專利名稱：固定光柵分光陣列檢測(cè)型測(cè)油儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬一種測(cè)量裝置，特別涉及測(cè)量礦物油含量的儀器。
隨著礦物燃料的大量開(kāi)采和廣泛使用，礦物油對(duì)水體和環(huán)境的污染已成為一個(gè)全球關(guān)注的、越來(lái)越嚴(yán)重的問(wèn)題，在我國(guó)也不例外，現(xiàn)已成為我國(guó)環(huán)境水體的主要污染物之一。由于礦物油成分中含有分別在2930cm-1，2960cm-1和3030cm-1有吸收峰的不同組分，因而，為了準(zhǔn)確測(cè)量礦物油的含量，需對(duì)上述三個(gè)吸收峰進(jìn)行測(cè)量。
與本發(fā)明測(cè)油儀相近的裝置是多功能紅外測(cè)油儀。多功能紅外測(cè)油儀由光源室、調(diào)制器、樣品室、單色器、紅外探測(cè)系統(tǒng)以及穩(wěn)壓電源、信號(hào)處理電路、驅(qū)動(dòng)電路、顯示器、打印機(jī)等部分組成。具體結(jié)構(gòu)可參見(jiàn)圖1和圖2。它們分別是現(xiàn)有技術(shù)的工作原理方框圖和光學(xué)系統(tǒng)原理圖。圖中1為電源，是穩(wěn)壓源，給光源2供電，光源2是穩(wěn)定性好的鎢鹵素?zé)簟?為調(diào)制器，由調(diào)制盤(pán)20、同步電機(jī)及光電藕合器等部件組成，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的調(diào)制并給檢測(cè)電路提供同步信號(hào)。4為樣品室，由吸收池24、樣品切換機(jī)構(gòu)構(gòu)成。吸收池24內(nèi)的被測(cè)樣品接受光信號(hào)。該儀器采用單光路結(jié)構(gòu)，參比、樣品依次進(jìn)入光路進(jìn)行測(cè)定，因此，由程序控制參比、樣品自動(dòng)切換。樣品切換機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的絲桿齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)并結(jié)合光電開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)高精度的定位，載有吸收池24的載板沿垂直光軸方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)吸收池24的位置切換。5為單色器，由準(zhǔn)直物鏡26、余割型波長(zhǎng)掃描機(jī)構(gòu)、光柵27、成像物鏡28、截止濾光片30、入射狹縫25和出射狹縫29構(gòu)成，掃描范圍3400cm-1至2400cm-1。6為檢測(cè)器，屬于TGS型熱釋電檢測(cè)器。7為信號(hào)處理電路，完成電信號(hào)的選頻放大、同步檢波及模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。最后信號(hào)由單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，該系統(tǒng)包括單片機(jī)8、液晶顯示器9、打印機(jī)10、鍵盤(pán)11等。此外，12為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，它接受單片機(jī)8控制信號(hào)并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)使樣品切換機(jī)構(gòu)4和單色器5的光柵轉(zhuǎn)動(dòng)。光學(xué)系統(tǒng)按光傳播方向順序?yàn)楣庠?、調(diào)制器3、反射鏡22、調(diào)制光聚光鏡23，吸收池24，之后光線匯聚在入射狹縫25。光束進(jìn)入單色器5后，經(jīng)準(zhǔn)直物鏡26、光柵27、成象物鏡28，將單色光譜成象在出射狹縫29上。最后經(jīng)過(guò)截止濾光片30、橢球鏡31，將單色光譜匯聚在探測(cè)器6窗口的TGS晶體32上。
