便攜式傅立葉近紅外光譜儀的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型為便攜式傅立葉近紅外光譜儀，解決已有近紅外光譜儀抗振動(dòng)及抗溫度變化能力差，光譜基線會(huì)產(chǎn)生變形，從而影響定性定量的結(jié)果的問題。干涉儀支架（1）與分束器（2）、定鏡（3）、補(bǔ)償鏡（4）為固定部件裝配在一起，動(dòng)鏡（5）是三維角鏡，音圈電機(jī)（7）的軸經(jīng)懸臂彈簧（8）與動(dòng)鏡（5）的軸連接組成動(dòng)鏡驅(qū)動(dòng)馬達(dá)（6），上述器件連同光源（9）、激光器（10）、激光探測(cè)器（11）、出射光發(fā)送裝置（12）、光導(dǎo)纖維（13）、入射光接收裝置（14）、檢測(cè)器（15）、主控電路板固定在光學(xué)底臺(tái)上。
【專利說明】便攜式傅立葉近紅外光譜儀
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0002]本實(shí)用新型與傅里葉變換近紅外光譜儀有關(guān)。
[0003]【背景技術(shù)】:
[0004]傅里葉變換近紅外光譜儀的核心部件是干涉儀。干涉儀的最基本要求是動(dòng)鏡在移動(dòng)過程中儀器的光路準(zhǔn)直應(yīng)保持不變。最簡(jiǎn)單的動(dòng)鏡是平面鏡，但若平面鏡有傾斜轉(zhuǎn)動(dòng)或平移運(yùn)動(dòng)，干涉儀的光路準(zhǔn)直都會(huì)變化。一類解決方案是用激光檢測(cè)動(dòng)鏡的偏移，在定鏡上加以調(diào)整，所謂“動(dòng)態(tài)調(diào)整”，如熱電公司、安捷倫公司使用該技術(shù)，該類解決方法的缺點(diǎn)是非常敏感，抗振動(dòng)及抗溫度變化能力差，只適合實(shí)驗(yàn)室使用。另外一類解決方案是動(dòng)鏡采用立體角反射鏡，這在很大程度上解決了振動(dòng)的問題，因此被布魯克和ABB公司多家國(guó)外傅里葉變換光譜儀廠家采用。該類解決方法的問題是立體角反射鏡系統(tǒng)沒有解決剪切方向的偏移，因此，在溫度變化較大的情況下，光譜基線會(huì)產(chǎn)生變形，從而影響定性定量的結(jié)果。
[0005]實(shí)用新型內(nèi)容:
[0006]本實(shí)用新型目的是提供一種具備高分辨、寬范圍、抗振動(dòng)，耐溫度變化的便攜式傅立葉近紅外光譜儀。
[0007]本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0008]便攜式傅立葉近紅外光譜儀，干涉儀支架I與分束器2、定鏡3為固定部件，預(yù)先裝配在一起，固定的補(bǔ)償鏡4與光路垂直。動(dòng)鏡5是三維角鏡，音圈電機(jī)7的軸經(jīng)懸臂彈簧8與動(dòng)鏡5的軸連接組成動(dòng)鏡驅(qū)動(dòng)馬達(dá)6，上述器件連同光源9、激光器10、激光探測(cè)器11、出射光發(fā)送裝置12、光導(dǎo)纖維13、入射光接收裝置14、檢測(cè)器15、主控電路板固定在光學(xué)底臺(tái)上。
[0009]干涉儀支架I與分束器2、定鏡3使用同樣的熱膨脹系數(shù)的材料焊接裝配成一體的
單一部件。
[0010]懸臂彈簧由熱處理后的磷青銅彈簧制成，懸臂彈簧8與音圈電機(jī)7的軸、動(dòng)鏡5的軸同軸。
[0011]本實(shí)用新型為高分辨、寬范圍、抗振動(dòng)，耐溫度變化的高性能便攜傅立葉近紅外光譜儀。解決已有傅里葉變換近紅外光譜儀在強(qiáng)振動(dòng)帶來的干涉儀動(dòng)鏡偏轉(zhuǎn)、平移引起的光路失準(zhǔn)和掃描誤差的問題。實(shí)現(xiàn)干涉儀組件固定成一體的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)永久準(zhǔn)直，抗振動(dòng)，適應(yīng)大范圍溫度變化等性能；將動(dòng)鏡掃描的承載機(jī)構(gòu)，由軸承改為旋臂彈簧，設(shè)計(jì)補(bǔ)償電路，掃描穩(wěn)定且驅(qū)動(dòng)部件超常壽命。便攜傅里葉變換光譜儀的核心分光部件為干涉儀掃描系統(tǒng)，高質(zhì)量的干涉儀掃描系統(tǒng)，要求動(dòng)鏡在驅(qū)動(dòng)軸承上保持單軸的勻速運(yùn)動(dòng)，保證動(dòng)鏡掃描沿直線勻速的運(yùn)動(dòng)，是獲得高質(zhì)量光譜的關(guān)鍵技術(shù)。我們采用懸臂彈簧驅(qū)動(dòng)軸承，使用音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)三維角反射動(dòng)鏡完成掃描。該掃描系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行平穩(wěn)、單軸性能高、偏差小、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低。
[0012]設(shè)計(jì)的小型化干涉儀:保證高分辨、寬測(cè)試范圍，還要保證抗振動(dòng)，適應(yīng)大范圍溫度變化。干涉儀主體固定成一個(gè)整體，干涉儀為永久準(zhǔn)直。。
[0013]支撐掃描動(dòng)鏡的承載結(jié)構(gòu):該結(jié)構(gòu)是使用旋臂彈簧，掃描穩(wěn)定且驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)永不磨損。驅(qū)動(dòng)部件無限使用壽命設(shè)計(jì)。
