可攜式傅立葉近紅外光譜儀的製作方法

2023-05-19 20:39:46

可攜式傅立葉近紅外光譜儀的製作方法
【專利摘要】本實用新型為可攜式傅立葉近紅外光譜儀，解決已有近紅外光譜儀抗振動及抗溫度變化能力差，光譜基線會產生變形，從而影響定性定量的結果的問題。幹涉儀支架（1）與分束器（2）、定鏡（3）、補償鏡（4）為固定部件裝配在一起，動鏡（5）是三維角鏡，音圈電機（7）的軸經懸臂彈簧（8）與動鏡（5）的軸連接組成動鏡驅動馬達（6），上述器件連同光源（9）、雷射器（10）、雷射探測器（11）、出射光發送裝置（12）、光導纖維（13）、入射光接收裝置（14）、檢測器（15）、主控電路板固定在光學底臺上。
【專利說明】可攜式傅立葉近紅外光譜儀
[0001]【技術領域】:
[0002]本實用新型與傅立葉變換近紅外光譜儀有關。
[0003]【背景技術】:
[0004]傅立葉變換近紅外光譜儀的核心部件是幹涉儀。幹涉儀的最基本要求是動鏡在移動過程中儀器的光路準直應保持不變。最簡單的動鏡是平面鏡，但若平面鏡有傾斜轉動或平移運動，幹涉儀的光路準直都會變化。一類解決方案是用雷射檢測動鏡的偏移，在定鏡上加以調整，所謂「動態調整」，如熱電公司、安捷倫公司使用該技術，該類解決方法的缺點是非常敏感，抗振動及抗溫度變化能力差，只適合實驗室使用。另外一類解決方案是動鏡採用立體角反射鏡，這在很大程度上解決了振動的問題，因此被布魯克和ABB公司多家國外傅立葉變換光譜儀廠家採用。該類解決方法的問題是立體角反射鏡系統沒有解決剪切方向的偏移，因此，在溫度變化較大的情況下，光譜基線會產生變形，從而影響定性定量的結果。
[0005]實用新型內容:
[0006]本實用新型目的是提供一種具備高分辨、寬範圍、抗振動，耐溫度變化的可攜式傅立葉近紅外光譜儀。
[0007]本實用新型是這樣實現的:
[0008]可攜式傅立葉近紅外光譜儀，幹涉儀支架I與分束器2、定鏡3為固定部件，預先裝配在一起，固定的補償鏡4與光路垂直。動鏡5是三維角鏡，音圈電機7的軸經懸臂彈簧8與動鏡5的軸連接組成動鏡驅動馬達6，上述器件連同光源9、雷射器10、雷射探測器11、出射光發送裝置12、光導纖維13、入射光接收裝置14、檢測器15、主控電路板固定在光學底臺上。
[0009]幹涉儀支架I與分束器2、定鏡3使用同樣的熱膨脹係數的材料焊接裝配成一體的
單一部件。
[0010]懸臂彈簧由熱處理後的磷青銅彈簧製成，懸臂彈簧8與音圈電機7的軸、動鏡5的軸同軸。
[0011]本實用新型為高分辨、寬範圍、抗振動，耐溫度變化的高性能便攜傅立葉近紅外光譜儀。解決已有傅立葉變換近紅外光譜儀在強振動帶來的幹涉儀動鏡偏轉、平移引起的光路失準和掃描誤差的問題。實現幹涉儀組件固定成一體的設計，實現永久準直，抗振動，適應大範圍溫度變化等性能；將動鏡掃描的承載機構，由軸承改為旋臂彈簧，設計補償電路，掃描穩定且驅動部件超常壽命。便攜傅立葉變換光譜儀的核心分光部件為幹涉儀掃描系統，高質量的幹涉儀掃描系統，要求動鏡在驅動軸承上保持單軸的勻速運動，保證動鏡掃描沿直線勻速的運動，是獲得高質量光譜的關鍵技術。我們採用懸臂彈簧驅動軸承，使用音圈電機驅動三維角反射動鏡完成掃描。該掃描系統的優點是運行平穩、單軸性能高、偏差小、壽命長、結構緊湊、成本較低。
[0012]設計的小型化幹涉儀:保證高分辨、寬測試範圍，還要保證抗振動，適應大範圍溫度變化。幹涉儀主體固定成一個整體，幹涉儀為永久準直。。
[0013]支撐掃描動鏡的承載結構:該結構是使用旋臂彈簧，掃描穩定且驅動系統永不磨損。驅動部件無限使用壽命設計。
