样品测量装置的制造方法
样品测量装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种样品分析检测领域，特别涉及一种样品测量装置。
【背景技术】
[0002]光谱技术可对样品进行分析检测，其可以用于检测包括呈气态、液态、固态及两种及以上混合物的物化性质。吸收光谱是实用性很强的一种光谱技术，其基本原理是:假设在光的散射作用可以被忽略的前提下，将入射光通过一定长度的待测样品，然后测量透射光辐射的强度，所述透射光相对于入射光辐射的强度的衰减定义为吸收。通过对吸收光的定性和定量分析能够获得待测样品的相应物化性质。基于所述吸收光谱技术设计制造的光谱仪器可应用的领域众多，包括电厂、环保、水泥厂、石化化工、玻璃制造等行业。
[0003]所述光谱仪器实际使用时，将一束一定频率的光照射在待测样品上，样品中的介质与电磁波作用，介质内部吸收电磁波辐射的能量而发生量子化的能级跃迀，从低能级跃迀到高能级。不同介质的分子(原子)结构不同所决定的其能量级差也不同，从而决定了可吸收的光的频率也不同，通过测量被吸收的光的波长和强度，可以得到被测介质的特征吸收光谱，通过对吸收光谱进行定性定量分析，能够得到分子(原子)的绝对浓度和绝对吸收截面等信息。
[0004]在实际的工业过程中，由于环境复杂多变，要求光谱仪器具有较强的通用性，以此满足不同平台的使用。然而目前市场上存在光谱仪器其通用性较差，针对不同的测量环境，通常需要制造不同的光谱仪器来分别进行检测分析。
[0005]为此，有必要提出一种能够满足通用性要求的光谱测量仪器。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型的目的是提供一种样品测量装置，其能够满足通用性要求。
[0007]本实用新型的上述目的可采用下列技术方案来实现:
[0008]一种样品测量装置，包括:光源、第一光学元件、第二光学元件、回返光学元件和检测单元，其中，所述光源发出的光辐射依次经过所述第一光学元件、第二光学元件并形成主光路；所述第一光学元件、第二光学元件将所述主光路分为输入段、过渡段和测量段；所述主光路被回返光学元件反射后形成反射光路，所述反射光路在过渡段和测量段与主光路平行；沿着所述主光路方向上，所述第一光学元件至第二光学元件之间的距离调节时，或第二光学元件至回返光学元件之间的距离调节时，反射光路与主光路保持平行；所述检测单元包括第一探测器，所述第一探测器能接收主光路与待测样品相互作用后的光辐射。
[0009]在优选的实施方式中，所述光源为激光、LED、氙灯、红外光源、超辐射光源、SLED,宽带光源中的任一种或几种组合。
[0010]在优选的实施方式中，所述第一光学元件的两个通光面非平行，所述通光面能将所述光源发出的光福射分束，分为第一光路、第二光路和主光路。
[0011]在优选的实施方式中，所述第一光路上设置有能容置标准样品的参考室；
[0012]所述检测单元还包括与所述参考室相适配的第二探测器，所述第二探测器用于检测所述第一光路与所述标准样品相互作用后的光辐射。
[0013]在优选的实施方式中，所述检测单元还包括第三探测器，其设置在所述第二光路上，用于接收所述第二光路的光辐射。
[0014]在优选的实施方式中，所述第二光学元件为光焦度为零的光学元件，包括平板玻璃、弯月透镜、反射棱镜、单楔形窗、双楔形窗、望远镜光学组中的任意一种或多种组合。
[0015]在优选的实施方式中，所述第二光学元件的通光面均为平面。
[0016]在优选的实施方式中，所述回返光学元件为回返棱镜、直角棱镜、角锥棱镜、内反射膜反射镜、内反射膜直角镜、内反射膜三面镜中的任意一种或多种组合。
[0017]在优选的实施方式中，所述回返光学元件包含待测样品接触面和光学反射面，所述待测样品接触面和光学反射面在结构上是分离的。
[0018]在优选的实施方式中，所述回返光学元件的光学反射面为全反射面和/或镀有内反射膜。
[0019]本实用新型的特点和优点是:本实用新型所述样品测量装置通过设置光源、第一光学元件、第二光学元件、回返光学元件和检测单元。所述光源发出的光辐射依次经过所述第一光学元件、第二光学元件并形成主光路；所述第一光学元件、第二光学元件将所述主光路分为输入段、过渡段和测量段，所述主光路被回返光学元件反射后形成反射光路，所述反射光路在过渡段和测量段与主光路平行沿着所述主光路方向上，所述第一光学元件至第二光学元件之间的距离，或第二光学元件至回返光学元件之间的距离可调节，当调节所述第一光学元件至第二光学元件之间的距离，或第二光学元件至回返光学元件之间的距离时，所述反射光路在过渡段和测量段与相应的主光路保持平行，使得所述样品测量装置位于主光路的光学元件沿着所述主光路的方向移动时，不会对整个光路有任何影响，其能够根据实际使用环境设置所述第一光学元件至第二光学元件之间的距离，或第二光学元件至回返光学元件之间的距离以适应不同的检测环境，因而整个样品测量装置具有较好的通用性。
[0020]本实用新型还有一个附加的特点和优点是:本实用新型所述的第二光学元件的样品接触面能耐腐蚀耐污染、且所述回返光学元件的样品接触面和反射面在结构上是分离的，所述回返光学元件的样品接触面也能耐腐蚀耐污染。因而整个样品测量装置具有极强的环境适应性，可以长期可靠的应用在工业过程领域。
【附图说明】
[0021]图1A是本实用新型实施例中一种样品测量装置的光路传播主视图；
[0022]图1B是本实用新型实施例中一种样品测量装置的光路传播俯视图；
[0023]图2是现有技术中一种反射镜的光路传播示意图；
[0024]图3是本实用新型实施例中一种样品测量装置中回返光学元件的光路传播示意图；
[0025]图4是本实用新型实施例中一种样品测量装置中回返光学元件的结构示意图；
[0026]图4.1是全反射原理示意图；
[0027]图5A是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件的主视图；
[0028]图5B是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件的左视图；
[0029]图6是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图；
[0030]图7是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图；
[0031]图8是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图；
[0032]图9是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图；
[0033]图10是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图；
[0034]图11是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图；
[0035]图12A是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件布置示意图；
[0036]图12B是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播不意图；
[0037]图13A是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件布置示意图；
[0038]图13B是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播不意图；
[0039]图14是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图；
[0040]图15是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图；
[0041]图16A是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件主视图；
[0042]图16B是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件俯视图；
[0043]图17A是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件主视图；
[0044]图17B是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件俯视图；