現(xiàn)有技術(shù)的不足之處表現(xiàn)在儀器靈敏度較低，很難滿足地表水等低含量樣品的檢測(cè)，由朗伯一比爾定律可知，樣品吸收的有效光程長(zhǎng)度與儀器檢測(cè)的靈敏度成正比，現(xiàn)有儀器吸收池的有效光程長(zhǎng)度受空間和材料的限制，只有4cm左右；由于是單光路掃描測(cè)量?jī)x器，需進(jìn)行樣品、參比的切換，并且不能同時(shí)獲得兩個(gè)以上波長(zhǎng)的信息，所以分析速度慢。另外機(jī)械傳動(dòng)的切換機(jī)構(gòu)難免會(huì)造成光路光通量的差異和測(cè)量精密度降低；由于對(duì)光源穩(wěn)定性要求高，并且工作電流較大，使用穩(wěn)壓供電模式難于達(dá)到穩(wěn)定的要求。
本發(fā)明是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，達(dá)到增長(zhǎng)有效光程提高檢測(cè)靈敏度，提高檢測(cè)精度，準(zhǔn)確度及可同時(shí)獲得三個(gè)或三個(gè)以上波長(zhǎng)信息，提高分析速度、操作簡(jiǎn)便、攜帶方便的目的。
為實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用液芯波導(dǎo)吸收池來(lái)增加有效光程，提高測(cè)量靈敏度；采用固定光柵分光和陣列檢測(cè)器聯(lián)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)同時(shí)、準(zhǔn)確獲得三個(gè)或三個(gè)以上波長(zhǎng)的高精度信息，從而提高分析速度；省去機(jī)械傳動(dòng)、機(jī)械定位等機(jī)構(gòu)從而最大限度的提高測(cè)量精度。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)由圖3、圖4、圖5給出，具體敘述如下。
圖3中，1為電源，給光源2和調(diào)制器3的電機(jī)供電，本發(fā)明電源1可以采用穩(wěn)流電源模式工作，也可以在電源1和光源2之間加光反饋系統(tǒng)，即以“穩(wěn)光”工作模式工作，使光源2發(fā)光更加穩(wěn)定；光源2為鎢鹵素?zé)簦?為調(diào)制器，將光源2發(fā)出的光調(diào)制成方波光信號(hào)；光源2和調(diào)制器3均采用12伏直流供電可便攜使用。調(diào)制器3采用高精度的晶振提供準(zhǔn)確頻率使調(diào)制頻率更加穩(wěn)定，檢波的相位可由單片機(jī)方便調(diào)節(jié)，提供高準(zhǔn)確度、高精密度的檢測(cè)同步信號(hào)，從而保證整機(jī)的檢測(cè)性能并且降低調(diào)制器3中的調(diào)制盤(pán)20的機(jī)加難度。按光傳播順序，其后分別為吸收池24、光柵分光系統(tǒng)34、陣列檢測(cè)器44。本發(fā)明的吸收池24是液芯波導(dǎo)吸收池。具體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖5。其主體是密封的一段人工合成的、低折射率的、疏油疏水的材料吹拉而成的管體46，管體46內(nèi)裝被檢測(cè)的液體，光在其內(nèi)服從光波導(dǎo)傳播原理。由于管體46可彎曲制得很長(zhǎng)，既可減小裝置的體積，又可獲得很長(zhǎng)的有效光程。光柵分光系統(tǒng)34由平面反射鏡41、固定光柵42、聚光鏡43和截止濾光片30組成(參見(jiàn)圖4)。陣列檢測(cè)器44是由三個(gè)或三個(gè)以上檢測(cè)單元集成的檢測(cè)器，能同時(shí)獲得光柵分光系統(tǒng)34同時(shí)發(fā)出的三個(gè)或三個(gè)以上波長(zhǎng)的光譜信息。經(jīng)陣列檢測(cè)器44將三個(gè)或三個(gè)以上波長(zhǎng)的單色光信號(hào)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)后傳給信號(hào)處理電路7，最后由單片機(jī)8，液晶顯示器9，打印機(jī)10，鍵盤(pán)11組成的單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。前述的本發(fā)明的各組成部分，分別為獨(dú)立構(gòu)件，它們的位置關(guān)系由按需要設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)決定。
