CN218584655U - 一种红外水分测定仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光学测量领域，公开了一种近红外水分测定仪，包括光源、滤光盘、整合透镜组、分光透镜组、凹面聚焦镜、测量室、第一传感器和第二传感器，所述整合透镜组包括平凹反射镜、第一双凸透镜、第二双凸透镜、第三双凸透镜，所述平凹反射镜、光源、第一双凸透镜、第二双凸透镜、第三双凸透镜依次排列固定，所述平凹反射镜的反射面朝向光源，所述光源位于第一双凸透镜的焦点位置，所述第二双凸透镜和第三双凸透镜的焦点位置重合，所述第三双凸透镜用于输出平行光线，本实用新型中，通过整合透镜组中平凹反射镜的设置，能够提高灯源的能量利用率，使得光源的光线能够得到充分的利用。

Description

一种红外水分测定仪

技术领域

本实用新型涉及光学测量领域，特别是一种近红外水分测定仪。

背景技术

水分是物质不可或缺的重要组成成分，其含量影响着物质的物理化学性质，是物质组分的一个重要指标。在造纸、烟草、玻璃、煤炭等各项工业领域中，物质的水分含量影响着产品的生产过程和最终质量。因此，各项生产过程中要求对含水率进行检测，并将其控制在一定范围内。目前，物质含水率的定量检测与分析已经成为各种生产过程中的一个常规检测项目。因此，如何快速准确的检测水分含量已经成为过程量检测的重要课题。

水分测量的方法众多，主要包括干燥法、卡尔·费休法、电容法、电导法、微波法、中子法、近红外法等，在众多的检测方法中，近红外法有其独特的优点，且技术也较为成熟，基于红外法的检测仪器已应用广泛。红外法具有响应速度快，测量精度高的优点，可以对物料进行实时、在线、连续、非接触的测量，并且没有放射性危害，标定简单，维护方便。这些特点适合许多工业领域，使得近红外水分仪能够广泛的应用于各种工业控制系统及生产线当中。因此，研制高质量近红外水分仪是一项重要工作。目前用近红外方法简单快速地测量物体的含水率成为一个重要课题。由于造纸、茶叶、烟草等含水率较低且不能破坏，测量比较麻烦。

目前我国使用的近红外水分仪光能利用效率低，且测量光斑较小，不能对含水量较低的样品测量，灵敏度较低，因此测量结果较为不准确。

实用新型内容

为此，需要提供一种红外水分测定仪，解决现有近红外水分仪光能利用效率低，且测量光斑较小，不能对含水量较低的样品测量，灵敏度较低等问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种红外水分测定仪，包括光源、滤光盘、整合透镜组、分光透镜组、凹面聚焦镜、测量室、第一传感器和第二传感器，所述整合透镜组包括平凹反射镜、第一双凸透镜、第二双凸透镜、第三双凸透镜，所述平凹反射镜、光源、第一双凸透镜、第二双凸透镜、第三双凸透镜依次排列固定，所述平凹反射镜的反射面朝向光源，所述光源位于第一双凸透镜的焦点位置，所述第二双凸透镜和第三双凸透镜的焦点位置重合，所述第三双凸透镜用于输出平行光线，所述滤光盘位于整合透镜组和分光透镜组之间，所述滤光盘上设有滤光片，所述滤光片用于将所述整合透镜组输出的平行光线过滤得到特定波段的平行光线，所述分光透镜组用于将特定波段的平行光线分为透射光线和反射光线，所述第一传感器用于接收透射光线，所述反射光线经过测量室后漫射到凹面聚焦镜上，所述第二传感器用于接收凹面聚焦镜反射的光线。

进一步，所述分光透镜组包括第四双凸透镜、分光镜和第五双凸透镜，所述第四双凸透镜位于滤光盘和分光镜之间，所述分光镜到第四双凸透镜的距离大于第四双凸透镜的两倍焦距，所述分光镜的分光面与第四双凸透镜的光轴的夹角为45°，所述分光镜的中央设有透光孔，经过第四双凸透镜的光线通过透光孔和分光镜反射分成透射光线和反射光线，所述第一传感器位于分光镜的侧面，所述第一传感器位于透射光线的光路上，所述第五双凸透镜位于分光镜的反射光线的光路上，所述分光镜位于第五双凸透镜的焦点位置。

