專利名稱：在線寬光譜水質(zhì)分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電檢測技術(shù)領(lǐng)域的分析儀，具體涉及一種紫外可見近紅外的在線寬光譜水質(zhì)分析儀。
背景技術(shù)：
光譜分析儀的應(yīng)用及其廣泛，比如研究物質(zhì)的輻射；研究光與物質(zhì)的相互作用； 研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)含量的定量和定性分析；探測遙遠星體和太陽的大小、質(zhì)量、溫度、運 動速度和方向等。在采礦、冶金、石油、化工等行業(yè)，光譜分析儀用于物質(zhì)定性和定量分析， 是控制產(chǎn)品質(zhì)量的主要手段之一；在生物化學(xué)和醫(yī)學(xué)中，光譜分析儀用于微量元素含量分 析。光譜分析儀在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用是個嶄新的領(lǐng)域。目前，現(xiàn)有的光譜分析儀多用于實驗室或者工業(yè)生產(chǎn)中，不適合水質(zhì)在線監(jiān)測，更 不能把光譜分析儀放在水中，而且這些光譜分析儀有諸如體積龐大、使用環(huán)境要求苛刻、光 譜范圍窄和維護成本高等缺點。多數(shù)水下測量裝置都是采用空氣壓縮清洗，不僅浪費能源， 而且噪音較大，不符合環(huán)保理念。有的設(shè)備就沒有自動清洗功能，導(dǎo)致需要大量的人力去維 護，不能做到實時的清洗，從而導(dǎo)致儀器的使用壽命較短，可靠性較低等諸多問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種在線寬光譜水質(zhì)分析儀，可以完全浸入水中進行水質(zhì)監(jiān)測，光譜 范圍覆蓋從200nm到2500nm，具備超聲波自動清洗功能，可以應(yīng)用于河流湖泊污水等監(jiān)測。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種在線寬光譜水質(zhì)分析儀，其特征是，該分析儀包 含紫外可見光檢測裝置、近紅外光檢測裝置，以及分別與該紫外可見光裝置和近紅外光檢 測裝置電路連接的控制器；
該分析儀還包含頭部外殼、與該頭部外殼連接的連接板，以及與該連接板連接的尾部 外殼；上述的頭部外殼、連接板和尾部外殼都設(shè)為密封結(jié)構(gòu)。上述的紫外可見光檢測裝置包含紫外可見光源、通過光纖與該紫外可見光源連接 的第一光學(xué)窗口、與該第一光學(xué)窗口相對設(shè)置的第二光學(xué)窗口、與該第二光學(xué)窗口通過光 纖連接的紫外可見光譜探測器；
上述的紫外可見光譜探測器采用紫外可見光纖光譜儀，響應(yīng)波長為200nm至900nm。上述的近紅外光檢測裝置包含近紅外光源、通過光纖與該近紅外光源連接的第三 光學(xué)窗口、與該第三光學(xué)窗口相對設(shè)置的第四光學(xué)窗口、與該第四光學(xué)窗口通過光纖連接 的近紅外光譜探測器；
上述的近紅外光譜探測器采用近紅外光纖光譜儀，響應(yīng)波長為900nm至2500nm。該分析儀還包含與上述控制器電路連接的超聲波換能器；該控制器還分別與上述的紫外可見光譜探測器、近紅外光譜探測器、紫外可見光源和近紅外光源電路連接。該分析儀還包含與第一光學(xué)窗口固定連接的第一步進電機，以及與第三光學(xué)窗口 固定連接的第二步進電機；該第一步進電機與第二步進電機還分別電路連接控制器。上述的紫外可見光源、近紅外光源、第一步進電機和第二步進電機設(shè)置在頭部外 殼的內(nèi)腔中；
上述的第一光學(xué)窗口和第三光學(xué)窗口設(shè)置在頭部外殼與連接板相連的側(cè)壁上； 上述的超聲波換能器設(shè)置在連接板上；
