用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種腔內長度可調節的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，通過精確的測量和反饋，以及精確的進給制動系統，實現測試腔所包含的內腔管和外腔管之間精確的相對位移，從而實現腔體的內部長度調節，從而實現一個腔體測量多種光譜相隔很遠、吸收強度不同的氣體，針對每種氣體，濃度測量范圍可覆蓋從1×10?8到2％。
【專利說明】
用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種光腔衰蕩光譜技術領域中的測試腔，具體涉及一種用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔。
【背景技術】
[0002]光腔衰蕩光譜技術(以下簡稱CRDS技術)是一種高靈敏的吸收光譜技術，常常用作痕量氣體檢測以及鏡片反射率測量。
[0003]CRDS技術的歷史起源于1961年，當時Jackson通過通過改進法布里-珀羅腔增加了測量精度。1973年，Kastler測量到一束脈沖光進入法布里-珀羅腔后，由于鏡面的反射損耗，在腔后檢測到隨指數衰減的信號。1980年，隨著鍍膜技術的革新，鏡面反射率不斷的提高，傳統技術已經很難達到反射率測量的要求，Herbelin使用光學腔相移技術精確地得到了鏡面反射率。1984年，Anderson首次提出使用腔衰蕩技術測量鏡面反射率。到了 1988年，O，Keef e和Deacon首次提出了 CRDS技術，并用脈沖激光器測量了02在630nm處得吸收線，但是由于脈沖激光器線寬寬，頻率穩定度差，測量得到的分辨率很低。1996年D.Roman ini提出基于連續激光器的CRDS技術，基于連續激光器的高重復率、高穩定度和低噪聲，大大提高了檢測靈敏度。
[0004]根據朗伯比爾定律，當一束強度為1的光穿過氣體吸收介質時，強度會由于介質的吸收而衰減，檢測到的透射光強度將減小，而且光程越大，強度減小越明顯。吸收光譜技術就是通過比較初始光強以及透射光強的變化關系從而反演出吸收介質的濃度。光腔衰蕩光譜技術通過使用兩片高反鏡作為光學腔，將吸收光程大大增加，從而增加了探測靈敏度，光進入光學腔后在兩個高反鏡之間來回反射，每一次反射都會由于吸收介質的吸收而衰減，腔后的透射光將呈現指數衰減的形式，通過測量透射光強的衰減時間得到腔內的吸收介質濃度。從以上過程可以看出，不同于其他光譜技術，光腔衰蕩光譜技術測量的是光強的時間特性，而不是強度特性，所以光強度的起伏對于測量并沒有影響，從而對激光光源穩定性的依賴有所減小。
[0005]腔長在光腔衰蕩光譜技術中具有重要作用，在設計階段需要通過調整腔長以確定適合于特定被測氣體的腔長值。現有技術中大多采用固定長度的測試腔，設計完成后，針對于固定長度的測試腔其被測氣體的種類以及測量的動態范圍都會受到選定的腔長的限制，無法靈活的擴展，而能夠調節腔長的測試腔也存在很多不足之處，尤其是其密封性能達不到使用要求，往往造成使用效果的不足。
[0006]由于上述原因，本發明人對現有的測試腔技術做了深入研究，以便設計出能夠解決上述問題的測試腔。
【實用新型內容】
[0007]為了克服上述問題，本發明人進行了銳意研究，設計出一種腔內長度可調節的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，通過精確的測量和反饋，以及精確的進給制動系統，實現測試腔所包含的內腔管和外腔管之間精確的相對位移，從而實現腔體的內部長度調節，從而完成本實用新型。
[0008]具體來說，本實用新型的目的在于提供以下方面:
[0009](I) —種用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，其特征在于，該測試腔包括能夠相對滑動的內腔管I和外腔管2。
[0010](2)根據上述(I)所述的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，其特征在于，所述內腔管I和外腔管2之間保持密封。
[0011](3)根據上述(I)所述的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，其特征在于，在所述內腔管I和/或外腔管2上開設有進氣口和/或出氣口。
[0012](4)根據上述(I)所述的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，其特征在于，在內腔管I和/或外腔管2內設置有用于光腔衰蕩光譜技術的光學元件。
[0013](5)根據上述(I)所述的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，其特征在于，在所述內腔管I和/或外腔管2外部還設置有用于控制、測量所述內腔管I和/或外腔管2運動的控制組件。
