專利名稱：固定光柵分光陣列檢測型測油儀的制作方法
技術領域：
本發明屬一種測量裝置，特別涉及測量礦物油含量的儀器。
隨著礦物燃料的大量開采和廣泛使用，礦物油對水體和環境的污染已成為一個全球關注的、越來越嚴重的問題，在我國也不例外，現已成為我國環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，為了準確測量礦物油的含量，需對上述三個吸收峰進行測量。
與本發明測油儀相近的裝置是多功能紅外測油儀。多功能紅外測油儀由光源室、調制器、樣品室、單色器、紅外探測系統以及穩壓電源、信號處理電路、驅動電路、顯示器、打印機等部分組成。具體結構可參見圖1和圖2。它們分別是現有技術的工作原理方框圖和光學系統原理圖。圖中1為電源，是穩壓源，給光源2供電，光源2是穩定性好的鎢鹵素燈。3為調制器，由調制盤20、同步電機及光電藕合器等部件組成，實現光信號的調制并給檢測電路提供同步信號。4為樣品室，由吸收池24、樣品切換機構構成。吸收池24內的被測樣品接受光信號。該儀器采用單光路結構，參比、樣品依次進入光路進行測定，因此，由程序控制參比、樣品自動切換。樣品切換機構采用步進電機帶動的絲桿齒輪傳動機構并結合光電開關實現高精度的定位，載有吸收池24的載板沿垂直光軸方向往復運動，從而實現對吸收池24的位置切換。5為單色器，由準直物鏡26、余割型波長掃描機構、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構成，掃描范圍3400cm-1至2400cm-1。6為檢測器，屬于TGS型熱釋電檢測器。7為信號處理電路，完成電信號的選頻放大、同步檢波及模數轉換功能。最后信號由單片機系統進行分析處理，該系統包括單片機8、液晶顯示器9、打印機10、鍵盤11等。此外，12為步進電機驅動電路，它接受單片機8控制信號并驅動步進電機使樣品切換機構4和單色器5的光柵轉動。光學系統按光傳播方向順序為光源2、調制器3、反射鏡22、調制光聚光鏡23，吸收池24，之后光線匯聚在入射狹縫25。光束進入單色器5后，經準直物鏡26、光柵27、成象物鏡28，將單色光譜成象在出射狹縫29上。最后經過截止濾光片30、橢球鏡31，將單色光譜匯聚在探測器6窗口的TGS晶體32上。
現有技術的不足之處表現在儀器靈敏度較低，很難滿足地表水等低含量樣品的檢測，由朗伯一比爾定律可知，樣品吸收的有效光程長度與儀器檢測的靈敏度成正比，現有儀器吸收池的有效光程長度受空間和材料的限制，只有4cm左右；由于是單光路掃描測量儀器，需進行樣品、參比的切換，并且不能同時獲得兩個以上波長的信息，所以分析速度慢。另外機械傳動的切換機構難免會造成光路光通量的差異和測量精密度降低；由于對光源穩定性要求高，并且工作電流較大，使用穩壓供電模式難于達到穩定的要求。
本發明是為克服現有技術的不足，達到增長有效光程提高檢測靈敏度，提高檢測精度，準確度及可同時獲得三個或三個以上波長信息，提高分析速度、操作簡便、攜帶方便的目的。
為實現上述的目的，本發明采用液芯波導吸收池來增加有效光程，提高測量靈敏度；采用固定光柵分光和陣列檢測器聯用技術，實現同時、準確獲得三個或三個以上波長的高精度信息，從而提高分析速度；省去機械傳動、機械定位等機構從而最大限度的提高測量精度。
本發明的結構由圖3、圖4、圖5給出，具體敘述如下。
圖3中，1為電源，給光源2和調制器3的電機供電，本發明電源1可以采用穩流電源模式工作，也可以在電源1和光源2之間加光反饋系統，即以“穩光”工作模式工作，使光源2發光更加穩定；光源2為鎢鹵素燈；3為調制器，將光源2發出的光調制成方波光信號；光源2和調制器3均采用12伏直流供電可便攜使用。調制器3采用高精度的晶振提供準確頻率使調制頻率更加穩定，檢波的相位可由單片機方便調節，提供高準確度、高精密度的檢測同步信號，從而保證整機的檢測性能并且降低調制器3中的調制盤20的機加難度。按光傳播順序，其后分別為吸收池24、光柵分光系統34、陣列檢測器44。本發明的吸收池24是液芯波導吸收池。具體結構參見圖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內裝被檢測的液體，光在其內服從光波導傳播原理。由于管體46可彎曲制得很長，既可減小裝置的體積，又可獲得很長的有效光程。光柵分光系統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(參見圖4)。陣列檢測器44是由三個或三個以上檢測單元集成的檢測器，能同時獲得光柵分光系統34同時發出的三個或三個以上波長的光譜信息。經陣列檢測器44將三個或三個以上波長的單色光信號變為相應的電信號后傳給信號處理電路7，最后由單片機8，液晶顯示器9，打印機10，鍵盤11組成的單片機系統進行分析處理。前述的本發明的各組成部分，分別為獨立構件，它們的位置關系由按需要設計的光學系統決定。