上述的第二光學(xué)窗口和第四光學(xué)窗口設(shè)置在尾部外殼與連接板相連的側(cè)壁上； 上述的紫外可見光譜探測器、近紅外光譜探測器和控制器設(shè)置在尾部外殼的內(nèi)腔中。上述的第一光學(xué)窗口、第二光學(xué)窗口、第三光學(xué)窗口和第四光學(xué)窗口，其各自與光 纖的連接處還分別設(shè)有光纖準直鏡。上述的分別與紫外可見光源和紫外可見光譜探測器連接的光纖采用紫外可見光 纖；
上述的分別與近紅外光源和近紅外光譜探測器連接的光纖采用近紅外光纖。

上述的控制器上還設(shè)有接口電路；控制器通過該接口電路與外接的后續(xù)設(shè)備通訊 連接。上述的第一光學(xué)窗口和第二光學(xué)窗口之間相對設(shè)置并構(gòu)成吸收池，該第一光學(xué)窗 口和第二光學(xué)窗口外表面間的距離為吸收光程；
上述的第三光學(xué)窗口和第四光學(xué)窗口之間相對設(shè)置并構(gòu)成吸收池，該第三光學(xué)窗口和 第四光學(xué)窗口外表面間的距離為吸收光程。將在線寬光譜水質(zhì)分析儀放入指定進行水質(zhì)檢測的水域中，通過控制器啟動紫外 可見光源、近紅外光源、紫外可見光譜探測器和近紅外光譜探測器，接通檢測光路。近紅外 光譜探測器和紫外可見光譜探測器接收光信號輸出至控制器，控制器將光譜信號組合成一 個200nm至2500nm整體的光譜，通過接口電路輸出至后續(xù)設(shè)備顯示或分析光譜數(shù)據(jù)。根據(jù)檢測的介質(zhì)不同，可調(diào)整吸收光程時。通過控制器控制第一步進電機和第二 步進電機，精確調(diào)整第一光學(xué)窗口和第三光學(xué)窗口的位置，精準調(diào)整吸收光程。當(dāng)需要清洗第一光學(xué)窗口、第二光學(xué)窗口、第三光學(xué)窗口和第四光學(xué)窗口時，控制 器啟動超聲波換能器，向第一光學(xué)窗口、第二光學(xué)窗口、第三光學(xué)窗口和第四光學(xué)窗口發(fā)出 超聲波，實現(xiàn)對光學(xué)窗口的自動清洗。本發(fā)明在線寬光譜水質(zhì)分析儀和現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點在于，本發(fā)明中各個光學(xué) 器件密封設(shè)置在頭部外殼和尾部外殼的內(nèi)腔中，同時各光學(xué)器件之間采用光纖連接。使設(shè) 備滿足在線水下使用，使得儀器的使用環(huán)境進一步拓寬；
本發(fā)明設(shè)有對應(yīng)的紫外可見光源和紫外可見光譜探測器，同時設(shè)有對應(yīng)的近紅外光纖 光譜儀和近紅外光源，通過控制器將兩者光譜合并，可使探測光譜覆蓋更廣的光譜范圍，可 對更多的物質(zhì)進行定性分析和定量測量；
本發(fā)明設(shè)有與光學(xué)窗口固定連接的步進電機，光學(xué)窗口在步進電機的驅(qū)動下，可在吸 收池的光程路經(jīng)內(nèi)自由移動，實現(xiàn)了光程可調(diào)；
本發(fā)明設(shè)有超聲波換能器，通過超聲波清洗讓該設(shè)備具有環(huán)保，低噪音，自動維護等多 種功能。



圖1為本發(fā)明在線寬光譜水質(zhì)分析儀的原理圖2為本發(fā)明在線寬光譜水質(zhì)分析儀的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖，說明本發(fā)明的具體實施方式