[0045]图18是本实用新型实施例中一种样品测量系统布置图。
【具体实施方式】
[0046]下面将结合附图和具体实施例，对本实用新型的技术方案作详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。
[0047]本实用新型的目的是提供一种样品测量装置，其能够满足通用性要求。[0048]请参阅图1A和图1B，为本实用新型实施例中一种样品测量装置的光路传播主视图和俯视图。所述样品测量装置包括:光源2、第一光学元件3、第二光学元件4、回返光学元件6和检测单元。其中，所述光源2发出的光辐射依次经过所述第一光学元件3、第二光学元件4并形成主光路Z。具体的，如图1B所示，光源2发出的光辐射沿着光路20传播至所述第一光学元件3，接着从所述第一光学元件3透射出，沿着光路23传播至所述第二光学元件4，然后从所述第二光学元件4透射出，沿着光路24传播至所述回返光学元件6，经过所述回返光学元件6反射后，沿着与原来的光路相平行的方向返回。在所述主光路Z方向上。所述第一光学元件3、第二光学元件4将所述主光路Z分为输入段、过渡段和测量段。所述输入段为光源2至所述第一光学元件3之间的区域；所述过渡段为所述第一光学元件3至第二光学元件4之间的区域；所述测量段为所述第二光学元件4至回返光学元件6之间的区域，所述测量段位置设置有待测样品。所述主光路Z被回返光学元件6反射后形成反射光路，所述反射光路在过渡段和测量段与主光路Z平行。具体的，光路24经过所述回返光学元件6反射后形成与所述光路24相平行的光路25，光辐射沿着光路25传播至所述第二光学元件4时，从所述第二光学元件4中透射出，然后沿着光路26传播至第一光学元件3。所述反射光路与主光路Z在过渡段和测量段的平行是名义上的平行，具体的是忽略装配误差、制造误差等误差后的相对平行。沿着所述主光路Z方向上，所述第一光学元件3至第二光学元件4之间的距离调节时，或第二光学元件4至回返光学元件6之间的距离调节时，反射光路25，与主光路23保持平行，以及反射光路26与主光路24保持平行；所述检测单元包括第一探测器51，所述第一探测器51能接收主光路Z与待测样品相互作用后的光辐射。
[0049]本实用新型所述样品测量装置，在沿着所述主光路Z方向上，所述第一光学元件3至第二光学元件4之间的距离LI，或第二光学元件4至回返光学元件6之间的距离L2可调节，当调节所述第一光学元件3至第二光学元件4之间的距离LI，或第二光学元件4至回返光学元件6之间的距离L2时，所述反射光路在过渡段和测量段与相应的主光路平行，使得在过渡段和测量段所述样品测量装置位于主光路Z的光学元件沿着所述主光路Z的方向移动时，不会对整个光路有任何影响，其能够根据实际使用环境设置所述第一光学元件3至第二光学元件4之间的距离，或第二光学元件4至回返光学元件6之间的距离以适应不同的检测环境，因而整个样品测量装置具有较好的通用性。
[0050]在所述输入段位置可设置有光源2等器件。所述测量段用于容置待测样品，所述测量段可为开放的测量环境，也可为封闭的测量。所述测量段内通常为高温、高压、高粉尘等恶劣的条件，所述待测样品很多情况下会对光源2等光学器件产生腐蚀，因此在所述输入段与所述测量段之间设置有所述过渡段，用于将所述测量段与所述输入段相隔离，从而保证整个样品测量装置使用时安全、可靠。在实际使用环境下，根据具体的环境参数不同和/或测量样品的不同，所需的过渡段的长度也不相同。例如，所述第一光学元件3、第二光学元件4之间通过可拆卸的方式或可移动的方式设置。
[0051]所述光源2的具体形式可根据使用的探测技术和使用要求的不同而选择，具体的其可以为激光、LED、氙灯、红外光源、超辐射光源、SLED、宽带光源中的任一种或几种组合。
[0052]所述第一光学元件3具有两个通光面，分别为入射面31和出射面32，所述的两个通光面非平行。所述光源I发出的光辐射在入射面31和出射面32上的法线具有夹角，所述夹角大于O度。所述第一光学元件3可为具有至少两个通光平面非平行的楔形块。所述第一光学元件3能将光源2发出的光辐射进行分光，分为第一光路21、第二光路22和主光路23。所述第一光路21、第二光路22为参考光路，具体的，所述第一光路21为反射光，其在所述入射平面31上反射回所述输入段；所述第二光路22，其透过所述第一光学元件3的入射面31从其出射面32返回所述输入段内。所述主光路23沿着主光路Z方向传播至所述过渡段。所述主光路23能通过所述第二光学元件4耦合进入所述测量段。
[0053]所述第一探测器51可位于所述输入段位置，所述光源2发出的光线沿着贯穿所述第一光学元件3、第二光学元件4的主光路Z方向出射。所述测量段位置设置有回返光学元件6，所述回返光学元件6可将入射光偏转后反射，被回返光学元件6反射后反射光和入射光名义上保持平行，所述回返光学元件6包含待测样品接触面61和光学反射面62，所述待测样品接触面61和光学反射面62在结构上是分离的。例如可包括、直角棱镜、角锥棱镜、内反射膜反射镜、内反射膜直角镜、内反射膜三面镜中的任意一种或多种组合。显然，直角棱镜、角锥棱镜的样品接触面和反射面在结构上是分离的。
[0054]请参阅图2，为现有技术中一种反射镜的光路传播示意图。现有技术中，常见的反射镜8为镀外反射膜的反射镜8，其包括基体80和镀在所述基体80外表面上的反射膜81。如图2所示，光辐射以一定角度射向所述反射镜8时，其通过所述反射膜81直接被反射出。实际使用时，由于所述反射膜81为样品接触面同时也是光学反射面，即样品接触面与光学反射面结构上是非分离设置的。通常情况下，反射镜8所处的环境为高温、高湿、高粉尘、高腐蚀等恶劣的环境，当所述反射膜81直接暴露在这样恶劣的环境中时，容易被污染、腐蚀，从而影响反射性能。
[0055]请参阅图3，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中回返光学元件的光路传播示意图。所述回返光学元件6包括基体60和镀在所述基体60内表面上的内反射膜600，即所述回返光学元件6为内反射膜反射镜。当所述回返光学元件6为内反射膜反射镜时，其具有结构上相分离的样品接触面61和光学反射面62，在所述光学反射面62镀有内反射膜600，所述内反射膜600可为高反射率的介质膜或金属膜，用于增强反射效果。由于所述内反射膜600为设置在所述光学反射面62内侧的后镀膜，当所述回返光学元件6位于高温、尚湿、尚粉尘、尚腐蚀性的样品中时，所述待测样品和/或待测样品中的杂质不会进入内反射膜600内部和内反射膜600与回返光学元件6的光学反射面62的连接处，因此所述回返光学元件6的内反射膜600不会受到污染、损伤，其反射性能也不会受到影响。如此，本实用新型所述的样品测量装置的环境适应性得到了极大的提升。
[0056]在所述回返光学元件6的反射面上还可以设置保护结构，例如，当所述回返光学元件6具体为直角棱镜时，所述反射棱镜为直角棱镜的直角反射面设置有保护结构，具体的，所述保护结构为机械结构。通过设置机械结构以保护反射面免于刮伤、阻止气体及水份等杂质和反射面接触。另外也可于所述反射面附近放置干燥剂，或者反射面和机械结构间设置为高真空或充入惰性气体等方式保护所述回返光学元件6，防止其被污染或损坏。所述回返光学元件6可将入射光线反射，反射后的光线和入射光线保持平行，且入射光线和反射光线之间具有一定的距离，例如2毫米。
[0057]请参阅图4，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中回返光学元件的结构示意图。所述回返光学元件6具体的可为内反射膜直角镜，其具有相互垂直的两个光学反射面分别为第一光学反射面63和第二光学反射面64。光路24经所述第一光学反射面63反射后，传播至所述第二光学反射面64，经所述第二光学反射面64再次反射出形成光路25，所述光路24、光路25能保持相互平行。
[0058]所述回返光学元件6可为镀内反射膜三面镜，其具有两两相互垂直的三个光学反射面。光路24依次经过三个光学反射面反射后形成光路25，所述光路24、光路25能保持相互平行。
[0059]所述回返光学元件6也可由镀内反射膜的直角镜或镀内反射膜的三面镜和/或内反射膜直角镜以阵列排布的形式构成，样品接触面和反射面分离，反射面镀有内反射膜，但其具体形式不作限制。
[0060]所述回返光学元件6的光学反射面可为全反射面。如图4.1所示，为全反射原理示意图。全反射是指光从光密介质(其折射率为nl)，入射到光疏介质(其折射率为n2，其中nl>n2)，当入射角α大于临界角β时，其中β = arcsin(n2/nl)，光能全部返回光密介质的现象，此时，光密介质和光疏介质的交界面X称为全反射面。所述全反射面能够将光无损地返回。