第四双凸透镜对经过滤光盘的滤光作用的光线进行聚散和发光，由于所述分光镜到第四双凸透镜的距离大于第四双凸透镜的两倍焦距，第四双凸透镜起到增大光斑的作用，使光线发散打到分光镜，提高灵敏度，第一传感器采集透射光线的光信号，成为内参考光，测量时通过内外光路双结合，有效提高测量的准确性。分光镜中央单一的透光孔相比于中心开多重微孔，加工成本更低，第五双凸透镜对分光镜的反射光路进行准直后照射到测量室上。

进一步，所述测量室位于分光透镜组的下方，所述凹面聚焦镜位于分光透镜组的上方，所述凹面聚焦镜的反射面朝向测量室，所述测量室对第五双凸透镜准直后的平行光线进行漫射，所述凹面聚焦镜的反射面用于接受测量室的漫射光线，所述第二传感器位于凹面聚焦镜的反射光线的焦点位置

第二传感器用于接受经过测量室样品吸收漫射后的光线，测得漫射强度，从而与第一传感器所得到的光线强度，共同计算测量室样品的水分。

进一步，还包括有高速电机，所述滤光盘与高速电机的输出轴连接，所述滤光盘上周向设有多个滤光片，所述整合透镜组输出的平行光线经过多个滤光片所在的圆周位置。

高速电机带动滤光盘高速转动，多个滤光片呈圆周运动，多个滤光片能够过滤得到不同波长的光，多种不同波长光同时测定样品水分含量，多个光联合测定，之后取平均值有助于提高水分测量的精确度。

进一步，所述滤光盘上设有四个所述滤光片，分别为见光滤光片、1.81μm滤光片、1.92μm滤光片和2.1μm滤光片。

光源的光经过滤光盘后得到三个特定波段的光与可见光，通过高转速电机控制采样频率，单位时间内采集的数据越多，计算结果越准确。

进一步，所述第一传感器和第二传感器均包括近红外滤光片、探测器和散热器，所述散热器上设有入光口，所述探测器设置在散热器内，所述近红外滤光片拦截设置在入光口。

红外滤光片可以很好地减少环境光对测量结果的影响，散热器可以很好的为探测器降温，使得结果更加稳定，更加准确。

进一步，所述光源为卤钨灯。

进一步，还包括有第一遮光筒和第二遮光筒，第一遮光筒水平设置，所述光源和整合透镜组位于第一遮光筒内，所述第一遮光筒朝向滤光盘设有第一透光孔，所述第二遮光筒竖直设置，所述第二遮光筒相对的两侧面分别设有第二透光孔和第三透光孔，所述第二透光孔朝向滤光盘，所述第一传感器固定在第三透光孔上，所述第二遮光筒的中心固定有固定筒，所述固定筒朝向第二透光孔和第三透光孔的侧面分别设有开口，所述固定筒与第二遮光筒的内侧面相固定，所述分光透镜组的分光镜固定在固定筒内，所述第五双凸透镜固定在固定筒底部，所述测量室可拆卸设置在第二遮光筒底部，所述凹面聚焦镜固定在第二遮光筒的顶部，所述第二传感器固定在固定筒的顶部，所述第二透光孔的内侧面设有直线通道，所述第四双凸透镜固定在直线通道内。

测量室可拆卸设置方便测量样品的添加更换，第一遮光筒和第二遮光筒结构的设计用于测定仪中各个部件的固定。

进一步，所述第二遮光筒的底部设有透光板，所述透光板位于第五双凸透镜和测量室之间。透光板隔绝第五双凸透镜和测量室，避免样品污染透镜。

进一步，还包括有封闭壳体，所述滤光盘、第一遮光筒和第二遮光筒固定在封闭壳体内，所述第二遮光筒的底部凸出封闭壳体的底面。封闭壳体用于隔绝外部光线。

技术方案具有以下有益效果：

本实用新型中，光源的光线在经过滤光盘滤光作用前，通过整合透镜组对光线进行整合，其中平凹反射镜能够将光源另一侧的光线也反射到第一双凸透镜上，使得光源的光线能够得到充分的利用，进而提高灯源的能量利用率，并提高光线光强，有利于光线穿过滤光盘，第一传感器和第二传感器接收到的光线强度经过计算后可以精准得到测量室内样片的含水量。

