專利名稱：光纖傳輸光電直讀光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光譜儀器。
現(xiàn)有的光電直讀光譜儀可分為單道和多道兩種。在單道光電直讀光譜儀中，待測(cè)元素的選擇或確定是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)色散系統(tǒng)的光柵使元素所對(duì)應(yīng)的譜線處于某一固定位置并測(cè)量出譜線的強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，它需要精密的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)。即使這樣，也還存在著波長(zhǎng)重復(fù)性及波長(zhǎng)精度問(wèn)題，因此其測(cè)量精度不高。在多道光電直讀光譜儀中，采用的是所有譜線同時(shí)測(cè)量的方式，無(wú)需轉(zhuǎn)動(dòng)光柵，因而不存在波長(zhǎng)重復(fù)性問(wèn)題，但它對(duì)每一條譜線都需要有一套對(duì)應(yīng)的接收系統(tǒng)。隨著被測(cè)元素的增加，體積和成本急劇上升，因而這種儀器只是在大型企業(yè)及省級(jí)分析部門才有條件使用。
本發(fā)明是為克服上述缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)出一種新型的光電直讀光譜儀。既能克服單道中光柵轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的缺點(diǎn)又能免除多道中需要眾多接收器的麻煩。
本發(fā)明的技術(shù)方案是采用與可分析元素的種類相同路數(shù)的光纖，其輸入端的位置按已知元素的譜線在譜面上所對(duì)應(yīng)的位置進(jìn)行排列，使其分別將色散系統(tǒng)譜面上的每一條譜線傳輸?shù)酵粋€(gè)接收器并利用快門控制譜線的曝光時(shí)間，最后用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理得到每一條譜線的強(qiáng)度，從而確定所對(duì)應(yīng)的元素及其含量。
下面結(jié)合


本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明分為光纖傳輸單道直讀與多道直讀兩種光譜儀，但其結(jié)構(gòu)大同小異。這兩種光譜儀的主要結(jié)構(gòu)均由色散系統(tǒng)〔圖1虛框A〕，譜線探測(cè)系統(tǒng)〔虛框B〕和信號(hào)放大與處理系統(tǒng)〔虛框M〕所組成。色散系統(tǒng)采用多色儀結(jié)構(gòu)，主要由快門〔A2〕，聚焦透鏡〔A3〕，反射鏡〔A5〕和光柵〔A6〕所組成，而光柵〔A6〕是固定不動(dòng)的，它將來(lái)自被測(cè)物質(zhì)的光〔A1〕色散后在譜面〔E〕上給出按波長(zhǎng)排列并與被測(cè)物質(zhì)所含的元素一一對(duì)應(yīng)的光譜線。譜線探測(cè)系統(tǒng)主要由出射狹縫〔B1-1，B1-2，…，B1-N〕，帶有入射端〔B2-1，B2-2，…，B2-N〕和出射端〔B3〕的光纖，投影物鏡〔B4〕，光電接收器〔B5〕及其電源〔B6〕所組成。其中出射狹縫位于色散系統(tǒng)給出的譜面〔E〕上與被分析元素的各條譜線相對(duì)應(yīng);光纖入射端的形狀及位置與出射狹縫一一對(duì)應(yīng)，通過(guò)光纖將狹縫的出射光分別傳輸?shù)酵队拔镧R〔B4〕再被投影到光電接收器〔B5〕上，其輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大與處理系統(tǒng)中的電路〔M1〕放大、采樣、保持及A/D變換后送入計(jì)算機(jī)〔M2〕進(jìn)行處理。操作者通過(guò)該計(jì)算機(jī)的鍵盤輸入一些必要的參數(shù)(如待測(cè)元素和曝光時(shí)間等)，則快門控制系統(tǒng)〔M3〕即控制快門使其工作，最終的測(cè)量結(jié)果可顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上也可以由打印機(jī)打印出來(lái)。