與現(xiàn)有技術(shù)比較，省去了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路12和樣品切換機(jī)構(gòu)等，使本發(fā)明的各種構(gòu)件均為固定構(gòu)件，因而提高儀器的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，便于攜帶。
圖4中，光源2處加裝光源聚光鏡33，提高光源2的利用率。20是調(diào)制器3的調(diào)制盤(pán)，22是反射鏡，23是調(diào)制光聚光鏡，25是入射狹縫，它們與現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)基本相同。24是吸收池，采用液芯波導(dǎo)吸收池。平面反射鏡41、固定光柵42、聚光鏡43和截止濾光片30組成光柵分光系統(tǒng)34。從吸收池24經(jīng)入射狹縫25的光線，經(jīng)平面反射鏡41反射、經(jīng)固定光柵42分光、經(jīng)聚光鏡43聚光后，由陣列檢測(cè)器44接收檢測(cè)。
圖5給出液芯波導(dǎo)吸收池的結(jié)構(gòu)。圖5中，46為吸收池管體，可以用聚四氟乙烯材料制作，其折射率小于光傳輸介質(zhì)四氯化碳、四氯乙烯等被檢測(cè)的樣品的折射率。其兩端安裝在金屬套47內(nèi)。金屬套47為中空的，兩端開(kāi)口，一端裝入吸收池管體46，相對(duì)的另一端裝有光學(xué)耦合元件48。為了固定光學(xué)耦合元件48和吸收池管體46，同時(shí)要做到密封，在光學(xué)耦合元件48外側(cè)裝有壓圈49，在金屬套47內(nèi)裝有密封內(nèi)襯50。為了裝入被測(cè)樣品。在吸收池管體46兩端的金屬套47上還分別裝有進(jìn)樣管51，出樣管52。本發(fā)明中液芯波導(dǎo)吸收池，大大增加了有效光程，而提高了測(cè)量靈敏度，同時(shí)，樣品用量少，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)。采用程控自動(dòng)或手動(dòng)注射器的樣品引入機(jī)構(gòu)，從而避免有機(jī)溶劑曝露在空氣中帶來(lái)的污染，使操作變得安全簡(jiǎn)便，減少操作人員與有機(jī)試劑接觸造成傷害。
本發(fā)明電源1和光源2之間的光反饋系統(tǒng)，由光傳感器、控制電路和調(diào)節(jié)電路構(gòu)成。即用傳感器把光源發(fā)出的特定波段的輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，得到調(diào)整信號(hào)去控制調(diào)節(jié)電路，調(diào)節(jié)供電電流，使光源2的輻射強(qiáng)度穩(wěn)定。克服現(xiàn)有技術(shù)中穩(wěn)壓或穩(wěn)流的間接控制模式造成的光輻射強(qiáng)度不穩(wěn)定因素，從而真正實(shí)現(xiàn)“穩(wěn)光”。
本發(fā)明的固定光柵分光陣列檢測(cè)型測(cè)油儀，由于采用12伏直流供電，采用液芯波導(dǎo)技術(shù)，并減少了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而體積小，重量輕，便于攜帶，適用于野外檢測(cè)。由于無(wú)可動(dòng)部件，最大限度的提高了儀器的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。由于使用液芯波導(dǎo)技術(shù)而大大提高了檢測(cè)靈敏度，靈敏度比現(xiàn)有技術(shù)提高5～10倍。由于同時(shí)進(jìn)行三個(gè)或三個(gè)以上波長(zhǎng)的測(cè)量，大大縮短了分析時(shí)可，可同時(shí)得到總礦物油或烷烴和芳香烴含量的檢測(cè)結(jié)果，操作簡(jiǎn)單，并能實(shí)現(xiàn)在線和連續(xù)監(jiān)測(cè)水體中的礦物油含量。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的工作原理圖。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)原理圖。
圖3是本發(fā)明的工作原理圖。
圖4是本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)原理圖。