[0014]傅立葉變換光譜儀的核心分光部件為幹涉儀，它由一個分束器和多個反射鏡組成。其中分光部件為分束器，近紅外使用低羥基石英材料作為分束器，其光譜範圍為
0.Tl.5微米。反射鏡由定鏡和動鏡組成，當光源發射的光照射到分束器後，由分束器分為兩束光分別照射到定鏡和動鏡，由於動鏡運動導致和定鏡產生光程差形成幹涉光。
[0015]幹涉儀支架、分束器、光程補償鏡、定鏡均為固定部件，需要預先裝配在一起並調整準直到最佳。由於各個光學部件通常需要加調整螺絲，對於實驗室條件下的使用，這種調整方式不會帶來大問題，但對于振動很大的便攜或現場使用，這種方式就很容易造成光路失調。此外，不同材質的部件裝配在一起，因為溫度的變化(特別是野外工作條件下)非常容易產生應力差，導致光路失調。
[0016]本實用新型將幹涉儀支架和分束器及定鏡使用同樣的熱膨脹係數的材料一次焊接裝配成一體的單一部件，這樣就不使用任何調整螺絲，就能永久固定成一個整體，可以稱之為「永久校準」的幹涉儀。這樣可以避免振動和溫度變化給幹涉儀主體帶來的影響。
[0017]由於動鏡運動與定鏡產生光程差，獲得幹涉光，動鏡運動微小的誤差都會影響整體儀器的性能。因此，動鏡的設計和動鏡的驅動成為幹涉儀乃至整機中至關重要的部分。
[0018]動鏡有六個可能產生的運動自由度，即三個平移方向和三個旋轉方向。其中一個平移運動方向上因掃描運動將產生光程差，其他任意一個自由度的偏移，都會導致幹涉儀中的光程誤差。
[0019]在實驗室環境中，可以通過機械手段限制動鏡的偏移或者通過自動調整動鏡定鏡角度修正誤差。但便攜儀器在在高振動的環境中，限制偏移就非常困難。採用三維立體角鏡作為動鏡，會使入射光與出射光在動鏡偏移下保持平行，就可以修正三個旋轉和一個平移的偏差。這種方式被用於很多車載和在線傅立葉近紅外的幹涉儀的設計採納。
[0020]以立體角鏡作為動鏡的設計中，剪切方向的偏移是由於溫度變化，鏡體與驅動裝置內部產生應力，這種變化三維立體角鏡無法克服。所以在實際測量中，溫度變化會導致測量譜圖基線的偏移。在實驗室環境下，由於溫度變化不大，該偏移可以忽略；而便攜儀器在室外環境中工作溫度變化大，該偏移就會帶來明顯的問題。
[0021]本實用新型採用一面補償鏡裝在動鏡邊，使入射光與反射光完全在一條路徑上，從而將剪切方向的偏移得以修正，固定的補償鏡與光路永久垂直，如果三維角鏡發生剪切方向的偏移，通過補償鏡垂直反射回來的光與入射光依舊在同一條路徑上。
[0022]由此設計的動鏡系統，可以修正所有方向上的偏移，可以保證在振動和溫度變化的環境下穩定工作，這也是便攜儀器的必備條件。此幹涉儀穩定溫度將從15-30° C大幅度提升為-20-40° C。
[0023]幹涉儀掃描就是動鏡的掃描，需要保證均勻的掃描速度，去除幹擾的影響，同時在設計上要防止運動軸承的磨損，這將導致掃描誤差。
[0024]掃描驅動裝置通過一套音頻線圈馬達驅動前後方向運動，驅動軸的前端安裝動鏡。一般驅動軸在潤滑的軸承上運動，當驅動軸的軸承進行快速、長時間的工作時，很容易發熱從而加速軸承的磨損。本實用新型將驅動軸安裝在懸臂彈簧移動裝置上，動鏡的運動幾乎是完美的單軸，完全避免了磨損。懸臂彈簧由熱處理後的磷青銅彈簧製成，它的預期壽命遠久於儀器的壽命。[0025]本實用新型是根據傅立葉變換原理設計的，其基本原理是光源發光經過分束器將光平均分為透射光和反射光，這兩束光經過一面不動的反射鏡(定鏡)和一面可動的反射鏡(動鏡)使兩束光產生幹涉，幹涉光照射樣品後，採集到幹涉光譜再經過傅立葉變換生成樣品單通道光譜。分束器、動鏡和定鏡三者組成幹涉儀的基本結構，其解析度由動鏡移動的距離控制且可調。
[0026]本實用新型有以下特點:
[0027]極高的波長準確度:傅立葉變換近紅外光譜儀內部使用單色雷射作為採樣控制標準，在0.05cm—1，其波長準確度較光柵型和傅立葉偏振幹涉近紅外儀器高一個數量級，因此，用戶不需要經常對儀器進行外部人工波長校準，高波長準確度是模型能夠從一臺儀器傳遞到另一臺儀器的最重要因素。
[0028]光譜解析度高:傅立葉變換近紅外光譜儀沒有狹縫的概念，動鏡移動的距離決定解析度，其解析度較傳統光柵型和傅立葉偏振幹涉近紅外儀器高几倍，在研究結構相似物質或複雜的混合物時具有明顯的優勢。
[0029]自然雜散光不影響測試結果:傅立葉變換近紅外光譜儀只檢測從幹涉儀出來的幹涉光，因為沒有經過幹涉儀調製的自然雜散光對所得光譜無影響。
[0030]高信噪比，低檢測限:傅立葉變換近紅外光譜儀的光通量大，掃描速度快，在相同的掃描時間、相同檢測器和相同光譜範圍內，光譜的信噪比可到達1000:1，因此低含量組份的幹擾因素少，儀器的檢測限低。
[0031]波長準確度高:傅立葉變換近紅外儀器其波長準確度比光柵型儀器高I個數量級，解析度高几倍，而且解析度可根據分析對象可調，不僅適用於常規測試也適用於新方法研發，不僅能夠測試常規指標，而且能夠測試結構非常相近的物質，如各種胺基酸、各種脂肪酸、不同結構的硫甙等，相同樣品的測試結果都好於濾光片和光柵型儀器，具有很強的應用擴展能力。
[0032]【專利附圖】

【附圖說明】:
[0033]圖1為本實用新型結構圖。
[0034]圖2為動鏡加入補償鏡抗幹擾光路。
[0035]圖3為動鏡驅動結構圖。
[0036]【具體實施方式】:
[0037]幹涉儀由幹涉儀支架1，分束器2、定鏡3、補償鏡4和動鏡組成，其中動鏡5是採用三維角鏡。幹涉儀支架1、分束器2、定鏡3均為固定部件，需要預先裝配在一起。音圈電機7和懸臂彈簧8組成動鏡驅動馬達與三維角鏡通過驅動軸連接。以上原器件連同光源9、雷射器10、雷射探測器11、出射光發送裝置12、光導纖維13、入射光接收裝置14、檢測器15、主控電路板固定在儀器輕質光學底臺上。光源9、雷射器10、雷射探測器11、出射光發送裝置12、光導纖維13、入射光接收裝置14、檢測器15、主控電路板與傳統傅立葉變換近紅外光譜儀的同類器件相同。幹涉儀支架I與分束器2、定鏡3使用同樣的熱膨脹係數的材料一次焊接裝配成一體的單一部件。
[0038]固定的補償鏡與光路永久垂直。
[0039]懸臂彈簧由熱處理後的磷青銅彈簧製成，懸臂彈簧8與音圈電機7的軸、動鏡5的軸同軸。
【權利要求】
1.可攜式傅立葉近紅外光譜儀，其特徵在於幹涉儀支架(I)與分束器(2)、定鏡(3)為固定部件裝配在一起，固定的補償鏡(4)與光路垂直，動鏡(5)是三維角鏡，音圈電機(7)的軸經懸臂彈簧(8)與動鏡(5)的軸連接組成動鏡驅動馬達(6)，上述器件連同光源(9)、雷射器(10)、雷射探測器(11)、出射光發送裝置(12)、光導纖維(13)、入射光接收裝置(14)、檢測器(15)、主控電路板固定在光學底臺上。
2.根據權利要求1所述的可攜式傅立葉近紅外光譜儀，其特徵在於幹涉儀支架(I)與分束器(2)、定鏡(3)使用同樣的熱膨脹係數的材料焊接裝配成一體的單一部件。
3.根據權利要求1所述的可攜式傅立葉近紅外光譜儀，其特徵在於懸臂彈簧由熱處理後的磷青銅彈簧製成，懸臂彈簧(8)與音圈電機(7)的軸、動鏡(5)的軸同軸。
【文檔編號】G01J3/45GK203572578SQ201320718574
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年11月15日 優先權日:2013年11月15日
【發明者】王茜 申請人:四川威斯派克科技有限公司