然而，本發(fā)明中的單道與多道直讀光譜儀的結(jié)構(gòu)是稍有差別的。其主要差別在于接收器的種類和快門所放的位置不相同。在光纖傳輸多道光電直讀光譜儀中，接收器〔B5〕為多道光電接收器(例如增強(qiáng)型二極管列陣和增強(qiáng)型CCD器件等)并利用色散系統(tǒng)的快門〔A2〕控制所有譜線的曝光時(shí)間，此時(shí)各路光纖的出射端集合成與多道光電接收器的光敏面相適應(yīng)的形狀。對(duì)于光纖傳輸單道直讀光譜儀而言，光電接收器〔B5〕為單道接收器(例如光電倍增管等)并且在出射狹縫〔B1-1，B1-2，…，B1-N〕之前或之后，或在投影物鏡〔B4〕之前或之后增設(shè)快門〔圖2中B0-1，B0-2，…，B0-N或圖3與圖4中B0〕，測(cè)量時(shí)利用計(jì)算機(jī)控制以時(shí)分法開(kāi)通各個(gè)譜線的通道使光電接收器〔B5〕依次接收譜面〔E〕上的譜線或者按照需要開(kāi)通某一條譜線的傳輸通道而關(guān)閉其余所有譜線的傳輸通道時(shí)，就構(gòu)成了單道光電直讀光譜儀，此時(shí)快門的開(kāi)啟時(shí)間就是光譜信號(hào)在光電接收器上的曝光時(shí)間。這種快門的形狀和工作方式系按照與之相配的光纖端的形狀而定，如圖2是快門增設(shè)在出射狹縫之前的結(jié)構(gòu)，此時(shí)光纖輸入端排列成為與之相配的狹縫形狀，所以采用分立的與狹縫相匹配的快門〔圖2中B0-1，B0-2，…，B0-N〕，也可以采用狹縫沿著譜面移動(dòng)式快門;圖3與圖4是快門增設(shè)在光纖輸出端之后的結(jié)構(gòu)。圖3中各路光纖的輸出端〔B3〕集合在一條直線上，所以采用單孔或狹縫移動(dòng)式快門〔B0〕。圖4中各路光纖的輸出端〔B3〕集合在一個(gè)圓周上，所以采用帶有單孔或開(kāi)口圍繞該圓周中心轉(zhuǎn)動(dòng)式快門〔B0〕。還有，本發(fā)明中的單道直讀光譜儀，有時(shí)可省去投影物鏡〔B4〕而使光纖的輸出端與光電接收器直接耦合。
本發(fā)明有以下四個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)(1)單道與多道光電直讀光譜儀具有通用的基本結(jié)構(gòu);(2)制成單道直讀光譜儀時(shí)，由于采用光纖分別將每一條譜線傳輸?shù)焦怆娊邮掌?，所以色散系統(tǒng)的光柵是固定不動(dòng)的，因此每次測(cè)量的波長(zhǎng)重復(fù)性極好，光路和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好;(3)制成多道直讀光譜儀時(shí)，大大地簡(jiǎn)化了接收系統(tǒng)，因而體積小、成本低，而且體積與成本均不隨被測(cè)元素的種類增加而增加;(4)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，測(cè)量速度快時(shí)間短。
下面對(duì)于附圖進(jìn)行說(shuō)明。附圖1為本發(fā)明中的多道直讀光譜儀結(jié)構(gòu)。被分析的物質(zhì)被激發(fā)產(chǎn)生的光〔A1〕通過(guò)快門〔A2〕，透鏡〔A3〕，入射狹縫〔A4〕和反射鏡〔A5〕到達(dá)光柵〔A6〕，并被分解成物質(zhì)中所含元素對(duì)應(yīng)的各種波長(zhǎng)排列在譜面〔E〕上，通過(guò)出射狹縫〔B1-1，B1-2，…，B1-N〕及光纖傳輸至投影物鏡〔B4〕，再被投影到光電接收器〔B5〕的光敏面上。在光敏面上的曝光時(shí)間由快門〔A2〕進(jìn)行控制。接收器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送入放大、采樣和A/D變換電路〔M1〕，最后由計(jì)算機(jī)〔M2〕進(jìn)行處理給出被測(cè)元素光譜的光強(qiáng)度或者含量。快門〔A2〕是由計(jì)算機(jī)〔M2〕通過(guò)快門控制系統(tǒng)〔M3〕進(jìn)行控制的。
