，将温度传感器靠近所述凹部设置，使得温度传感器可快速响应待测液体的温度。

在一个具体的实施例中，还包括一个或多个设置在所述外壳外侧的固定环，每个所述固定环上设置有多个安装座。安装安装座后可以在实验室内切换为桌面使用模式，方便实验人员进行试验。

在一个具体的实施例中，在所述凹部，还设置有用于安装比色皿的安装件。安装安装件后可以在实验室内切换为桌面使用模式，方便实验人员进行试验。

在一个具体的实施例中，所述壳体靠近所述凹部设置有多个螺纹孔。

本实用新型至少具有以下有益效果：

本实用新型提供的一种吸收光谱仪，不仅排除水的吸收和散射，还有效排除了折射率对于光学系统的影响。

进一步的，窗口采用双特异型凸台的设计，可以有效防止气泡驻留在窗口影响测量结果。

进一步的，窗口设置凸台的水密结构设计，不仅节省空间减小了整体尺寸而且保障了窗口的水密性。

进一步的，安装安装座和比色皿后可以在实验室内切换为桌面使用模式，方便实验人员进行试验。

进一步的，外壳的多个螺纹孔设计，方便操作人员快速拆卸外壳。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是实施例中吸收光谱仪的流程图；

图2是实施例中吸收光谱仪的剖视图；

图3是实施例中吸收光谱仪的管体图；

图4是实施例中吸收光谱仪中Y型光纤示意图；

图5是实施例中吸收光谱仪中凸台在窗口的细节图；

图6是实施例中吸收光谱仪中凸台在窗口的示意图；

图7是实施例中吸收光谱仪的凸台的安装示意图；

图8是实施例中吸收光谱仪中安装件、固定环及比色皿示意图；

图9是实施例中吸收光谱仪中的螺纹孔示意图。

主要元件符号说明：

1-外壳；2-第一传感器；3-第二传感器；4-电路板；5-通光壁；6-光源；7-管体；8-凹部；9-进液口；10-出液口；11-窗口；12-第一柱体；13-第二柱体；14-密封圈；15-凸台；16-温度传感器；17-传输光纤；18-Y型光纤；19-水密电缆接头；20-光束耦合器；21-Y型光纤固定件；22-结构件；23-固定环；24-安装座；25-安装件；26-比色皿；27-螺纹孔。

具体实施方式

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

吸收光谱仪主要由四大部分构成：光学系统、电气系统、机械系统和软件系统，其工作原理是电气系统通过时序控制光学系统获得含有水质生化要素信息的紫外可见吸收光谱，然后经过软件系统对光谱数据进行运算，得到紫外可见吸收光谱数据，和经过模型运算后的水质生化要素的浓度信息。机械系统保证仪器的光学系统稳定性、水密性、耐腐蚀性、防生物附着等。图1为一种吸收光谱仪的流程图。

光学系统包括光源6、传输光纤17、Y型光纤18及光束耦合器20。

电气系统包括温度传感器16，接口单元和电路板4。

机械系统包括外壳1、水下防生物附着机械刷。

如图2所示，一种吸收光谱仪，包括外壳1、设置在所述外壳1内的光源6、第一传感器2、第二传感器3、传输光纤17、电路板4和设置在所述外壳1外侧的接口单元。外壳1外部连接有水密电缆接头19。

具体地，接口单元连接电路板4，第一传感器2和第二传感器3连接电路板4，接口单元读取和处理第一传感器2和第二传感器3。经读取和处理后得到相关数据，以此评判、预测和监测水质的优劣。

具体地，外壳1设置有凹部8，凹部8的两侧分别设置有窗口11并容纳待检测样品。

光源6通过所述光束耦合器20连接所述Y型光纤18，所述Y型光纤18的输出端分成第一路和第二路，第一路为参考光路，参考光路内设置有密封超纯水的管体7，管体7的一端通过光束耦合器20连接光源6，管体7的另一端通过光束耦合器20和传输光纤17连接第一传感器2。