。如圖1所示，本發(fā)明說明了一種在線寬光譜水質(zhì)分析儀，該分析儀包含了兩條光 路。一條光路的光學(xué)器件包含一個紫外可見光源1、通過光纖與這個紫外可見光源1連接的 第一光學(xué)窗口 7、與該第一光學(xué)窗口 7相對設(shè)置的第二光學(xué)窗口 11、與該第二光學(xué)窗口 11 通過光纖連接的紫外可見光譜探測器17。在第一光學(xué)窗口 7與光纖的連接處設(shè)有光纖準直 鏡5，在第二光學(xué)窗口 11與光纖的連接處也設(shè)有光纖準直鏡13。第一光學(xué)窗口 7與第二光 學(xué)窗口 U之間平行設(shè)置，第一光學(xué)窗口 7、第二光學(xué)窗口 11，及其兩者之間的介質(zhì)構(gòu)成該光 路的吸收池，其吸收光程為第一光學(xué)窗口 7與第二光學(xué)窗口 11相對的外表面之間的距離。 在第一光學(xué)窗口 7處設(shè)有第一步進電機9，第一光學(xué)窗口 7穩(wěn)定固定在第一步進電機9上， 該第一光學(xué)窗口 7可由第一步進電機9帶動，沿著光路的路經(jīng)前后移動。通過第一步進電 機9帶動第一光學(xué)窗口 7，可改變第一光學(xué)窗口 7與第二光學(xué)窗口 11之間構(gòu)成的吸收池的 吸收光程。該紫外可見光路中，紫外可見光源1采用氘鎢組合燈。該光路中的光纖3和光纖 15采用紫外可見光纖，其特性為芯徑400 μ m, SMA905接頭，高0H_純石英光纖。第一光學(xué)窗 口 7與第二光學(xué)窗口 11采用直徑10mm、厚度3mm的藍寶石窗口。光纖準直鏡5和光纖準直 鏡13采用直徑為10mm、SMA905接頭的石英透鏡。紫外可見光譜探測器17采用響應(yīng)波長為 200nm到900nm的紫外可見光纖光譜儀。另一個光路的光學(xué)器件包含一個近紅外光源2、通過光纖與該近紅外光源2連接 的第三光學(xué)窗口 8、與該第三光學(xué)窗口 8相對設(shè)置的第四光學(xué)窗口 12、與該第四光學(xué)窗口 12 通過光纖連接的近紅外光譜探測器18。在第三光學(xué)窗口 8與光纖的連接處設(shè)有用于準直光 路的光纖準直鏡6，在第四光學(xué)窗口 12與光纖的連接處也設(shè)有用于準直光路的光纖準直鏡 14。第三光學(xué)窗口 8與第四光學(xué)窗口 12之間平行設(shè)置，第三光學(xué)窗口 8、第四光學(xué)窗口 12 及其兩者之間的介質(zhì)構(gòu)成該光路的吸收池，其吸收光程為第三光學(xué)窗口 8與第四光學(xué)窗口 12相對的外表面之間的距離。在第三光學(xué)窗口 8處設(shè)有第二步進電機10，第三光學(xué)窗口 8 固定在第二步進電機10上，該第三光學(xué)窗口 8可由第二步進電機10帶動，沿光路的路經(jīng)前 后移動。通過第二步進電機10帶動第三光學(xué)窗口 8移動改變第三光學(xué)窗口 8與第四光學(xué) 窗口 12之間的距離，可改變第三光學(xué)窗口 8與第四光學(xué)窗口 12之間構(gòu)成的吸收池的吸收 光程。該近紅外光路中，近紅外光源2采用鹵鎢燈。光纖4和光纖16采用近紅外光纖，其 參數(shù)為芯徑400 μ m，SMA905接頭，低0H_純石英光纖。第三光學(xué)窗口 8和第四光學(xué)窗口 12 采用直徑10mm、厚度3mm的藍寶石窗口。光纖準直鏡6和光纖準直鏡14采用直徑為10mm、SMA905接頭的石英透鏡。近紅外光譜探測器18采用響應(yīng)波長為900nm至2500nm的近紅外光纖光譜儀。該分析儀還包含控制器20，以及分別與該控制器20電路連接的超聲波換能器19 和接口電路21。超聲波換能器19的功率為60W，振動面直徑為40mm，用于清洗光學(xué)窗口 ； 接口電路21采用RS485，通過接口電路21與外接的后續(xù)設(shè)備建立通訊，收發(fā)數(shù)據(jù)和控制命 令。