附图说明

图1为具体实施方式所述红外水分测定仪的内部结构。

图2为具体实施方式所述第一遮光筒、滤光盘和第二遮光筒的组合结构。

图3为具体实施方式所述红外水分测定仪的内部剖面结构。

图4为具体实施方式所述整合透镜组的光路。

图5为具体实施方式所述分光透镜组的光路。

图6为具体实施方式所述凹面聚焦镜的光路。

图7为具体实施方式所述滤光盘的结构。

图8为具体实施方式所述传感器的结构。

附图标记说明：

1、封闭壳体；2、第一遮光筒；21、第一透光孔；3、第二遮光筒；31、第二透光孔；32、第三透光孔；33、固定筒；34、开口；35、直线通道；36、透光板；4、光源；5、整合透镜组；51、平凹反射镜；52、第一双凸透镜；53、第二双凸透镜；54、第三双凸透镜；

6、滤光盘；61、滤光片；62、高速电机；

7、分光透镜组；71、第四双凸透镜；72、分光镜；721、透光孔；73、第五双凸透镜；74、透射光线；75、反射光线；76、第一传感器；77、第二传感器；

8、凹面聚焦镜；9、测量室；

10、近红外滤光片；20、探测器；30、散热器。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1-8，本实施例提供一种红外水分测定仪，包括封闭壳体1、第一遮光筒2、第二遮光筒3、光源4、滤光盘6、整合透镜组5、分光透镜组7、凹面聚焦镜8、测量室9、第一传感器76和第二传感器77。

滤光盘6、第一遮光筒2和第二遮光筒3固定在封闭壳体1内，第一遮光筒2水平设置，第二遮光筒3竖直设置，第二遮光筒3的底部凸出封闭壳体1的底面，测量室9于第二遮光筒3的底部可材料连接。封闭壳体1用于隔绝外部光线，封闭壳体1上还可以设有固定架，固定架方便整个仪器的固定。

光源4和整合透镜组5位于第一遮光筒2内，第一遮光筒2朝向滤光盘6设有第一透光孔21。

整合透镜组5包括平凹反射镜51、第一双凸透镜52、第二双凸透镜53、第三双凸透镜54，平凹反射镜51、光源4、第一双凸透镜52、第二双凸透镜53、第三双凸透镜54依次排列固定，平凹反射镜51的反射面朝向光源4，光源4位于第一双凸透镜52的焦点位置，第二双凸透镜53和第三双凸透镜54的焦点位置重合，第三双凸透镜54用于输出平行光线，平行光线通过第一透光孔21射向滤光盘6。

本实施例中，光源4为卤钨灯。光源4输出波段范围从350-2500nm，从可见到红外，几乎涵盖了整个光谱。为测量提供了稳定连续的输出光源4，使得测量数据更加的准确、可靠。

滤光盘6位于整合透镜组5和分光透镜组7之间，滤光盘6上设有滤光片61，滤光片61用于将整合透镜组5输出的平行光线过滤得到特定波段的平行光线。

本实施例中，滤光盘6的中心连接与一高速电机62的输出轴，滤光盘6上周向设有多个滤光片61，整合透镜组5输出的平行光线经过多个滤光片61所在的圆周位置。

高速电机62带动滤光盘6高速转动，多个滤光片61呈圆周运动，多个滤光片61能够过滤得到不同波长的光，多种不同波长光同时测定样品水分含量，多个光联合测定，有助于获得多个数据，之后经过计算后取平均值有助于提高水分测量的精确度。

本实施例中，滤光盘6上设有四个滤光片61，分别为见光滤光片61、1.81μm滤光片61、1.92μm滤光片61和2.1μm滤光片61。

光源4的光经过滤光盘6后得到三个特定波段的光与可见光，通过高转速电机控制采样频率，单位时间内采集的数据越多，计算结果越准确。

在封闭壳体1内还可以设有电路板，高速电机62和光源4均与电路板连接。电路板用于控制高速电机62的转速和光源4的启闭。

第二遮光筒3相对的两侧面分别设有第二透光孔31和第三透光孔32，第二透光孔31朝向滤光盘6，第一传感器76固定在第三透光孔32上，、第二传感器77、分光透镜组7、凹面聚焦镜8固定在第二遮光筒3内。

分光透镜组7用于将特定波段的平行光线分为透射光线74和反射光线75，第一传感器76用于接收透射光线74，反射光线75经过测量室9后漫射到凹面聚焦镜8上，第二传感器77用于接收凹面聚焦镜8反射的光线。