附圖2、3、4是本發(fā)明中的光纖傳輸單道光電直讀光譜儀的結(jié)構(gòu)。圖2是在出射狹縫〔B1-1，B1-2，…，B1-N〕之前配置快門〔B0-1，B0-2，…，B0-N〕的結(jié)構(gòu)。測(cè)量時(shí)，由計(jì)算機(jī)〔圖1中M2〕控制快門系統(tǒng)〔M3〕使快門按照所要求的時(shí)間進(jìn)行工作。圖3與圖4是在投影物鏡〔B4〕之后配置快門〔B0〕的結(jié)構(gòu)。圖3中光纖的輸出端〔B3〕集合在一條直線上，所以采用一個(gè)帶孔的板作為快門〔B0〕，由快門控制系統(tǒng)〔M3〕進(jìn)行控制，使其沿著該直線移動(dòng)來(lái)選擇不同譜線進(jìn)行曝光。圖4中光纖的輸出端〔B3〕集合在一個(gè)圓周上，所以采用一個(gè)帶孔的圓盤作為快門〔B0〕，由快門控制系統(tǒng)〔M3〕進(jìn)行控制，使其繞著該圓周的中心轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)選擇不同的譜線進(jìn)行曝光。
本發(fā)明的最佳實(shí)施例是色散系統(tǒng)的光柵〔A6〕采用凹面復(fù)制光柵單道時(shí)，采用光電倍增管作為單道光電接收器。光纖的輸出端集合在一個(gè)圓周上〔圖4〕采用一個(gè)帶孔的圓盤作為快門使其繞著該圓周的中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)達(dá)到選擇譜線曝光的目的。多道時(shí)，采用增強(qiáng)型光敏二極管列陣作為光電接收器。
權(quán)利要求
1.一種光纖傳輸光電直讀光譜儀，主要由快門[A2]、聚焦透鏡[A3]、入射狹縫[A4]、反射鏡[A5]和光柵[A6]所組成的色散系統(tǒng)[A]，出射狹縫[B1-1，B1-2，…，B1-N]、帶有入射端[B2-1，B2-2，…，B2-N]和出射端[B3]的多路光纖、投影物鏡[B4]、光電接收器[B5]及其電源[B6]所組成的譜線探測(cè)系統(tǒng)[B]和信號(hào)放大、采樣、A/D變換電路[M1]、計(jì)算機(jī)[M2]及快門控制系統(tǒng)[M3]所組成的信號(hào)放大與處理系統(tǒng)[M]所組成，其特征在于色散系統(tǒng)的光柵[A6]是固定不動(dòng)的；出射狹縫[B1-1，B1-2，…，B1-N]位于譜面[E]上與被分析元素的各條譜線相對(duì)應(yīng)；光纖入射端[B2-1，B2-2，…，B2-N]的形狀及位置與出射狹縫[B1-1，B1-2，…，B1-N]一一對(duì)應(yīng)，這些光纖將狹縫的出射光傳輸至投影物鏡[B4]；光電接收器[B5]可采用多道光電接收器，此時(shí)光纖的輸出端[B3]集合成與多道接收器的光敏面相匹配的形狀就成為光纖傳輸多道光電直讀光譜儀；光電接收器[B5]也可以采用單道光電接收器，同時(shí)在出射狹縫[B1-1，B1-2，…，B1-N]之前或之后，或在投影物鏡[B4]之前或之后增設(shè)快門[圖2中B0-1，B0-2，…，B0-N或圖3與圖4中B0]而做成光纖傳輸單道光電直讀光譜儀。
2.按照權(quán)利要求1所述的光纖傳輸單道光電直讀光譜儀，其特征在于快門的形狀及工作方式可以采用分立式〔B0-1，B0-2，…，B0-N〕也可以采用帶孔或狹縫的板移動(dòng)式，也可以采用帶孔或開(kāi)口的圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)式。
3.按照權(quán)利要求1所述的光纖傳輸單道光電直讀光譜儀，其特征在于投影物鏡〔B4〕有時(shí)可以省略，而使光纖的輸出端與光電接收器直接耦合。
全文摘要
一種光纖傳輸光電直讀光譜儀，由色散系統(tǒng)、譜線探測(cè)系統(tǒng)和信號(hào)放大與處理系統(tǒng)所組成。在探測(cè)系統(tǒng)中有路數(shù)與被測(cè)元素種類相同的光纖將色散系統(tǒng)給出的光譜線分別傳輸至同一個(gè)光電接收器，由快門控制譜線的曝光時(shí)間，由計(jì)算機(jī)控制快門和處理光電信號(hào)得出被測(cè)元素及其含量。采用多道光電接收器時(shí)則為多道光電直讀光譜儀，采用單道光電接收器并適當(dāng)增設(shè)快門則為單道光電直讀光譜儀。
文檔編號(hào)G01J3/18GK1063760SQ9111112
公開(kāi)日1992年8月19日 申請(qǐng)日期1991年11月30日 優(yōu)先權(quán)日1991年11月30日
發(fā)明者嚴(yán)惠民, 曾慶勇 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)