[0014](6)根據上述(5)所述的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，其特征在于，所述控制組件包括執行機構4、驅動單元5、測量單元6、和控制單元7。
[0015](7)根據上述(1)-(6)之一所述的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，其特征在于，在所述內腔管I和外腔管2之間設置有密封單元3。
[0016](8)根據上述(7)所述的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，其特征在于，所述密封單元3包括第一密封圈31和第二密封圈32，所述第一密封圈31和第二密封圈32都呈環狀，其截面都為一端開口的U型；
[0017]優選地，在第一密封圈31上靠近所述內腔管I或外腔管2的外壁上設置有梯形凹槽33，在第二密封圈32上靠近所述內腔管I或外腔管2的外壁上設置有梯形凹槽33。
[0018](9)根據上述(8)所述的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，其特征在于，在第一密封圈31和第二密封圈32的開口端內都嵌入有用于向外撐大所述U型開口的支撐部件；
[0019]優選地，在第一密封圈31的開口端內嵌入的支撐部件為凸型壓緊環34，在第二密封圈32的開口端內嵌入的支撐部件為V型彈簧35。
[0020](10)根據上述(7)-(9)之一所述的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，其特征在于，所述密封單元3安裝在內腔管I和/或外腔管2上；
[0021]優選地，所述密封單元有一個或兩個或多個；
[0022]更優選地，在所述內腔管I和/或外腔管2上開設有用于容納所述密封單元的環形槽。
[0023]本實用新型所具有的有益效果包括:
[0024](I)根據本實用新型提供的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔具有控制組件，通過控制組件帶動內腔管或外腔管，使得測試腔的腔長可以靈活調節，根據測試的需要增加和縮短腔長。
[0025](2)根據本實用新型提供的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔通過調節測試腔的腔長，使得單一測試腔適用于不同種類氣體濃度的測量。
[0026](3)根據本實用新型提供的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔通過調節測試腔的腔長，增加了測量的動態范圍。
【附圖說明】
[0027]圖1示出根據本實用新型一種優選實施方式的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔結構示意圖；
[0028]圖2示出根據本實用新型另種優選實施方式的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔結構示意圖
[0029]圖3示出根據本實用新型另種優選實施方式的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔的密封單元結構示意圖
[0030]圖4示出根據本實用新型又種優選實施方式的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔結構示意圖
[0031]圖5示出根據本實用新型一種優選實施方式的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔的具體結構示意圖。
[0032]附圖標號說明:
[0033]1-內腔管
[0034]2-外腔管
[0035]3-密封單元
[0036]31-第一密封圈
[0037]32-第二密封圈
[0038]33-梯形凹槽
[0039]34-凸型壓緊環
[0040]35-V 型彈簧[0041 ] 4-執行機構
[0042]5-驅動單元
[0043]6-測量單元
[0044]7-控制單元
[0045]8-傳動塊
[0046]9-腔鏡
[0047]10-壓電陶瓷
[0048]11-殷鋼柱套
【具體實施方式】
[0049]下面通過附圖和實施例對本實用新型進一步詳細說明。通過這些說明，本實用新型的特點和優點將變得更為清楚明確。
[0050]在這里專用的詞“示例性”意為“用作例子、實施例或說明性”。這里作為“示例性”所說明的任何實施例不必解釋為優于或好于其它實施例。盡管在附圖中示出了實施例的各種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪制附圖。