與現有技術比較，省去了步進電機驅動電路12和樣品切換機構等，使本發明的各種構件均為固定構件，因而提高儀器的測量精度和穩定性，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是調制器3的調制盤，22是反射鏡，23是調制光聚光鏡，25是入射狹縫，它們與現有技術的結構基本相同。24是吸收池，采用液芯波導吸收池。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34。從吸收池24經入射狹縫25的光線，經平面反射鏡41反射、經固定光柵42分光、經聚光鏡43聚光后，由陣列檢測器44接收檢測。
圖5給出液芯波導吸收池的結構。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四氯化碳、四氯乙烯等被檢測的樣品的折射率。其兩端安裝在金屬套47內。金屬套47為中空的，兩端開口，一端裝入吸收池管體46，相對的另一端裝有光學耦合元件48。為了固定光學耦合元件48和吸收池管體46，同時要做到密封，在光學耦合元件48外側裝有壓圈49，在金屬套47內裝有密封內襯50。為了裝入被測樣品。在吸收池管體46兩端的金屬套47上還分別裝有進樣管51，出樣管52。本發明中液芯波導吸收池，大大增加了有效光程，而提高了測量靈敏度，同時，樣品用量少，可實現連續監測。采用程控自動或手動注射器的樣品引入機構，從而避免有機溶劑曝露在空氣中帶來的污染，使操作變得安全簡便，減少操作人員與有機試劑接觸造成傷害。
本發明電源1和光源2之間的光反饋系統，由光傳感器、控制電路和調節電路構成。即用傳感器把光源發出的特定波段的輻射轉換為電信號，并與基準信號進行比較，得到調整信號去控制調節電路，調節供電電流，使光源2的輻射強度穩定。克服現有技術中穩壓或穩流的間接控制模式造成的光輻射強度不穩定因素，從而真正實現“穩光”。
本發明的固定光柵分光陣列檢測型測油儀，由于采用12伏直流供電，采用液芯波導技術，并減少了步進電機驅動機構，因而體積小，重量輕，便于攜帶，適用于野外檢測。由于無可動部件，最大限度的提高了儀器的穩定性和測量精度。由于使用液芯波導技術而大大提高了檢測靈敏度，靈敏度比現有技術提高5～10倍。由于同時進行三個或三個以上波長的測量，大大縮短了分析時可，可同時得到總礦物油或烷烴和芳香烴含量的檢測結果，操作簡單，并能實現在線和連續監測水體中的礦物油含量。
圖1是現有技術的工作原理圖。
圖2是現有技術的光學系統原理圖。
圖3是本發明的工作原理圖。
圖4是本發明的光學系統原理圖。
圖5是本發明的液芯波導吸收池結構示意圖
權利要求
1.一種固定光柵分光陣列檢測型測油儀，結構包括有光源(2)，對光源(2)發出的光進行調制的調制器(3)，為光源(2)和調制器(3)的電機供電的電源(1)，以及信號處理電路(7)，單片機系統；按光路順序，調制器(3)之后是反射鏡(22)、調制光聚光鏡(23)和吸收池(24)，其特征在于，結構還包括光柵分光系統(34)、陣列檢測器(44)；光柵分光系統(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；陣列檢測器(44)由三個或三個以上熱釋電檢測單元集成；所說的吸收池(24)是液芯波導吸收池；經陣列檢測器(44)將三個或三個以上波長的單色光信號變為電信號后傳給信號處理電路(7)。
2.按照權利要求1所述的固定光柵分光陣列檢測型測油儀，其特征在于，所說的液芯波導吸收池，其結構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)內裝有被檢測液體時光服從光波導傳輸原理，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)，相對的另一端裝有光學耦合元件(48)，在光學耦合元件(48)外側裝有壓圈(49)，并裝有密封內襯(50)，管體(46)兩端的金屬套(47)還分別裝有進樣管(51)和出樣管(52)。
3.按照權利要求1或2所述的固定光柵分光陣列檢測型測油儀，其特征在于，在光源(2)和電源(1)之間裝有直接穩光的光反饋系統，它由光傳感器件、控制電路和調節電路構成。
4.按照權利要求1或2所述的固定光柵分光陣列檢測型測油儀，其特征在于，調制器(3)，它由單片機系統、光耦合器、驅動電路、步進電機和調制盤(20)構成。
5.按照權利要求3所述的固定光柵分光陣列檢測型測油儀，其特征在于，調制器(3)，它由單片機系統、光耦合器、驅動電路、步進電機和調制盤(20)構成。
全文摘要
本發明屬測量礦物油含量的儀器。按光路順序,它由電源(1),光源(2),調制盤(20),調制光聚光鏡(23),液芯波導吸收池(24),光柵分光系統(34),由三個以上檢測單元集成的陣列檢測器(44)及單片機系統構成。光柵分光系統(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),它能同時發出三個以上波長的光譜信息。本發明提高了體系的靈敏度和定位精度、縮短了分析時間、操作簡單、便于攜帶。
文檔編號G01N21/35GK1327153SQ0111403
公開日2001年12月19日 申請日期2001年6月2日 優先權日2001年6月2日
發明者金欽漢, 鄭健, 李寶華, 周建光, 于愛民, 張寒琦 申請人:吉林大學