如圖1所示，控制器20還分別與紫外可見光譜探測器17、近紅外光譜探測器18、 紫外可見光源1、近紅外光源2、第一步進電機9和第二步進電機10電路連接。該控制器20 為超聲波換能器19、紫外可見光譜探測器17、近紅外光譜探測器18、紫外可見光源1、近紅 外光源2、第一步進電機9和第二步進電機10供電，并提供開關(guān)控制。控制器20精密控制 第一步進電機9和第二步進電機10，實現(xiàn)第三光學(xué)窗口 8與第四光學(xué)窗口 12之間的吸收光 程，及第一光學(xué)窗口 7與第二光學(xué)窗口 11之間的吸收光程的精準調(diào)節(jié)。并同時接收紫外可 見光譜探測器17探測得的200nm到900nm的光譜數(shù)據(jù)，以及近紅外光譜探測器18探測得 的900nm到2500nm的光譜數(shù)據(jù)，并處理將兩條光譜組合在一起，構(gòu)成200nm到2500nm的寬 光譜數(shù)據(jù)?？刂破?0還控制超聲波換能器19對第一光學(xué)窗口 7、第二光學(xué)窗口 11、第三光 學(xué)窗口 8與第四光學(xué)窗口 12的清洗。如圖2所示，本發(fā)明在線寬光譜水質(zhì)分析儀，其設(shè)置為一種防水封閉的系統(tǒng)。該分析儀還包含頭部外殼22、與該頭部外殼22連接的連接板23，以及與該連接板 23連接的尾部外殼24。頭部外殼22、連接板23和尾部外殼24呈直線設(shè)置。該頭部外殼 22都設(shè)為密封結(jié)構(gòu)。紫外可見光源1、近紅外光源2、第一步進電機9和第二步進電機10設(shè)置在頭部外 殼22的內(nèi)腔中。第一光學(xué)窗口 7和第三光學(xué)窗口 8設(shè)置在頭部外殼22與連接板23之間 連接處的側(cè)壁上，同時第一光學(xué)窗口 7和第三光學(xué)窗口 8的一端設(shè)置在頭部外殼22外。紫外可見光譜探測器17、近紅外光譜探測器18和控制器20設(shè)置在尾部外殼24的 內(nèi)腔中。第二光學(xué)窗口 11和第四光學(xué)窗口 12設(shè)置在連接板23與尾部外殼24之間連接處 的側(cè)壁上，同時第二光學(xué)窗口 11和第四光學(xué)窗口 12的一端設(shè)置在尾部外殼24外。第一光學(xué)窗口 7與第二光學(xué)窗口 11相對設(shè)置，且光路經(jīng)過準直，使從第一光學(xué)窗 口 7中射出的光線在通過中間介質(zhì)后可入射第二光學(xué)窗口 11并進入光纖15。同樣第三光 學(xué)窗口 8與第四光學(xué)窗口 12相對設(shè)置，且光路經(jīng)過準直，使從第三光學(xué)窗口 8中射出的光 線在通過中間的介質(zhì)后可準直入射第四光學(xué)窗口 12并進入光纖16。超聲波換能器19設(shè)置在連接板23上，其振動面正對第一光學(xué)窗口 7、第二光學(xué)窗 口 11、第三光學(xué)窗口 8和第四光學(xué)窗口 12，對該四個光學(xué)窗口進行清洗工作。本發(fā)明在線寬光譜水質(zhì)分析儀的運作流程如下分析儀的控制器20接通電源，同 時采用接口電路21與外接的后續(xù)設(shè)備建立連接。將在線寬光譜水質(zhì)分析儀放入指定進行 水質(zhì)檢測的水域中，通過控制器20啟動紫外可見光源1、近紅外光源2、紫外可見光譜探測 器17和近紅外光譜探測器18，接通檢測光路。紫外可見光源1發(fā)出紫外可見光通過光纖3 傳輸并經(jīng)光纖準直鏡5準直后入射第一光學(xué)窗口 7，紫外可見光再從第一光學(xué)窗口 7輸出， 通過被檢測的水后入射第二光學(xué)窗口 11，從第二光學(xué)窗口 11輸出，經(jīng)過光纖準直鏡13和 光纖15輸入至紫外可見光譜探測器17。