[0051]根據本實用新型提供的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，如圖1中所示，該測試腔包括能夠相對滑動的內腔管I和外腔管2，所述內腔管I和外腔管2內部都具有足夠的預定空間，以便于放置其他部件，作為優選的實施方式，內腔管I和外腔管2的外形近似，大小略有不同，內腔管一端嵌入到外腔管中，二者可以相互滑動，達到長度可調的效果。優選地，所述內腔管I和外腔管2都采用具有低熱脹系數的殷鋼材料制備，在內腔管I和外腔管2的端面上設計置有中空的殷鋼柱套11，其中優選地，在外腔管2的殷鋼柱套上鑲有壓電陶瓷10，用于腔鏡的微調。
[0052]在一個優選的實施方式中，所述內腔管和外腔管之間保持密封，優選地，在內腔管和外腔管之間設置有密封單元3，以實現內腔管和外腔管之間的密封，另外，為了內腔管和外腔管之間滑動方便，在二者之間還放置有潤滑系統和潤滑材料。
[0053]在一個優選的實施方式中，如圖2、3、4中所示，所述密封單元3包括第一密封圈31和第二密封圈32，所述第一密封圈31和第二密封圈32都呈環狀，其截面都為一端開口的U型；
[0054]進一步優選地，如圖2在所示，所述密封圈的U型開口內部尺寸是不均勻的，其由內向外逐漸增大，具有一定的坡度;本實用新型中所述的密封圈是指第一密封圈31和第二密封圈32。
[0055]優選地，在第一密封圈31上靠近所述內腔管I或外腔管2的外壁上設置有梯形凹槽33，在第二密封圈32上靠近所述內腔管I或外腔管2的外壁上設置有梯形凹槽33，所述梯形凹槽的深度能夠隨著密封圈的變形大小而改變。所述密封圈是聚四氟乙烯密封圈，即該密封圈是由聚四氟乙烯制成的，具有一定的彈性。
[0056]在一個優選的實施方式中，在第一密封圈31和第二密封圈32的開口端內都嵌入有用于向外撐大所述U型開口的支撐部件；
[0057]優選地，在第一密封圈31的開口端內嵌入的支撐部件為凸型壓緊環34，在第二密封圈32的開口端內嵌入的支撐部件為V型彈簧35。其中，所述凸型壓緊環34不易發生形變，可以由剛性更強的材料制成，所述凸型壓緊環34的外形與密封圈的U型開口形狀相匹配，進一步地，所述凸型壓緊環34可以左右移動;具體來說，凸型壓緊環34能夠嵌入到所述密封圈的U型開口內，并且可以在密封圈的U型開口被壓迫時由于具有預定的坡度而被壓出一段距離，即凸型壓緊環34可以在有外界壓力的時候向外伸出一段距離，同樣，在外界壓力的作用下，所述凸型壓緊環34也可以向內移動，即被壓入到密封圈的U型開口內；
[0058]所述V型彈簧35具有較大的彈力，能夠最大限度地向外支撐所述密封圈的U型開
□ O
[0059]優選地，如圖2中所示，所述第一密封圈31和第二密封圈32串聯布置，即第一密封圈31和第二密封圈32的開口方向一致，都朝向右側，且所述第一密封圈在左，第二密封圈在右。
[0060]在一個優選的實施方式中，所述密封單元3安裝在內腔管I和/或外腔管2上;優選地，所述密封單元有一個或兩個或多個；
[0061]更優選地，如圖4中所示，在所述內腔管I和/或外腔管2上開設有用于容納所述密封單元的環形槽。
[0062]根據本實用新型提供的密封單元使得介質壓力越高，密封峰值應力越大，實現高壓密封。
[0063]在一個優選的實施方式中，在所述內腔管和/或外腔管上開設有進氣口和/或出氣口，以便于調節測試腔中的氣壓，所述進氣口和出氣口上分別連接有進氣管和出氣管，以便于控制腔內的氣體成分。
[0064]在一個優選的實施方式中，在內腔管和/或外腔管內設置有用于光腔衰蕩光譜技術的光學元件，所述光學元件包括腔鏡等能夠用在腔管中的光學元件，以便實現光腔衰蕩光譜的測量等實驗操作。優先地，如圖5中所示，所述腔鏡9設置在內腔管的端部，進一步地設置在中空的殷鋼柱套上，所述腔鏡為具有高反射率的平凹球面反射鏡，反射率大于99.9%。
[0065]在一個優選的實施方式中，在所述內腔管和/或外腔管外部還設置有用于控制、測量所述內腔管和/或外腔管運動的控制組件，所述控制組件包括執行機構4、驅動單元5、測量單元6、和控制單元7，根據被測氣體的吸收譜線位置、吸收強度以及所需的測量范圍，內腔管和/或外腔管在控制組件的帶動下精確地運動至指定位置。優先地，所述執行機構4包括氣浮導軌，在該導軌兩面間有氣腔，當氣體進入氣腔后，在兩導軌面之間形成一層極薄的氣模，且氣模厚度基本保持恒定不變。氣浮導軌可以使腔體得到無摩擦和無振動的平滑移動，同時具有誤差均化作用，可以保證腔體之間高精度的相對運動。
[0066]進一步優選地，將內腔管或外腔管之一固定，另外一個通過傳動塊8與執行機構上的滑塊連接在一起，執行機構4可以采用高精度導軌絲杠，測量單元6可以采用高精度光柵尺，驅動單元5由步進電機配合精密減速機和壓電陶瓷兩部分組成可以采用步進電機配合精密減速機，步進電機配合精密減速機用于實現位移量粗調，壓電陶瓷用于實現微位移，可以補償和修正材質和機理缺陷以及系統的非線性；控制單元7可以采用嵌入式ARM微處理器;導軌絲杠的傳動結構可保證內腔管I和外腔管2運動的同軸度;高精度光柵尺可準確測量位移的長度從而計算出調整后的測量腔長度;步進電機配合精密減速機和壓電陶瓷10相結合的驅動設計可以對位移進行細微的控制調節;嵌入式ARM微處理器通過測量光柵尺反饋的位置數據控制步進電機轉動;作為優選的實施方式，可以使內腔管固定，控制外腔管移動，也可以使外腔管固定，控制內腔管移動，還可以控制兩個腔管同時移動。