[0061]此外，所述回返光学元件6的光学反射面可以既为全反射面同时镀有内反射膜。使入射角α大于临界角β，此时不仅能够保护反射膜而且能够将光无损返回。
[0062]所述参考室54 设置在所述第一光路21上，其能够与所述第一光路21相互作用并将其向外透射出；所述检测单元还包括与所述参考室54相适配的第二探测器52，所述第二探测器52用于检测所述第一光路21与所述标准样品相互作用后的光辐射。所述标准样品可为气体，实际检测时，通过扫描所述标准样品的吸收峰位置，通过算法改变激光器的工作条件(例如工作电流、工作温度等)，可以在线实时校准所述光源2的波长，由于光源2的波长随环境，特别是温度极易变化。当设置所述第二探测器52，使其对所述光源2的波长进行校准后，能够使得测量结果稳定，精度高，重复性好。更进一步，如果标准样品的某参数(种类、浓度、温度或压力)已知时，例如当标准样品为气体，且气体的浓度已知时，所述第二探测器接收到的光电信号可作为参比信号，通过算法，可实现样品测量装置的进行在线标定。
[0063]此外，所述检测单元还包括第三探测器53，其设置在所述第二光路22上，用于接收所述第二光路22的光辐射。所述第三探测器53接收的第二光路22的光辐射能够作为所述光源2大小的参考基准，从而能够根据所述第二光路22的光辐射信息改善光源2的工作状态、光强变化等问题，大大提高了整个样品测量装置的测量精度和可靠性。所述第一光路21与第二光路22上的器件可以互换，即所述参考室54也可设置在第二光路22上。具体的，在实际使用时，可以只用其中一路参考光和主光路，或者不用参考光只用主光路。
[0064]请参阅图5Α和5Β，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件的结构示意图。所述第二光学元件4可为光焦度为零的光学元件或系统，也可为具有光焦度的光学元件或系统。如图5Β所示，所述第二光学元件4的通光口径的形状并不作限定，可为矩形、圆形等各种形状。同样的所述第一光学元件3的通光口径的形状并不作限定，可为矩形、圆形等各种形状。
[0065]当所述第二光学元件4为光焦度为零的光学元件或光学系统时，所述第二光学元件4可为平板玻璃、弯月透镜、反射棱镜、单楔形窗、双楔形窗、望远镜光学组中的任意一种或多种组合。
[0066]请参阅图6，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图。具体的，所述第二光学元件4可为平板玻璃。当光路23进入所述第二光学元件4后，直接穿透所述第二光学元件4，沿着光路24出射，经过回返光学元件6后，沿着与所述光路24平行的光路25方向返回，再次进入所述第二光学元件4，穿透过所述第二光学元件4后，沿着光路26出射。
[0067]请参阅图7，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图。具体的，所述第二光学元件4可为无焦的弯月透镜，其光路的传播方向如图7所示，与所述图6中的平板玻璃类似。
[0068]请参阅图8，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图。具体的，所述第二光学元件4可为平行四边形棱镜，其光路的传播方向如图8所示，与所述图6中的平板玻璃类似。
[0069]请参阅图9，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图。具体的，所述第二光学元件4可为直角棱镜，其光路的传播方向如图9所示，光路23传播至所述第二光学元件4后，在其内反射膜上发生发射，并从所述第二光学元件4透射出，其透射出的光路24与光路23相垂直。光路24经过回返光学元件6后，沿着与所述光路24平行的光路25方向返回，再次进入所述第二光学元件4，穿透过所述第二光学元件4后，沿着光路26出射。
[0070]请参阅图10，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图。具体的，所述第二光学元件4可为达夫棱镜，其光路的传播方向如图10所不O
[0071]请参阅图11，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图。具体的，所述第二光学元件4可为菱形棱镜，其光路的传播方向如图11所不O
[0072]请参阅图12A和12B，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件布置示意图及内部的光路传播示意图。具体的，所述第二光学元件4可为单楔形窗组，即所述第二光学元件4包括两个单楔形窗。如图12A所示，具有楔形面的两个窗口相互平行放置，使得光路23、光路24能够分别和光路25、光路26相平行。
[0073]请参阅图13A和13B，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件布置示意图及内部的光路传播示意图。具体的，所述第二光学元件4可为双楔形窗组，即所述第二光学元件4包括两个双楔形窗。如图13A所示，具有楔形面的两个窗口相互平行放置，使得光路23、光路24能够分别和光路25、光路26相平行。
[0074]请参阅图14，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图。具体的，所述第二光学元件4可为一种望远系统，包括两个平行设置的凸透镜，其光路的传播方向如图14所示，光路23、光路24能够分别和光路25、光路26相平行。
[0075]请参阅图15，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图。具体的，所述第二光学元件4可为另一种望远系统，包括平行设置的一个凸透镜和一个凹透镜，其光路的传播方向如图15所示，光路23、光路24能够分别和光路25、光路26相平行。
[0076]从这些实施方式可看出，上述第二光学元件4的具体形式并不作限定，在本实用新型实施方式的启发下，现有的还有其他光学器件或光学系统均可应用在本实用新型中，以此满足通用性的要求。
[0077]在本实用新型所述的样品测量装置中，所述由于所述第二光学元件4为光焦度为零的光学元件或光学系统，其使得在调整光路时，无需对所述第二光学元件4进行特殊对准测量光束或校准焦点，所述第一光学元件3、第二光学元件4、回返光学元件回返光学元件6能够根据实际测量环境需要沿着所述主光路Z方向平行移动，因而本实用新型所述样品测量装置能够根据实际测量环境调整所述第一光学元件3至第二光学元件4的距离L1、以及所述第二光学元件4至回返光学元件回返光学元件6的距离L2，大大提高了整个样品测量装置的通用性。
[0078]在一个具体使用的环境下，例如检测烟囱中的气体时，所述第二光学元件4至所述第一光学元件3的距离LI与烟囱的壁厚相适配。例如所述第一光学元件3和第四光学元件4上分别设置法兰与所述烟囱进行密封连接。当所述烟囱壁壁厚相对较厚时，所述LI可以相应增大，当所述烟囱壁体积较大壁厚相对较厚时，所述L1、L2都可以相应增大，而对整个样品测量装置的光路没有任何影响，因此本实用新型所述样品测量装置通用性好，特别适用于复杂多变的测量环境。
[0079]在本实施方式中，所述第一光学元件3、第二光学元件4、回返光学元件6的制造材料可为玻璃，包括:熔凝石英、蓝宝石、氟化钙、金刚石、钇铝石榴石(YAG)、Si3N4、Zr02、Al203、Hf02等，以及其他在光波频率范围内为透明的介质，但不以此为限，由于该类材料具有化学惰性，该类材料制作的回返光学元件6其样品接触面不会被待测样品、待测样品所含杂质所破坏，但不以此为限，例如样品接触面附着有对待测样品、待测样品中的杂质具有化学惰性的材料。
[0080]综上所述，本实用新型所述样品测量装置通过设置光源2、第一光学元件3、第二光学元件4和检测单元，由于在沿着所述主光路Z方向上，所述第一光学元件3至第二光学元件4之间的距离LI，或第二光学元件4至回返光学元件回返光学元件6之间的距离L2可调节，当调节所述第一光学元件3至第二光学元件4之间的距离LI，或第二光学元件4至回返光学元件回返光学元件6之间的距离L2时，所述反射光路在过渡段和测量段上与主光路Z保持平行，使得所述样品测量装置位于主光路Z的光学元件沿着所述主光路Z的方向移动时，不会对整个光路有任何影响，其能够根据实际使用环境设置所述第一光学元件3至第二光学元件4之间的距离，或第二光学元件4至回返光学元件回返光学元件6之间的距离以适应不同的检测环境，因而整个样品测量装置具有较好的通用性。