同時，近紅外光源2發(fā)出近紅外光通過光纖4傳輸并經(jīng)光纖準直鏡6準 直后入射第三光學(xué)窗口 8近紅外光再從第三光學(xué)窗口 8輸出，通過 被檢測的水后入射第四光學(xué)窗口 12，從第四光學(xué)窗口 12輸出，經(jīng)過光纖準直鏡14和光纖 16輸入至近紅外光譜探測器18。近紅外光譜探測器18和紫外可見光譜探測器17接收光 信號，輸出光譜信號至控制器20，控制器20將近紅外光譜探測器18輸出的200nm至900nm 的光譜信號，以及紫外可見光譜探測器17輸出的900nm至2500nm的光譜信號，組合成一個 200nm至2500nm整體的光譜，通過接口電路21輸出至后續(xù)設(shè)備顯示或分析光譜數(shù)據(jù)。根據(jù)檢測的介質(zhì)不同，需要調(diào)整第一光學(xué)窗口 7和第二光學(xué)窗口 11之間的吸收光 程，及第三光學(xué)窗口 8和第四光學(xué)窗口 12之間的吸收光程時。則通過控制器20控制第一 步進電機9和第二步進電機10，精確調(diào)整第一光學(xué)窗口 7和第三光學(xué)窗口 8的位置，精準調(diào) 整吸收光程。當(dāng)需要清洗第一光學(xué)窗口 7、第二光學(xué)窗口 11、第三光學(xué)窗口 8和第四光學(xué)窗口 12 時，控制器20啟動超聲波換能器19，向第一光學(xué)窗口 7、第二光學(xué)窗口 11、第三光學(xué)窗口 8 和第四光學(xué)窗口 12發(fā)出超聲波，實現(xiàn)對光學(xué)窗口的自動清洗。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應(yīng)當(dāng)認識到上述的 描述不應(yīng)被認為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的 多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種在線寬光譜水質(zhì)分析儀，其特征在于，該分析儀包含紫外可見光檢測裝置、近 紅外光檢測裝置，以及分別與所述紫外可見光裝置和近紅外光檢測裝置電路連接的控制器 (20)；該分析儀還包含頭部外殼(22)、與所述頭部外殼(22)連接的連接板(23)，以及與所述 連接板(23)連接的尾部外殼(24)；所述的頭部外殼(22)、連接板(23)和尾部外殼(24)都 設(shè)為密封結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的在線寬光譜水質(zhì)分析儀，其特征在于，所述的紫外可見光檢測 裝置包含紫外可見光源(1)、通過光纖與所述紫外可見光源(1)連接的第一光學(xué)窗口(7)、 與所述第一光學(xué)窗口(7)相對設(shè)置的第二光學(xué)窗口(11)、與所述第二光學(xué)窗口(11)通過光 纖連接的紫外可見光譜探測器(17)；所述的紫外可見光譜探測器(17)采用紫外可見光纖光譜儀，響應(yīng)波長為200nm至 900nmo
3.如權(quán)利要求2所述的在線寬光譜水質(zhì)分析儀，其特征在于，所述的近紅外光檢測裝 置包含近紅外光源(2)、通過光纖與所述近紅外光源(2)連接的第三光學(xué)窗口(8)、與所述 第三光學(xué)窗口(8)相對設(shè)置的第四光學(xué)窗口( 12)、與所述第四光學(xué)窗口(12)通過光纖連接 的近紅外光譜探測器(18)；所述的近紅外光譜探測器(18)采用近紅外光纖光譜儀，響應(yīng)波長為900nm至2500nm。
4.如權(quán)利要求3所述的在線寬光譜水質(zhì)分析儀，其特征在于，該分析儀還包含與所述 控制器(20)電路連接的超聲波換能器(19)；所述控制器(20)分別與所述紫外可見光譜探 測器(17 )、近紅外光譜探測器(18 )、紫外可見光源(1)和近紅外光源(2 )電路連接。