[0067]本實用新型提供的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔能夠通過使用一個腔體測量多種不同的氣體，這些氣體的光譜相隔很遠，并且吸收強度不同，針對每種氣體，濃度測量范圍可覆蓋從I X 10—8到2%。
[0068]本實用新型所具有的有益效果包括:
[0069](I)根據本實用新型提供的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔具有控制組件，通過控制組件帶動內腔管或外腔管，使得測試腔的腔長可以靈活調節，根據測試的需要增加和縮短腔長。
[0070](2)根據本實用新型提供的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔通過調節測試腔的腔長，使得單一測試腔適用于不同種類氣體濃度的測量。
[0071](3)根據本實用新型提供的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔通過調節測試腔的腔長，增加了測量的動態范圍。
[0072]以上結合了優選的實施方式對本實用新型進行了說明，不過這些實施方式僅是范例性的，僅起到說明性的作用。在此基礎上，可以對本實用新型進行多種替換和改進，這些均落入本實用新型的保護范圍內。
【主權項】
1.一種用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，其特征在于，該測試腔包括能夠相對滑動的內腔管(I)和外腔管(2)， 所述內腔管(I)和外腔管(2)之間保持密封， 在內腔管(I)和/或外腔管(2)內設置有用于光腔衰蕩光譜技術的光學元件， 在所述內腔管(I)和/或外腔管(2)外部還設置有用于控制、測量所述內腔管(I)和/或外腔管(2)運動的控制組件， 在所述內腔管(I)和外腔管(2)之間設置有密封單元(3)。2.根據權利要求1所述的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，其特征在于，在所述內腔管(I)和/或外腔管(2)上開設有進氣口和/或出氣口。3.根據權利要求1所述的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，其特征在于，所述控制組件包括執行機構(4)、驅動單元(5)、測量單元(6)、和控制單元(7)。4.根據權利要求1所述的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，其特征在于，所述密封單元(3)包括第一密封圈(31)和第二密封圈(32)，所述第一密封圈(31)和第二密封圈(32)都呈環狀，其截面都為一端開口的U型。5.根據權利要求4所述的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，其特征在于，在第一密封圈(31)上靠近所述內腔管(I)或外腔管(2)的外壁上設置有梯形凹槽(33)，在第二密封圈(32)上靠近所述內腔管(I)或外腔管(2)的外壁上設置有梯形凹槽(33)。6.根據權利要求4所述的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，其特征在于，在第一密封圈(31)和第二密封圈(32)的開口端內都嵌入有用于向外撐大所述U型開口的支撐部件。7.根據權利要求6所述的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，其特征在于，在第一密封圈(31)的開口端內嵌入的支撐部件為凸型壓緊環(34)，在第二密封圈(32)的開口端內嵌入的支撐部件為V型彈簧(35)。8.根據權利要求1-7之一所述的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，其特征在于，所述密封單元(3)安裝在內腔管(I)和/或外腔管(2)上。9.根據權利要求8所述的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，其特征在于，所述密封單元有一個或兩個或多個。10.根據權利要求9所述的用于光腔衰蕩光譜技術的連續可調長度測試腔，其特征在于，在所述內腔管(I)和/或外腔管(2)上開設有用于容納所述密封單元的環形槽。
【文檔編號】G01N21/31GK205506673SQ201620100253
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年2月1日
【發明人】張玥
【申請人】北京仁木科技有限公司