[0081]此外，所述第一光学元件3能够将光源2发出的光福射进行分光，所述分光后的光辐射作为参考光路，通过相应的检测单元对其进行检测，其能自动校准光源2的波长和/或用作光源光强大小的参考基准，从而保证了整个装置的测量精度和长期稳定性。
[0082]如图1所示，当第二光学元件4为能改变光路方向的光学元件，光路23经过所述第二光学元件4后，与原主光路Z会发生一定的偏折，沿着与原主光路Z —定夹角的方向Zl射出。
[0083]具体的，请参阅图16A、16B，分别为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件主视图和俯视图。所述第二光学元件4可为单楔形窗，其能够改变入射光的出射方向，具体的入射面为与光路相垂直，出射面与光路不垂直。如图16A所示，光路23经过所述第二光学元件4，发生一定的偏折，沿着光路24出射；当经过回返光学元件6后，沿着平行于光路24的光路25方向返回，透过所述第二光学元件4，形成与光路23相平行的光路
26 ο
[0084]请参阅图17Α、17Β，分别为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件主视图和俯视图。所述第二光学元件4可为双楔形窗，其能够改变入射光的出射方向，具体的入射光为非垂直入射。如图17Α所示，光路23经过所述第二光学元件4，发生一定的偏折，沿着光路24出射；当经过回返光学元件6后，沿着平行于光路24的光路25方向返回，透过所述第二光学元件4，形成与光路23相平行的光路26。
[0085]综上，当所述第二光学元件4为单楔形或双楔形光学元件时，所述光源2发出的光辐射沿着依次经过所述第一光学元件3、第二光学元件4的主光路Z方向出射时，其中从所述第二光学元件4透射出的主光路Zl相对于从第一光学元件3透射出的主光路Z会发生一定角度的偏折，从所述第二光学元件4透射出的光路沿着其主光路Zl射向所述回返光学元件6，所述回返光学元件6再将所述经过样品的光辐射沿着主光路相反的方向返回。
[0086]所述第一光学元件3、第二光学元件4的主光路方向由光源的波长、入射角、第一光学元件3和第二光学元件4的结构参数以及折射率、实际使用的限制条件等所共同决定，针对具体的问题，借助应用光学的知识以及几何学等，可方便设计出符合使用要求的实施方式。
[0087]在本实施方式中，所述样品测量装置通过设置光源2、第一光学元件3、第二光学元件4和检测单元，所述第一光学元件3能够将光源2发出的光辐射进行分光，所述分光后的光辐射作为参考光路，通过相应的检测单元对其进行检测，其能自动校准光源2的波长和/或用作光源光强大小的参考基准，从而保证了整个装置的测量精度和长期稳定性。
[0088]作为本实施例的一种优选实施方式，所述第一光学元件3和第二光学元件4可完全相同。具体的第一光学元件3和第二光学元件4可为楔形窗。由于无论从单个器件还是整个光路来看，均不存在相互平行的通光面，因此极大的降低了光学噪声，提高了测量精度。同时由于第一光学元件3和第二光学元件4完全相同，整个仪器的成本也相对较低。
[0089]此外，当实际环境中所述第一光学元件3至第二光学元件4之间的距离LI需要改变时，同样可以沿着主光路Z的方向改变所述第一光学元件3至所述第二光学元件4的距离LI ;若需要调节所述第二光学元件4至所述回返光学元件回返光学元件6之间的距离L2时，可以将所述回返光学元件回返光学元件6沿着所述主光路Zl的方向靠近所述第二光学元件4或远离所述第二光学元件4实现。因而，整个样品测量装置具有较好的通用性。
[0090]请参阅图18，为本实用新型实施例中一种样品测量系统布置图。使用时，所述样品测量系统包括:相互电联通的光源控制模块A、外光路调整模块B、样品测量装置C、样品测量监测模块D、样品测量控制模块E、光电探测模块F、数据采集和处理模块G、数据和图像输出模块H。
[0091]所述光源控制模块A，用于控制所述光源2的打开或关闭、频率调制、电流调谐、温度调谐等。
[0092]所述外光路调整模块B，用于改变所述光源2发出的光性质的信号，并将所述信号反馈给所述光源控制模块A。
[0093]所述样品测量监测模块D、用于监控所述容纳有待测样品的第三腔室30的工作状态、故障告警、在线实时标定所述样品测量装置C的等效吸收光程，并提供监测信号给样品测量控制模块E。
[0094]所述样品测量控制模块E，用于根据样品测量池监测模块13提供的监测信号在线实时校正样品测量装置C内光学器件的相对位置关系。
[0095]所述光电探测模块F，用于接收和探测样品测量装置C输出的光信号，并将光信号转化成电信号，进行信号的滤波、放大、模数转换等处理。
[0096]所述数据采集和处理模块G，用于采集井所述光电探测模块F转化后的光电数字信号，并进行平均、浓度计算等光谱信号处理。
[0097]所述数据和图像输出模块H，用于输出样品的光谱线、分子光谱吸收强度、浓度值等数据和图像信息。
[0098]此外，所述样品测量系统还可包括样品预处理模块I，其用于对待测样品进行预处理。所述样品预处理模块I能够用于加热待测样品、滤除样品中的水分、滤除样品中与测量无关的其他杂质、滤除粉尘等。
[0099]以上所述仅为本实用新型的几个实施例，虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用于限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。
【主权项】
1.一种样品测量装置，其特征在于，包括:光源、第一光学元件、第二光学元件、回返光学元件和检测单元，其中， 所述光源发出的光辐射依次经过所述第一光学元件、第二光学元件并形成主光路； 所述第一光学元件、第二光学元件将所述主光路分为输入段、过渡段和测量段； 所述主光路被回返光学元件反射后形成反射光路，所述反射光路在过渡段和测量段与主光路平行； 沿着所述主光路方向上，所述第一光学元件至第二光学元件之间的距离调节时，或第二光学元件至回返光学元件之间的距离调节时，反射光路与主光路保持平行； 所述检测单元包括第一探测器，所述第一探测器能接收主光路的光辐射。2.如权利要求1所述的样品测量装置，其特征在于:所述光源为激光、LED、氙灯、红外光源、超辐射光源、SLED、宽带光源中的任一种或几种组合。3.如权利要求1所述的样品测量装置，其特征在于:所述第一光学元件的两个通光面非平行，所述通光面能将所述光源发出的光辐射分束，分为第一光路、第二光路和主光路。4.如权利要求3所述的样品测量装置，其特征在于:所述第一光路上设置有能容置标准样品的参考室； 所述检测单元还包括与所述参考室相适配的第二探测器，所述第二探测器用于检测所述第一光路与所述标准样品相互作用后的光辐射。5.如权利要求3所述的样品测量装置，其特征在于:所述检测单元还包括第三探测器，其设置在所述第二光路上，用于接收所述第二光路的光辐射。6.如权利要求1至5任一所述的样品测量装置，其特征在于:所述第二光学元件为光焦度为零的光学元件，包括平板玻璃、弯月透镜、反射棱镜、单楔形窗、双楔形窗、望远镜光学组中的任意一种或多种组合。7.如权利要求6所述的样品测量装置，其特征在于:所述第二光学元件的通光面均为平面。8.如权利要求6所述的样品测量装置，其特征在于:所述回返光学元件为回返棱镜、直角棱镜、角锥棱镜、内反射膜反射镜、内反射膜直角镜、内反射膜三面镜中的任意一种或多种组合。9.如权利要求8所述的样品测量装置，其特征在于:所述回返光学元件包含待测样品接触面和光学反射面，所述待测样品接触面和光学反射面在结构上是分离的。10.如权利要求9所述的样品测量装置，其特征在于:所述回返光学元件的光学反射面为全反射面和/或镀有内反射膜。
【专利摘要】本实用新型公开了一种样品测量装置，包括：光源、第一光学元件、第二光学元件、回返光学元件和检测单元，其中，所述光源发出的光辐射依次经过所述第一、第二光学元件并形成主光路；所述第一、第二光学元件将所述主光路分为输入段、过渡段和测量段；所述主光路被回返光学元件反射后形成反射光路，所述反射光路在过渡段和测量段与主光路平行；沿着所述主光路方向上，所述第一光学元件至第二光学元件之间的距离调节时，或第二光学元件至回返光学元件之间的距离调节时，反射光路与主光路保持平行；所述检测单元包括第一探测器，所述第一探测器能接收主光路与待测样品相互作用后的光辐射。本实用新型所述样品测量装置，其能够满足通用性要求。
【IPC分类】G01N21/01, G01N21/31
【公开号】CN204694626
【申请号】CN201520389397
【发明人】邓文平, 赵辉
【申请人】苏州谱道光电科技有限公司
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年6月8日