5.如權(quán)利要求3所述的在線寬光譜水質(zhì)分析儀，其特征在于，該分析儀還包含與所述 第一光學(xué)窗口(7)固定連接的第一步進電機(9)，以及與所述第三光學(xué)窗口(8)固定連接的 第二步進電機(10);所述第一步進電機(9)與第二步進電機(10)還分別電路連接所述的控 制器(20)。
6.如權(quán)利要求3所述的在線寬光譜水質(zhì)分析儀，其特征在于，所述的紫外可見光源 (1)、近紅外光源(2)、第一步進電機(9)和第二步進電機(10)設(shè)置在所述的頭部外殼(22) 中；所述的第一光學(xué)窗口(7)和第三光學(xué)窗口(8)設(shè)置在所述的頭部外殼(22)與連接板 (23)相連的側(cè)壁上；所述的超聲波換能器(19)設(shè)置在所述的連接板(23)上；所述的第二光學(xué)窗口(11)和第四光學(xué)窗口(12)設(shè)置在所述尾部外殼(24)與連接板 (23)相連的側(cè)壁上；所述的紫外可見光譜探測器(17)、近紅外光譜探測器(18)和控制器(20)設(shè)置在所述 的尾部外殼(24)中。
7.如權(quán)利要求3所述的在線寬光譜水質(zhì)分析儀，其特征在于，所述的第一光學(xué)窗口 (7)、第二光學(xué)窗口(11)、第三光學(xué)窗口(8)和第四光學(xué)窗口(12)，其各自與光纖的連接處 還分別設(shè)有光纖準直鏡(5、6、13、14)。
8.如權(quán)利要求3所述的在線寬光譜水質(zhì)分析儀，其特征在于，所述的分別與紫外可見 光源(1)和紫外可見光譜探測器(17)連接的光纖(3、15)采用紫外可見光纖；所述的分別與近紅外光源(2)和近紅外光譜探測器(18)連接的光纖(4、16)采用近紅 外光纖。
9.如權(quán)利要求1所述的在線寬光譜水質(zhì)分析儀，其特征在于，所述的控制器(20)上還 設(shè)有接口電路(21);所述的控制器(20)通過所述的接口電路(21)與外接的后續(xù)設(shè)備通訊 連接。
10.如權(quán)利要求3所述的在線寬光譜水質(zhì)分析儀，其特征在于，所述的第一光學(xué)窗口 (7)和第二光學(xué)窗口(11)之間相對設(shè)置并構(gòu)成吸收池，所述第一光學(xué)窗口(7)和第二光學(xué) 窗口(11)外表面間的距離為吸收光程；所述的第三光學(xué)窗口(8)和第四光學(xué)窗口(12)之間相對設(shè)置并構(gòu)成吸收池，所述第三 光學(xué)窗口(8)和第四光學(xué)窗口(12)外表面間的距離為吸收光程。
全文摘要
本發(fā)明說明一種在線寬光譜水質(zhì)分析儀，其特征是，該分析儀包含紫外可見光檢測裝置、近紅外光檢測裝置，以及分別與該紫外可見光裝置和近紅外光檢測裝置電路連接的控制器；該分析儀還包含頭部外殼、與該頭部外殼連接的連接板，以及與該連接板連接的尾部外殼；上述的頭部外殼、連接板和尾部外殼都設(shè)為密封結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中各個光學(xué)器件密封設(shè)置在封閉的內(nèi)腔中，同時各光學(xué)器件之間采用光纖連接。使設(shè)備滿足在線水下使用，使得儀器的使用環(huán)境進一步拓寬；將紫外可見光源和近紅外光源，兩者光譜合并，合成一個寬光譜，可使探測光譜覆蓋更廣的光譜范圍。
文檔編號G01N21/15GK102042965SQ20101054924
公開日2011年5月4日 申請日期2010年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月18日
發(fā)明者宋利云, 宋春立, 黃欣, 黃艷 申請人:上海衡偉信息技術(shù)有限公司