分光透镜组7包括第四双凸透镜71、分光镜72和第五双凸透镜73，第四双凸透镜71位于滤光盘6和分光镜72之间，分光镜72到第四双凸透镜71的距离大于第四双凸透镜71的两倍焦距，分光镜72的分光面与第四双凸透镜71的光轴的夹角为45°，分光镜72用于将经过第四双凸透镜71的光线分成透射光线74和反射光线75，具体的，分光镜72的中央设有透光孔721，经过第四双凸透镜71的光线通过透光孔721和分光镜72反射分成透射光线74和反射光线75，第一传感器76位于分光镜72的侧面，第一传感器76位于透射光线74的光路上，第五双凸透镜73位于分光镜72的反射光线75的光路上，分光镜72位于第五双凸透镜73的焦点位置。

第四双凸透镜71对经过滤光盘6的滤光作用的光线进行聚散和发光，由于分光镜72到第四双凸透镜71的距离大于第四双凸透镜71的两倍焦距，第四双凸透镜71起到增大光斑的作用，使光线发散打到分光镜72，提高灵敏度，第一传感器76采集透射光线74的光信号，成为内参考光，测量时通过内外光路双结合，有效提高测量的准确性。分光镜72中央单一的透光孔721相比于中心开多重微孔，加工成本更低，。第五双凸透镜73对分光镜72的反射光路进行准直后照射到测量室9上。

在第二竖直筒内，测量室9位于分光透镜组7的下方。凹面聚焦镜8位于分光透镜组7的上方，凹面聚焦镜8的反射面朝向测量室9，测量室9对第五双凸透镜73准直后的平行光线进行漫射，凹面聚焦镜8的反射面用于接受测量室9的漫射光线，第二传感器77位于凹面聚焦镜8的反射光线75的焦点位置。第二传感器77用于接受经过测量室9样品吸收漫射后的光线，测得漫射强度，从而与第一传感器76所得到的光线强度，共同计算测量室9样品的水分。

本实施例中，第二遮光筒3的中心固定有固定筒33，固定筒33朝向第二透光孔31和第三透光孔32的侧面分别设有开口34，固定筒33与第二遮光筒3的内侧面相固定，分光透镜组7的分光镜72固定在固定筒33内，第五双凸透镜73固定在固定筒33底部，测量室9可拆卸设置在第二遮光筒3底部，凹面聚焦镜8固定在第二遮光筒3的顶部，第二传感器77固定在固定筒33的顶部，第二透光孔31的内侧面设有直线通道35，第四双凸透镜71固定在直线通道35内。

测量室9可拆卸设置方便测量样品的添加更换，第一遮光筒2和第二遮光筒3结构的设计用于测定仪中各个部件的固定。第二遮光筒3的底部设有透光板36，透光板36位于第五双凸透镜73和测量室9之间。透光板36隔绝第五双凸透镜73和测量室9，避免样品污染透镜。

第一传感器76和第二传感器77均包括近红外滤光片10、探测器20和散热器30，散热器30上设有入光口，探测器20设置在散热器30内，近红外滤光片10拦截设置在入光口。

近红外滤光片10可以很好地减少环境光对测量结果的影响，散热器30可以很好的为探测器20降温，使得结果更加稳定，更加准确。

本实用新型使用时：

卤钨灯光源4开启，光线在第一遮光筒2内通过第一双凸透镜52、第二双凸透镜53和第三双凸透镜54，平凹反射镜51将另一侧的光线反射通过第一双凸透镜52上，使得光源4的光线能够得到充分的利用，进而提高灯源的能量利用率，加强光强，使光线更容易透过滤光盘6，由于第二双凸透镜53和第三双凸透镜54的焦点位置重合，光线经过第三双凸透镜54后为平行光线，平行线通过第一透光孔21后照射到滤光盘6，滤光盘6上的滤光片61能够将该平行光线过滤成特定波长的光线，之后过滤的光线通过第二透孔进入到直线通道35内，之后经过第四双凸透镜71照射到分光镜72上，且由于分光镜72到第四双凸透镜71的距离大于第四双凸透镜71的两倍焦距，光线经过第四双凸透镜71后，起到放大光斑的作用，测量光斑的变大，有助于测定仪灵敏度的提高，分光镜72的透射光线74照射到第一传感器76上，而反射光线75经过第五双凸透镜73准直后，照射到测量室9的样品上，光线经过测量室9样品的漫反射，光线被凹面聚焦镜8接收并聚焦反射到第二传感器77上。根据第一传感器76和第二传感器77接收到的光线强度数值经过计算后可以精准得到测量室9内样片的含水量。收集到的数据可以连接到计算机上进行快速计算，计算结果取平均值，所得到的数据越多，结果越准确。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利保护范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种红外水分测定仪，其特征在于，包括光源、滤光盘、整合透镜组、分光透镜组、凹面聚焦镜、测量室、第一传感器和第二传感器，