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种样品分析检测领域，特别涉及一种样品测量装置。
【背景技术】
[0002]光谱技术可对样品进行分析检测，其可以用于检测包括呈气态、液态、固态及两种及以上混合物的物化性质。吸收光谱是实用性很强的一种光谱技术，其基本原理是:假设在光的散射作用可以被忽略的前提下，将入射光通过一定长度的待测样品，然后测量透射光辐射的强度，所述透射光相对于入射光辐射的强度的衰减定义为吸收。通过对吸收光的定性和定量分析能够获得待测样品的相应物化性质。基于所述吸收光谱技术设计制造的光谱仪器可应用的领域众多，包括电厂、环保、水泥厂、石化化工、玻璃制造等行业。
[0003]所述光谱仪器实际使用时，将一束一定频率的光照射在待测样品上，样品中的介质与电磁波作用，介质内部吸收电磁波辐射的能量而发生量子化的能级跃迀，从低能级跃迀到高能级。不同介质的分子(原子)结构不同所决定的其能量级差也不同，从而决定了可吸收的光的频率也不同，通过测量被吸收的光的波长和强度，可以得到被测介质的特征吸收光谱，通过对吸收光谱进行定性定量分析，能够得到分子(原子)的绝对浓度和绝对吸收截面等信息。
[0004]在实际的工业过程中，由于环境复杂多变，要求光谱仪器具有较强的通用性，以此满足不同平台的使用。然而目前市场上存在光谱仪器其通用性较差，针对不同的测量环境，通常需要制造不同的光谱仪器来分别进行检测分析。
[0005]为此，有必要提出一种能够满足通用性要求的光谱测量仪器。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型的目的是提供一种样品测量装置，其能够满足通用性要求。
[0007]本实用新型的上述目的可采用下列技术方案来实现:
[0008]一种样品测量装置，包括:光源、第一光学元件、第二光学元件、回返光学元件和检测单元，其中，所述光源发出的光辐射依次经过所述第一光学元件、第二光学元件并形成主光路；所述第一光学元件、第二光学元件将所述主光路分为输入段、过渡段和测量段；所述主光路被回返光学元件反射后形成反射光路，所述反射光路在过渡段和测量段与主光路平行；沿着所述主光路方向上，所述第一光学元件至第二光学元件之间的距离调节时，或第二光学元件至回返光学元件之间的距离调节时，反射光路与主光路保持平行；所述检测单元包括第一探测器，所述第一探测器能接收主光路与待测样品相互作用后的光辐射。
[0009]在优选的实施方式中，所述光源为激光、LED、氙灯、红外光源、超辐射光源、SLED,宽带光源中的任一种或几种组合。
[0010]在优选的实施方式中，所述第一光学元件的两个通光面非平行，所述通光面能将所述光源发出的光福射分束，分为第一光路、第二光路和主光路。
[0011]在优选的实施方式中，所述第一光路上设置有能容置标准样品的参考室；
[0012]所述检测单元还包括与所述参考室相适配的第二探测器，所述第二探测器用于检测所述第一光路与所述标准样品相互作用后的光辐射。
[0013]在优选的实施方式中，所述检测单元还包括第三探测器，其设置在所述第二光路上，用于接收所述第二光路的光辐射。
[0014]在优选的实施方式中，所述第二光学元件为光焦度为零的光学元件，包括平板玻璃、弯月透镜、反射棱镜、单楔形窗、双楔形窗、望远镜光学组中的任意一种或多种组合。
[0015]在优选的实施方式中，所述第二光学元件的通光面均为平面。
[0016]在优选的实施方式中，所述回返光学元件为回返棱镜、直角棱镜、角锥棱镜、内反射膜反射镜、内反射膜直角镜、内反射膜三面镜中的任意一种或多种组合。
[0017]在优选的实施方式中，所述回返光学元件包含待测样品接触面和光学反射面，所述待测样品接触面和光学反射面在结构上是分离的。
[0018]在优选的实施方式中，所述回返光学元件的光学反射面为全反射面和/或镀有内反射膜。
[0019]本实用新型的特点和优点是:本实用新型所述样品测量装置通过设置光源、第一光学元件、第二光学元件、回返光学元件和检测单元。所述光源发出的光辐射依次经过所述第一光学元件、第二光学元件并形成主光路；所述第一光学元件、第二光学元件将所述主光路分为输入段、过渡段和测量段，所述主光路被回返光学元件反射后形成反射光路，所述反射光路在过渡段和测量段与主光路平行沿着所述主光路方向上，所述第一光学元件至第二光学元件之间的距离，或第二光学元件至回返光学元件之间的距离可调节，当调节所述第一光学元件至第二光学元件之间的距离，或第二光学元件至回返光学元件之间的距离时，所述反射光路在过渡段和测量段与相应的主光路保持平行，使得所述样品测量装置位于主光路的光学元件沿着所述主光路的方向移动时，不会对整个光路有任何影响，其能够根据实际使用环境设置所述第一光学元件至第二光学元件之间的距离，或第二光学元件至回返光学元件之间的距离以适应不同的检测环境，因而整个样品测量装置具有较好的通用性。
[0020]本实用新型还有一个附加的特点和优点是:本实用新型所述的第二光学元件的样品接触面能耐腐蚀耐污染、且所述回返光学元件的样品接触面和反射面在结构上是分离的，所述回返光学元件的样品接触面也能耐腐蚀耐污染。因而整个样品测量装置具有极强的环境适应性，可以长期可靠的应用在工业过程领域。
【附图说明】
[0021]图1A是本实用新型实施例中一种样品测量装置的光路传播主视图；
[0022]图1B是本实用新型实施例中一种样品测量装置的光路传播俯视图；
[0023]图2是现有技术中一种反射镜的光路传播示意图；
[0024]图3是本实用新型实施例中一种样品测量装置中回返光学元件的光路传播示意图；
[0025]图4是本实用新型实施例中一种样品测量装置中回返光学元件的结构示意图；
[0026]图4.1是全反射原理示意图；
[0027]图5A是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件的主视图；
[0028]图5B是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件的左视图；
[0029]图6是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图；
[0030]图7是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图；
[0031]图8是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图；
[0032]图9是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图；
[0033]图10是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图；
[0034]图11是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图；
[0035]图12A是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件布置示意图；
[0036]图12B是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播不意图；
[0037]图13A是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件布置示意图；
[0038]图13B是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播不意图；
[0039]图14是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图；
[0040]图15是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图；
[0041]图16A是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件主视图；
[0042]图16B是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件俯视图；
[0043]图17A是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件主视图；
[0044]图17B是本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件俯视图；
[0045]图18是本实用新型实施例中一种样品测量系统布置图。