具体地，光源6应用小型化的脉冲氙灯模块作为光源6，光谱范围185-2000nm。采用脉冲氙灯，更省时省电。

具体地，管体7为石英管。石英管无色、透明，很适合作为密封超存水的管体7。石英管采用熔融石英，以完全覆盖波长探测范围。

第二路为探测光路，探测光路的光信号经过传输光纤17和光束耦合器20和连接凹部8两侧的窗口11，并由第二传感器3接收探测。

采用双光谱模块同时探测探测光路和参比光路的光谱信息，即同时采用第一光谱仪和第二光谱仪进行工作。进一步的，光谱探测范围为190-650nm，比现有技术覆盖的可见光谱段(400-700nm)长，可用于硝酸盐-氮、亚硝酸盐-氮、COD、TOC等多种水质生化要素的检测。进一步的，光谱分辨率为0.5nm，可区分光谱吸收相近的不同成分。

本实用新型提供的一种可在水下原位使用的吸收光谱仪，相比于将空气作为参比介质，参比介质为密封在管体7的超纯水，不仅有效排除了水的吸收和散射，而且排除折射率对于光学系统的影响。

如图3所示，A为超纯水的光学长度，B为管体7的直径，管体7的两端分别设置有通光壁5，两个通光壁5之间为超纯水，超纯水的光学长度与凹部8的长度相等。

超纯水使用注射器由进液口9注射入管体7，直至其从出液口10涌出。此时使用橡胶塞将进液口9和出液口10同时塞住，再使用紫外胶完整覆盖，最后使用紫外灯照射后固定。

如图5至图7所示，还包括凸台15，凸台15包括第一柱体12和第二柱体13，第一柱体12和第二柱体13同轴设置，并且第二柱体13的直径小于第一柱体12的直径，窗口11设置有窗口槽，第二柱体13设置在窗口槽中。窗口11采用双特异型凸台15的设计，可以有效防止气泡驻留在窗口11影响测量结果。

优选的，两个通光壁5的厚度之和与两个凸台15的厚度之和相等。

优选的，第二柱体13的直径与管体7的直径相同。

优选的，还包括密封圈14，密封圈14围绕第二柱体13设置。密封圈14使得窗口11的水密性得到保障。窗口设置凸台的水密结构设计，不仅节省空间减小了整体尺寸而且保障了窗口11的水密性。

优选的，如图4所示，还包括Y型光纤18和Y型光纤固定件21。Y型光纤固定件21与光源6设置在结构件22上。

其中，Y型光纤18的输入端连接光源6，Y型光纤18的第一输出端通过光束耦合器20连接管体7的一端，Y型光纤18的第二输出端通过光束耦合器20连接靠近光源6侧的凸台15。

在参考光路中，Y型光纤18的输入端连接光源6，Y型光纤18的第一输出端连接管体7的一端，管体7的另一端通过传输光纤17连接第一光谱仪。

在探测光路中，Y型光纤18的第二输出端连接靠近光源6侧的凸台15，远离光源6侧的窗口11通过光束耦合器20及传输光纤17连接第二光谱仪。

Y型光纤固定件21用于固定Y型光纤18。Y型光纤18的分光节点在振动环境下其分光比由小幅的变化，影响了探测的准确性，因此，在Y型光纤18的分光节点位置加以固定，减小外界的振动影响。

优选的，还包括温度传感器16，温度传感器16靠近凹部8设置。吸收光谱仪配备了温度传感器16，为吸收光谱的温度矫正提供数据，将温度传感器16靠近凹部8设置，使得温度传感器16可快速响应待测液体的温度。

如图8所示，优选的，还包括一个或多个设置在外壳1外侧的固定环23，每个固定环23上设置有多个安装座24，在凹部8，还设置有用于安装比色皿26的安装件25。安装安装座24和比色皿26后可以在实验室内切换为桌面使用模式，方便实验人员进行试验。