所述整合透镜组包括平凹反射镜、第一双凸透镜、第二双凸透镜、第三双凸透镜，所述平凹反射镜、光源、第一双凸透镜、第二双凸透镜、第三双凸透镜依次排列固定，所述平凹反射镜的反射面朝向光源，所述光源位于第一双凸透镜的焦点位置，所述第二双凸透镜和第三双凸透镜的焦点位置重合，所述第三双凸透镜用于输出平行光线，

所述滤光盘位于整合透镜组和分光透镜组之间，所述滤光盘上设有滤光片，所述滤光片用于将所述整合透镜组输出的平行光线过滤得到特定波段的平行光线，所述分光透镜组用于将特定波段的平行光线分为透射光线和反射光线，所述第一传感器用于接收透射光线，所述反射光线经过测量室后漫射到凹面聚焦镜上，所述第二传感器用于接收凹面聚焦镜反射的光线。

2.如权利要求1所述的红外水分测定仪，其特征在于，所述分光透镜组包括第四双凸透镜、分光镜和第五双凸透镜，所述第四双凸透镜位于滤光盘和分光镜之间，所述分光镜到第四双凸透镜的距离大于第四双凸透镜的两倍焦距，所述分光镜的分光面与第四双凸透镜的光轴的夹角为45°，所述分光镜的中央设有透光孔，经过第四双凸透镜的光线通过透光孔和分光镜反射分成透射光线和反射光线，所述第一传感器位于分光镜的侧面，所述第一传感器位于透射光线的光路上，所述第五双凸透镜位于分光镜的反射光线的光路上，所述分光镜位于第五双凸透镜的焦点位置。

3.如权利要求2所述的红外水分测定仪，其特征在于，所述测量室位于分光透镜组的下方，所述凹面聚焦镜位于分光透镜组的上方，所述凹面聚焦镜的反射面朝向测量室，所述测量室对第五双凸透镜准直后的平行光线进行漫射，所述凹面聚焦镜的反射面用于接受测量室的漫射光线，所述第二传感器位于凹面聚焦镜的反射光线的焦点位置。

4.如权利要求1所述的红外水分测定仪，其特征在于，还包括有高速电机，所述滤光盘与高速电机的输出轴连接，所述滤光盘上周向设有多个滤光片，所述整合透镜组输出的平行光线经过多个滤光片所在的圆周位置。

5.如权利要求4所述的红外水分测定仪，其特征在于，所述滤光盘上设有四个所述滤光片，分别为见光滤光片、1.81μm滤光片、1.92μm滤光片和2.1μm滤光片。

6.如权利要求1所述的红外水分测定仪，其特征在于，所述第一传感器和第二传感器均包括近红外滤光片、探测器和散热器，所述散热器上设有入光口，所述探测器设置在散热器内，所述近红外滤光片拦截设置在入光口。

7.如权利要求1所述的红外水分测定仪，其特征在于，所述光源为卤钨灯。

8.如权利要求2所述的红外水分测定仪，其特征在于，还包括有第一遮光筒和第二遮光筒，第一遮光筒水平设置，所述光源和整合透镜组位于第一遮光筒内，所述第一遮光筒朝向滤光盘设有第一透光孔，

所述第二遮光筒竖直设置，所述第二遮光筒相对的两侧面分别设有第二透光孔和第三透光孔，所述第二透光孔朝向滤光盘，所述第一传感器固定在第三透光孔上，所述第二遮光筒的中心固定有固定筒，所述固定筒朝向第二透光孔和第三透光孔的侧面分别设有开口，所述固定筒与第二遮光筒的内侧面相固定，所述分光透镜组的分光镜固定在固定筒内，所述第五双凸透镜固定在固定筒底部，所述测量室可拆卸设置在第二遮光筒底部，所述凹面聚焦镜固定在第二遮光筒的顶部，所述第二传感器固定在固定筒的顶部，所述第二透光孔的内侧面设有直线通道，所述第四双凸透镜固定在直线通道内。

9.如权利要求8所述的红外水分测定仪，其特征在于，所述第二遮光筒的底部设有透光板，所述透光板位于第五双凸透镜和测量室之间。

10.如权利要求8所述的红外水分测定仪，其特征在于，还包括有封闭壳体，所述滤光盘、第一遮光筒和第二遮光筒固定在封闭壳体内，所述第二遮光筒的底部凸出封闭壳体的底面。

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