圖5是本發(fā)明的液芯波導(dǎo)吸收池結(jié)構(gòu)示意圖
權(quán)利要求
1.一種固定光柵分光陣列檢測(cè)型測(cè)油儀，結(jié)構(gòu)包括有光源(2)，對(duì)光源(2)發(fā)出的光進(jìn)行調(diào)制的調(diào)制器(3)，為光源(2)和調(diào)制器(3)的電機(jī)供電的電源(1)，以及信號(hào)處理電路(7)，單片機(jī)系統(tǒng)；按光路順序，調(diào)制器(3)之后是反射鏡(22)、調(diào)制光聚光鏡(23)和吸收池(24)，其特征在于，結(jié)構(gòu)還包括光柵分光系統(tǒng)(34)、陣列檢測(cè)器(44)；光柵分光系統(tǒng)(34)由平面反射鏡(41)、固定光柵(42)、聚光鏡(43)和截止濾光片(30)組成；陣列檢測(cè)器(44)由三個(gè)或三個(gè)以上熱釋電檢測(cè)單元集成；所說(shuō)的吸收池(24)是液芯波導(dǎo)吸收池；經(jīng)陣列檢測(cè)器(44)將三個(gè)或三個(gè)以上波長(zhǎng)的單色光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)后傳給信號(hào)處理電路(7)。
2.按照權(quán)利要求1所述的固定光柵分光陣列檢測(cè)型測(cè)油儀，其特征在于，所說(shuō)的液芯波導(dǎo)吸收池，其結(jié)構(gòu)包括密封的一段低折射率的、疏油疏水的材料制成的管體(46)，管體(46)內(nèi)裝有被檢測(cè)液體時(shí)光服從光波導(dǎo)傳輸原理，管體(46)兩端各裝有中空的金屬套(47)，金屬套(47)一端裝入管體(46)，相對(duì)的另一端裝有光學(xué)耦合元件(48)，在光學(xué)耦合元件(48)外側(cè)裝有壓圈(49)，并裝有密封內(nèi)襯(50)，管體(46)兩端的金屬套(47)還分別裝有進(jìn)樣管(51)和出樣管(52)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的固定光柵分光陣列檢測(cè)型測(cè)油儀，其特征在于，在光源(2)和電源(1)之間裝有直接穩(wěn)光的光反饋系統(tǒng)，它由光傳感器件、控制電路和調(diào)節(jié)電路構(gòu)成。
4.按照權(quán)利要求1或2所述的固定光柵分光陣列檢測(cè)型測(cè)油儀，其特征在于，調(diào)制器(3)，它由單片機(jī)系統(tǒng)、光耦合器、驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)和調(diào)制盤(pán)(20)構(gòu)成。
5.按照權(quán)利要求3所述的固定光柵分光陣列檢測(cè)型測(cè)油儀，其特征在于，調(diào)制器(3)，它由單片機(jī)系統(tǒng)、光耦合器、驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)和調(diào)制盤(pán)(20)構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明屬測(cè)量礦物油含量的儀器。按光路順序,它由電源(1),光源(2),調(diào)制盤(pán)(20),調(diào)制光聚光鏡(23),液芯波導(dǎo)吸收池(24),光柵分光系統(tǒng)(34),由三個(gè)以上檢測(cè)單元集成的陣列檢測(cè)器(44)及單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。光柵分光系統(tǒng)(34)包括平面反射鏡(41)、固定光柵(42)、聚光鏡(43)和截止濾光片(30),它能同時(shí)發(fā)出三個(gè)以上波長(zhǎng)的光譜信息。本發(fā)明提高了體系的靈敏度和定位精度、縮短了分析時(shí)間、操作簡(jiǎn)單、便于攜帶。
文檔編號(hào)G01N21/35GK1327153SQ0111403
公開(kāi)日2001年12月19日 申請(qǐng)日期2001年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月2日
發(fā)明者金欽漢, 鄭健, 李寶華, 周建光, 于愛(ài)民, 張寒琦 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)