优选的，管体7为石英管。石英管无色、透明，很适合作为密封超存水的管体7，以完全覆盖波长探测范围。

优选的，还包括水下防生物附着机械刷，水下防生物附着机械刷设置在凹部8。水下防生物附着机械刷能够防止由于生物附着致使探测光路部分被遮挡，采用水下防生物附着机械刷，定时对窗口11进行清洁，延长水下工作时间。

如图9所示，外壳1靠近凹部设置有多个螺纹孔27。多个螺纹孔27的设置，方便操作人员快速拆卸外壳1，以便对外壳1内部的零件进行更换。

本实施例的水下原位吸收光谱仪采用空气作为参比介质，排除了水的吸收和散射，窗口采用双特异型凸台的设计，可以有效防止气泡驻留在窗口影响测量结果。本实施例的水下原位吸收光谱仪可用于硝酸盐-氮、亚硝酸盐-氮、COD、TOC等多种水质生化要素的检测。

本发明通过了国家海洋标准计量中心的第三方检测，并通过了国家科技部组织的海上试验验收，拿到满分。共完成了4次海上试验，累计水下原位工作时间超过150天，均完成了水质生化要素的紫外可见吸收光谱检测。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。

本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本实用新型序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施场景，但是，本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (11)

1.一种吸收光谱仪，其特征在于，包括外壳、设置在所述外壳内的光源、第一传感器、第二传感器、传输光纤、Y型光纤、光束耦合器、电路板和设置在所述外壳外侧的接口单元；

所述接口单元连接所述电路板；

所述外壳设置有凹部，所述凹部的两侧分别设置有窗口，并容纳待检测样品；

所述光源通过所述光束耦合器连接所述Y型光纤，所述Y型光纤的输出端分成第一路和第二路，所述第一路为参考光路，所述参考光路内设置有密封超纯水的管体，所述管体的一端通过所述光束耦合器连接所述光源，所述管体的另一端通过所述光束耦合器和所述传输光纤连接所述第一传感器；

所述第二路为探测光路，所述探测光路的光信号经过所述传输光纤和所述光束耦合器连接所述凹部两侧的窗口，并由所述第二传感器接收探测。

2.根据权利要求1所述的一种吸收光谱仪，其特征在于，所述管体的两端分别设置有通光壁，两个所述通光壁之间为所述超纯水，所述超纯水的光学长度与所述凹部的长度相等。

3.根据权利要求2所述的一种吸收光谱仪，其特征在于，还包括凸台，所述凸台包括第一柱体和第二柱体，所述第一柱体和所述第二柱体同轴设置，并且所述第二柱体的直径小于所述第一柱体的直径，所述窗口设置有窗口槽，所述第二柱体设置在所述窗口槽中。

4.根据权利要求3所述的一种吸收光谱仪，其特征在于，两个所述通光壁的厚度之和与两个所述凸台的厚度之和相等。

5.根据权利要求3所述的一种吸收光谱仪，其特征在于，还包括密封圈，所述密封圈围绕所述第二柱体设置。

6.根据权利要求3所述的一种吸收光谱仪，其特征在于，所述Y型光纤的输入端连接所述光源，所述Y型光纤的第一输出端通过所述光束耦合器连接所述管体的一端，所述Y型光纤的第二输出端通过所述光束耦合器连接靠近所述光源侧的所述凸台。

7.根据权利要求1所述的一种吸收光谱仪，其特征在于，还包括Y型光纤固定件，所述Y型光纤固定件用于固定所述Y型光纤。

8.根据权利要求1所述的一种吸收光谱仪，其特征在于，还包括温度传感器，所述温度传感器靠近所述凹部设置。

9.根据权利要求1所述的一种吸收光谱仪，其特征在于，还包括一个或多个设置在所述外壳外侧的固定环，每个所述固定环上设置有多个安装座。

10.根据权利要求1所述的一种吸收光谱仪，其特征在于，在所述凹部，还设置有用于安装比色皿的安装件。

11.根据权利要求1所述的一种吸收光谱仪，其特征在于，所述外壳靠近所述凹部设置有多个螺纹孔。

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