【具体实施方式】
[0046]下面将结合附图和具体实施例，对本实用新型的技术方案作详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。
[0047]本实用新型的目的是提供一种样品测量装置，其能够满足通用性要求。[0048]请参阅图1A和图1B，为本实用新型实施例中一种样品测量装置的光路传播主视图和俯视图。所述样品测量装置包括:光源2、第一光学元件3、第二光学元件4、回返光学元件6和检测单元。其中，所述光源2发出的光辐射依次经过所述第一光学元件3、第二光学元件4并形成主光路Z。具体的，如图1B所示，光源2发出的光辐射沿着光路20传播至所述第一光学元件3，接着从所述第一光学元件3透射出，沿着光路23传播至所述第二光学元件4，然后从所述第二光学元件4透射出，沿着光路24传播至所述回返光学元件6，经过所述回返光学元件6反射后，沿着与原来的光路相平行的方向返回。在所述主光路Z方向上。所述第一光学元件3、第二光学元件4将所述主光路Z分为输入段、过渡段和测量段。所述输入段为光源2至所述第一光学元件3之间的区域；所述过渡段为所述第一光学元件3至第二光学元件4之间的区域；所述测量段为所述第二光学元件4至回返光学元件6之间的区域，所述测量段位置设置有待测样品。所述主光路Z被回返光学元件6反射后形成反射光路，所述反射光路在过渡段和测量段与主光路Z平行。具体的，光路24经过所述回返光学元件6反射后形成与所述光路24相平行的光路25，光辐射沿着光路25传播至所述第二光学元件4时，从所述第二光学元件4中透射出，然后沿着光路26传播至第一光学元件3。所述反射光路与主光路Z在过渡段和测量段的平行是名义上的平行，具体的是忽略装配误差、制造误差等误差后的相对平行。沿着所述主光路Z方向上，所述第一光学元件3至第二光学元件4之间的距离调节时，或第二光学元件4至回返光学元件6之间的距离调节时，反射光路25，与主光路23保持平行，以及反射光路26与主光路24保持平行；所述检测单元包括第一探测器51，所述第一探测器51能接收主光路Z与待测样品相互作用后的光辐射。
[0049]本实用新型所述样品测量装置，在沿着所述主光路Z方向上，所述第一光学元件3至第二光学元件4之间的距离LI，或第二光学元件4至回返光学元件6之间的距离L2可调节，当调节所述第一光学元件3至第二光学元件4之间的距离LI，或第二光学元件4至回返光学元件6之间的距离L2时，所述反射光路在过渡段和测量段与相应的主光路平行，使得在过渡段和测量段所述样品测量装置位于主光路Z的光学元件沿着所述主光路Z的方向移动时，不会对整个光路有任何影响，其能够根据实际使用环境设置所述第一光学元件3至第二光学元件4之间的距离，或第二光学元件4至回返光学元件6之间的距离以适应不同的检测环境，因而整个样品测量装置具有较好的通用性。
[0050]在所述输入段位置可设置有光源2等器件。所述测量段用于容置待测样品，所述测量段可为开放的测量环境，也可为封闭的测量。所述测量段内通常为高温、高压、高粉尘等恶劣的条件，所述待测样品很多情况下会对光源2等光学器件产生腐蚀，因此在所述输入段与所述测量段之间设置有所述过渡段，用于将所述测量段与所述输入段相隔离，从而保证整个样品测量装置使用时安全、可靠。在实际使用环境下，根据具体的环境参数不同和/或测量样品的不同，所需的过渡段的长度也不相同。例如，所述第一光学元件3、第二光学元件4之间通过可拆卸的方式或可移动的方式设置。
[0051]所述光源2的具体形式可根据使用的探测技术和使用要求的不同而选择，具体的其可以为激光、LED、氙灯、红外光源、超辐射光源、SLED、宽带光源中的任一种或几种组合。
[0052]所述第一光学元件3具有两个通光面，分别为入射面31和出射面32，所述的两个通光面非平行。所述光源I发出的光辐射在入射面31和出射面32上的法线具有夹角，所述夹角大于O度。所述第一光学元件3可为具有至少两个通光平面非平行的楔形块。所述第一光学元件3能将光源2发出的光辐射进行分光，分为第一光路21、第二光路22和主光路23。所述第一光路21、第二光路22为参考光路，具体的，所述第一光路21为反射光，其在所述入射平面31上反射回所述输入段；所述第二光路22，其透过所述第一光学元件3的入射面31从其出射面32返回所述输入段内。所述主光路23沿着主光路Z方向传播至所述过渡段。所述主光路23能通过所述第二光学元件4耦合进入所述测量段。
[0053]所述第一探测器51可位于所述输入段位置，所述光源2发出的光线沿着贯穿所述第一光学元件3、第二光学元件4的主光路Z方向出射。所述测量段位置设置有回返光学元件6，所述回返光学元件6可将入射光偏转后反射，被回返光学元件6反射后反射光和入射光名义上保持平行，所述回返光学元件6包含待测样品接触面61和光学反射面62，所述待测样品接触面61和光学反射面62在结构上是分离的。例如可包括、直角棱镜、角锥棱镜、内反射膜反射镜、内反射膜直角镜、内反射膜三面镜中的任意一种或多种组合。显然，直角棱镜、角锥棱镜的样品接触面和反射面在结构上是分离的。
[0054]请参阅图2，为现有技术中一种反射镜的光路传播示意图。现有技术中，常见的反射镜8为镀外反射膜的反射镜8，其包括基体80和镀在所述基体80外表面上的反射膜81。如图2所示，光辐射以一定角度射向所述反射镜8时，其通过所述反射膜81直接被反射出。实际使用时，由于所述反射膜81为样品接触面同时也是光学反射面，即样品接触面与光学反射面结构上是非分离设置的。通常情况下，反射镜8所处的环境为高温、高湿、高粉尘、高腐蚀等恶劣的环境，当所述反射膜81直接暴露在这样恶劣的环境中时，容易被污染、腐蚀，从而影响反射性能。
[0055]请参阅图3，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中回返光学元件的光路传播示意图。所述回返光学元件6包括基体60和镀在所述基体60内表面上的内反射膜600，即所述回返光学元件6为内反射膜反射镜。当所述回返光学元件6为内反射膜反射镜时，其具有结构上相分离的样品接触面61和光学反射面62，在所述光学反射面62镀有内反射膜600，所述内反射膜600可为高反射率的介质膜或金属膜，用于增强反射效果。由于所述内反射膜600为设置在所述光学反射面62内侧的后镀膜，当所述回返光学元件6位于高温、尚湿、尚粉尘、尚腐蚀性的样品中时，所述待测样品和/或待测样品中的杂质不会进入内反射膜600内部和内反射膜600与回返光学元件6的光学反射面62的连接处，因此所述回返光学元件6的内反射膜600不会受到污染、损伤，其反射性能也不会受到影响。如此，本实用新型所述的样品测量装置的环境适应性得到了极大的提升。
[0056]在所述回返光学元件6的反射面上还可以设置保护结构，例如，当所述回返光学元件6具体为直角棱镜时，所述反射棱镜为直角棱镜的直角反射面设置有保护结构，具体的，所述保护结构为机械结构。通过设置机械结构以保护反射面免于刮伤、阻止气体及水份等杂质和反射面接触。另外也可于所述反射面附近放置干燥剂，或者反射面和机械结构间设置为高真空或充入惰性气体等方式保护所述回返光学元件6，防止其被污染或损坏。所述回返光学元件6可将入射光线反射，反射后的光线和入射光线保持平行，且入射光线和反射光线之间具有一定的距离，例如2毫米。
[0057]请参阅图4，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中回返光学元件的结构示意图。所述回返光学元件6具体的可为内反射膜直角镜，其具有相互垂直的两个光学反射面分别为第一光学反射面63和第二光学反射面64。光路24经所述第一光学反射面63反射后，传播至所述第二光学反射面64，经所述第二光学反射面64再次反射出形成光路25，所述光路24、光路25能保持相互平行。
[0058]所述回返光学元件6可为镀内反射膜三面镜，其具有两两相互垂直的三个光学反射面。光路24依次经过三个光学反射面反射后形成光路25，所述光路24、光路25能保持相互平行。
[0059]所述回返光学元件6也可由镀内反射膜的直角镜或镀内反射膜的三面镜和/或内反射膜直角镜以阵列排布的形式构成，样品接触面和反射面分离，反射面镀有内反射膜，但其具体形式不作限制。
[0060]所述回返光学元件6的光学反射面可为全反射面。如图4.1所示，为全反射原理示意图。全反射是指光从光密介质(其折射率为nl)，入射到光疏介质(其折射率为n2，其中nl>n2)，当入射角α大于临界角β时，其中β = arcsin(n2/nl)，光能全部返回光密介质的现象，此时，光密介质和光疏介质的交界面X称为全反射面。所述全反射面能够将光无损地返回。
[0061]此外，所述回返光学元件6的光学反射面可以既为全反射面同时镀有内反射膜。使入射角α大于临界角β，此时不仅能够保护反射膜而且能够将光无损返回。
[0062]所述参考室54 设置在所述第一光路21上，其能够与所述第一光路21相互作用并将其向外透射出；所述检测单元还包括与所述参考室54相适配的第二探测器52，所述第二探测器52用于检测所述第一光路21与所述标准样品相互作用后的光辐射。所述标准样品可为气体，实际检测时，通过扫描所述标准样品的吸收峰位置，通过算法改变激光器的工作条件(例如工作电流、工作温度等)，可以在线实时校准所述光源2的波长，由于光源2的波长随环境，特别是温度极易变化。当设置所述第二探测器52，使其对所述光源2的波长进行校准后，能够使得测量结果稳定，精度高，重复性好。更进一步，如果标准样品的某参数(种类、浓度、温度或压力)已知时，例如当标准样品为气体，且气体的浓度已知时，所述第二探测器接收到的光电信号可作为参比信号，通过算法，可实现样品测量装置的进行在线标定。
[0063]此外，所述检测单元还包括第三探测器53，其设置在所述第二光路22上，用于接收所述第二光路22的光辐射。所述第三探测器53接收的第二光路22的光辐射能够作为所述光源2大小的参考基准，从而能够根据所述第二光路22的光辐射信息改善光源2的工作状态、光强变化等问题，大大提高了整个样品测量装置的测量精度和可靠性。所述第一光路21与第二光路22上的器件可以互换，即所述参考室54也可设置在第二光路22上。具体的，在实际使用时，可以只用其中一路参考光和主光路，或者不用参考光只用主光路。
[0064]请参阅图5Α和5Β，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件的结构示意图。所述第二光学元件4可为光焦度为零的光学元件或系统，也可为具有光焦度的光学元件或系统。如图5Β所示，所述第二光学元件4的通光口径的形状并不作限定，可为矩形、圆形等各种形状。同样的所述第一光学元件3的通光口径的形状并不作限定，可为矩形、圆形等各种形状。
[0065]当所述第二光学元件4为光焦度为零的光学元件或光学系统时，所述第二光学元件4可为平板玻璃、弯月透镜、反射棱镜、单楔形窗、双楔形窗、望远镜光学组中的任意一种或多种组合。
[0066]请参阅图6，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图。具体的，所述第二光学元件4可为平板玻璃。当光路23进入所述第二光学元件4后，直接穿透所述第二光学元件4，沿着光路24出射，经过回返光学元件6后，沿着与所述光路24平行的光路25方向返回，再次进入所述第二光学元件4，穿透过所述第二光学元件4后，沿着光路26出射。
[0067]请参阅图7，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图。具体的，所述第二光学元件4可为无焦的弯月透镜，其光路的传播方向如图7所示，与所述图6中的平板玻璃类似。
[0068]请参阅图8，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图。具体的，所述第二光学元件4可为平行四边形棱镜，其光路的传播方向如图8所示，与所述图6中的平板玻璃类似。
[0069]请参阅图9，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图。具体的，所述第二光学元件4可为直角棱镜，其光路的传播方向如图9所示，光路23传播至所述第二光学元件4后，在其内反射膜上发生发射，并从所述第二光学元件4透射出，其透射出的光路24与光路23相垂直。光路24经过回返光学元件6后，沿着与所述光路24平行的光路25方向返回，再次进入所述第二光学元件4，穿透过所述第二光学元件4后，沿着光路26出射。
[0070]请参阅图10，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图。具体的，所述第二光学元件4可为达夫棱镜，其光路的传播方向如图10所不O
[0071]请参阅图11，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图。具体的，所述第二光学元件4可为菱形棱镜，其光路的传播方向如图11所不O
[0072]请参阅图12A和12B，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件布置示意图及内部的光路传播示意图。具体的，所述第二光学元件4可为单楔形窗组，即所述第二光学元件4包括两个单楔形窗。如图12A所示，具有楔形面的两个窗口相互平行放置，使得光路23、光路24能够分别和光路25、光路26相平行。
[0073]请参阅图13A和13B，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件布置示意图及内部的光路传播示意图。具体的，所述第二光学元件4可为双楔形窗组，即所述第二光学元件4包括两个双楔形窗。如图13A所示，具有楔形面的两个窗口相互平行放置，使得光路23、光路24能够分别和光路25、光路26相平行。
[0074]请参阅图14，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图。具体的，所述第二光学元件4可为一种望远系统，包括两个平行设置的凸透镜，其光路的传播方向如图14所示，光路23、光路24能够分别和光路25、光路26相平行。
[0075]请参阅图15，为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件内部的光路传播示意图。具体的，所述第二光学元件4可为另一种望远系统，包括平行设置的一个凸透镜和一个凹透镜，其光路的传播方向如图15所示，光路23、光路24能够分别和光路25、光路26相平行。
[0076]从这些实施方式可看出，上述第二光学元件4的具体形式并不作限定，在本实用新型实施方式的启发下，现有的还有其他光学器件或光学系统均可应用在本实用新型中，以此满足通用性的要求。
[0077]在本实用新型所述的样品测量装置中，所述由于所述第二光学元件4为光焦度为零的光学元件或光学系统，其使得在调整光路时，无需对所述第二光学元件4进行特殊对准测量光束或校准焦点，所述第一光学元件3、第二光学元件4、回返光学元件回返光学元件6能够根据实际测量环境需要沿着所述主光路Z方向平行移动，因而本实用新型所述样品测量装置能够根据实际测量环境调整所述第一光学元件3至第二光学元件4的距离L1、以及所述第二光学元件4至回返光学元件回返光学元件6的距离L2，大大提高了整个样品测量装置的通用性。
[0078]在一个具体使用的环境下，例如检测烟囱中的气体时，所述第二光学元件4至所述第一光学元件3的距离LI与烟囱的壁厚相适配。例如所述第一光学元件3和第四光学元件4上分别设置法兰与所述烟囱进行密封连接。当所述烟囱壁壁厚相对较厚时，所述LI可以相应增大，当所述烟囱壁体积较大壁厚相对较厚时，所述L1、L2都可以相应增大，而对整个样品测量装置的光路没有任何影响，因此本实用新型所述样品测量装置通用性好，特别适用于复杂多变的测量环境。
[0079]在本实施方式中，所述第一光学元件3、第二光学元件4、回返光学元件6的制造材料可为玻璃，包括:熔凝石英、蓝宝石、氟化钙、金刚石、钇铝石榴石(YAG)、Si3N4、Zr02、Al203、Hf02等，以及其他在光波频率范围内为透明的介质，但不以此为限，由于该类材料具有化学惰性，该类材料制作的回返光学元件6其样品接触面不会被待测样品、待测样品所含杂质所破坏，但不以此为限，例如样品接触面附着有对待测样品、待测样品中的杂质具有化学惰性的材料。
[0080]综上所述，本实用新型所述样品测量装置通过设置光源2、第一光学元件3、第二光学元件4和检测单元，由于在沿着所述主光路Z方向上，所述第一光学元件3至第二光学元件4之间的距离LI，或第二光学元件4至回返光学元件回返光学元件6之间的距离L2可调节，当调节所述第一光学元件3至第二光学元件4之间的距离LI，或第二光学元件4至回返光学元件回返光学元件6之间的距离L2时，所述反射光路在过渡段和测量段上与主光路Z保持平行，使得所述样品测量装置位于主光路Z的光学元件沿着所述主光路Z的方向移动时，不会对整个光路有任何影响，其能够根据实际使用环境设置所述第一光学元件3至第二光学元件4之间的距离，或第二光学元件4至回返光学元件回返光学元件6之间的距离以适应不同的检测环境，因而整个样品测量装置具有较好的通用性。
[0081]此外，所述第一光学元件3能够将光源2发出的光福射进行分光，所述分光后的光辐射作为参考光路，通过相应的检测单元对其进行检测，其能自动校准光源2的波长和/或用作光源光强大小的参考基准，从而保证了整个装置的测量精度和长期稳定性。
[0082]如图1所示，当第二光学元件4为能改变光路方向的光学元件，光路23经过所述第二光学元件4后，与原主光路Z会发生一定的偏折，沿着与原主光路Z —定夹角的方向Zl射出。
[0083]具体的，请参阅图16A、16B，分别为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件主视图和俯视图。所述第二光学元件4可为单楔形窗，其能够改变入射光的出射方向，具体的入射面为与光路相垂直，出射面与光路不垂直。如图16A所示，光路23经过所述第二光学元件4，发生一定的偏折，沿着光路24出射；当经过回返光学元件6后，沿着平行于光路24的光路25方向返回，透过所述第二光学元件4，形成与光路23相平行的光路
26 ο
[0084]请参阅图17Α、17Β，分别为本实用新型实施例中一种样品测量装置中第二光学元件主视图和俯视图。所述第二光学元件4可为双楔形窗，其能够改变入射光的出射方向，具体的入射光为非垂直入射。如图17Α所示，光路23经过所述第二光学元件4，发生一定的偏折，沿着光路24出射；当经过回返光学元件6后，沿着平行于光路24的光路25方向返回，透过所述第二光学元件4，形成与光路23相平行的光路26。
[0085]综上，当所述第二光学元件4为单楔形或双楔形光学元件时，所述光源2发出的光辐射沿着依次经过所述第一光学元件3、第二光学元件4的主光路Z方向出射时，其中从所述第二光学元件4透射出的主光路Zl相对于从第一光学元件3透射出的主光路Z会发生一定角度的偏折，从所述第二光学元件4透射出的光路沿着其主光路Zl射向所述回返光学元件6，所述回返光学元件6再将所述经过样品的光辐射沿着主光路相反的方向返回。
[0086]所述第一光学元件3、第二光学元件4的主光路方向由光源的波长、入射角、第一光学元件3和第二光学元件4的结构参数以及折射率、实际使用的限制条件等所共同决定，针对具体的问题，借助应用光学的知识以及几何学等，可方便设计出符合使用要求的实施方式。
[0087]在本实施方式中，所述样品测量装置通过设置光源2、第一光学元件3、第二光学元件4和检测单元，所述第一光学元件3能够将光源2发出的光辐射进行分光，所述分光后的光辐射作为参考光路，通过相应的检测单元对其进行检测，其能自动校准光源2的波长和/或用作光源光强大小的参考基准，从而保证了整个装置的测量精度和长期稳定性。
[0088]作为本实施例的一种优选实施方式，所述第一光学元件3和第二光学元件4可完全相同。具体的第一光学元件3和第二光学元件4可为楔形窗。由于无论从单个器件还是整个光路来看，均不存在相互平行的通光面，因此极大的降低了光学噪声，提高了测量精度。同时由于第一光学元件3和第二光学元件4完全相同，整个仪器的成本也相对较低。
[0089]此外，当实际环境中所述第一光学元件3至第二光学元件4之间的距离LI需要改变时，同样可以沿着主光路Z的方向改变所述第一光学元件3至所述第二光学元件4的距离LI ;若需要调节所述第二光学元件4至所述回返光学元件回返光学元件6之间的距离L2时，可以将所述回返光学元件回返光学元件6沿着所述主光路Zl的方向靠近所述第二光学元件4或远离所述第二光学元件4实现。因而，整个样品测量装置具有较好的通用性。
[0090]请参阅图18，为本实用新型实施例中一种样品测量系统布置图。使用时，所述样品测量系统包括:相互电联通的光源控制模块A、外光路调整模块B、样品测量装置C、样品测量监测模块D、样品测量控制模块E、光电探测模块F、数据采集和处理模块G、数据和图像输出模块H。
[0091]所述光源控制模块A，用于控制所述光源2的打开或关闭、频率调制、电流调谐、温度调谐等。
[0092]所述外光路调整模块B，用于改变所述光源2发出的光性质的信号，并将所述信号反馈给所述光源控制模块A。
[0093]所述样品测量监测模块D、用于监控所述容纳有待测样品的第三腔室30的工作状态、故障告警、在线实时标定所述样品测量装置C的等效吸收光程，并提供监测信号给样品测量控制模块E。
[0094]所述样品测量控制模块E，用于根据样品测量池监测模块13提供的监测信号在线实时校正样品测量装置C内光学器件的相对位置关系。
[0095]所述光电探测模块F，用于接收和探测样品测量装置C输出的光信号，并将光信号转化成电信号，进行信号的滤波、放大、模数转换等处理。
[0096]所述数据采集和处理模块G，用于采集井所述光电探测模块F转化后的光电数字信号，并进行平均、浓度计算等光谱信号处理。
[0097]所述数据和图像输出模块H，用于输出样品的光谱线、分子光谱吸收强度、浓度值等数据和图像信息。
[0098]此外，所述样品测量系统还可包括样品预处理模块I，其用于对待测样品进行预处理。所述样品预处理模块I能够用于加热待测样品、滤除样品中的水分、滤除样品中与测量无关的其他杂质、滤除粉尘等。
[0099]以上所述仅为本实用新型的几个实施例，虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用于限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。
【主权项】
1.一种样品测量装置，其特征在于，包括:光源、第一光学元件、第二光学元件、回返光学元件和检测单元，其中， 所述光源发出的光辐射依次经过所述第一光学元件、第二光学元件并形成主光路； 所述第一光学元件、第二光学元件将所述主光路分为输入段、过渡段和测量段； 所述主光路被回返光学元件反射后形成反射光路，所述反射光路在过渡段和测量段与主光路平行； 沿着所述主光路方向上，所述第一光学元件至第二光学元件之间的距离调节时，或第二光学元件至回返光学元件之间的距离调节时，反射光路与主光路保持平行； 所述检测单元包括第一探测器，所述第一探测器能接收主光路的光辐射。2.如权利要求1所述的样品测量装置，其特征在于:所述光源为激光、LED、氙灯、红外光源、超辐射光源、SLED、宽带光源中的任一种或几种组合。3.如权利要求1所述的样品测量装置，其特征在于:所述第一光学元件的两个通光面非平行，所述通光面能将所述光源发出的光辐射分束，分为第一光路、第二光路和主光路。4.如权利要求3所述的样品测量装置，其特征在于:所述第一光路上设置有能容置标准样品的参考室； 所述检测单元还包括与所述参考室相适配的第二探测器，所述第二探测器用于检测所述第一光路与所述标准样品相互作用后的光辐射。5.如权利要求3所述的样品测量装置，其特征在于:所述检测单元还包括第三探测器，其设置在所述第二光路上，用于接收所述第二光路的光辐射。6.如权利要求1至5任一所述的样品测量装置，其特征在于:所述第二光学元件为光焦度为零的光学元件，包括平板玻璃、弯月透镜、反射棱镜、单楔形窗、双楔形窗、望远镜光学组中的任意一种或多种组合。7.如权利要求6所述的样品测量装置，其特征在于:所述第二光学元件的通光面均为平面。8.如权利要求6所述的样品测量装置，其特征在于:所述回返光学元件为回返棱镜、直角棱镜、角锥棱镜、内反射膜反射镜、内反射膜直角镜、内反射膜三面镜中的任意一种或多种组合。9.如权利要求8所述的样品测量装置，其特征在于:所述回返光学元件包含待测样品接触面和光学反射面，所述待测样品接触面和光学反射面在结构上是分离的。10.如权利要求9所述的样品测量装置，其特征在于:所述回返光学元件的光学反射面为全反射面和/或镀有内反射膜。
【专利摘要】本实用新型公开了一种样品测量装置，包括：光源、第一光学元件、第二光学元件、回返光学元件和检测单元，其中，所述光源发出的光辐射依次经过所述第一、第二光学元件并形成主光路；所述第一、第二光学元件将所述主光路分为输入段、过渡段和测量段；所述主光路被回返光学元件反射后形成反射光路，所述反射光路在过渡段和测量段与主光路平行；沿着所述主光路方向上，所述第一光学元件至第二光学元件之间的距离调节时，或第二光学元件至回返光学元件之间的距离调节时，反射光路与主光路保持平行；所述检测单元包括第一探测器，所述第一探测器能接收主光路与待测样品相互作用后的光辐射。本实用新型所述样品测量装置，其能够满足通用性要求。
【IPC分类】G01N21/01, G01N21/31
【公开号】CN204694626
【申请号】CN201520389397
【发明人】邓文平, 赵辉
【申请人】苏州谱道光电科技有限公司
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年6月8日
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