[0014]傅里葉變換光譜儀的核心分光部件為干涉儀，它由一個(gè)分束器和多個(gè)反射鏡組成。其中分光部件為分束器，近紅外使用低羥基石英材料作為分束器，其光譜范圍為
0.Tl.5微米。反射鏡由定鏡和動(dòng)鏡組成，當(dāng)光源發(fā)射的光照射到分束器后，由分束器分為兩束光分別照射到定鏡和動(dòng)鏡，由于動(dòng)鏡運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致和定鏡產(chǎn)生光程差形成干涉光。
[0015]干涉儀支架、分束器、光程補(bǔ)償鏡、定鏡均為固定部件，需要預(yù)先裝配在一起并調(diào)整準(zhǔn)直到最佳。由于各個(gè)光學(xué)部件通常需要加調(diào)整螺絲，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室條件下的使用，這種調(diào)整方式不會(huì)帶來大問題，但對(duì)于振動(dòng)很大的便攜或現(xiàn)場(chǎng)使用，這種方式就很容易造成光路失調(diào)。此外，不同材質(zhì)的部件裝配在一起，因?yàn)闇囟鹊淖兓?特別是野外工作條件下)非常容易產(chǎn)生應(yīng)力差，導(dǎo)致光路失調(diào)。
[0016]本實(shí)用新型將干涉儀支架和分束器及定鏡使用同樣的熱膨脹系數(shù)的材料一次焊接裝配成一體的單一部件，這樣就不使用任何調(diào)整螺絲，就能永久固定成一個(gè)整體，可以稱之為“永久校準(zhǔn)”的干涉儀。這樣可以避免振動(dòng)和溫度變化給干涉儀主體帶來的影響。
[0017]由于動(dòng)鏡運(yùn)動(dòng)與定鏡產(chǎn)生光程差，獲得干涉光，動(dòng)鏡運(yùn)動(dòng)微小的誤差都會(huì)影響整體儀器的性能。因此，動(dòng)鏡的設(shè)計(jì)和動(dòng)鏡的驅(qū)動(dòng)成為干涉儀乃至整機(jī)中至關(guān)重要的部分。
[0018]動(dòng)鏡有六個(gè)可能產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)自由度，即三個(gè)平移方向和三個(gè)旋轉(zhuǎn)方向。其中一個(gè)平移運(yùn)動(dòng)方向上因掃描運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生光程差，其他任意一個(gè)自由度的偏移，都會(huì)導(dǎo)致干涉儀中的光程誤差。
[0019]在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，可以通過機(jī)械手段限制動(dòng)鏡的偏移或者通過自動(dòng)調(diào)整動(dòng)鏡定鏡角度修正誤差。但便攜儀器在在高振動(dòng)的環(huán)境中，限制偏移就非常困難。采用三維立體角鏡作為動(dòng)鏡，會(huì)使入射光與出射光在動(dòng)鏡偏移下保持平行，就可以修正三個(gè)旋轉(zhuǎn)和一個(gè)平移的偏差。這種方式被用于很多車載和在線傅里葉近紅外的干涉儀的設(shè)計(jì)采納。
[0020]以立體角鏡作為動(dòng)鏡的設(shè)計(jì)中，剪切方向的偏移是由于溫度變化，鏡體與驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，這種變化三維立體角鏡無法克服。所以在實(shí)際測(cè)量中，溫度變化會(huì)導(dǎo)致測(cè)量譜圖基線的偏移。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，由于溫度變化不大，該偏移可以忽略；而便攜儀器在室外環(huán)境中工作溫度變化大，該偏移就會(huì)帶來明顯的問題。
[0021]本實(shí)用新型采用一面補(bǔ)償鏡裝在動(dòng)鏡邊，使入射光與反射光完全在一條路徑上，從而將剪切方向的偏移得以修正，固定的補(bǔ)償鏡與光路永久垂直，如果三維角鏡發(fā)生剪切方向的偏移，通過補(bǔ)償鏡垂直反射回來的光與入射光依舊在同一條路徑上。
[0022]由此設(shè)計(jì)的動(dòng)鏡系統(tǒng)，可以修正所有方向上的偏移，可以保證在振動(dòng)和溫度變化的環(huán)境下穩(wěn)定工作，這也是便攜儀器的必備條件。此干涉儀穩(wěn)定溫度將從15-30° C大幅度提升為-20-40° C。
[0023]干涉儀掃描就是動(dòng)鏡的掃描，需要保證均勻的掃描速度，去除干擾的影響，同時(shí)在設(shè)計(jì)上要防止運(yùn)動(dòng)軸承的磨損，這將導(dǎo)致掃描誤差。
[0024]掃描驅(qū)動(dòng)裝置通過一套音頻線圈馬達(dá)驅(qū)動(dòng)前后方向運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)軸的前端安裝動(dòng)鏡。一般驅(qū)動(dòng)軸在潤(rùn)滑的軸承上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸的軸承進(jìn)行快速、長(zhǎng)時(shí)間的工作時(shí)，很容易發(fā)熱從而加速軸承的磨損。本實(shí)用新型將驅(qū)動(dòng)軸安裝在懸臂彈簧移動(dòng)裝置上，動(dòng)鏡的運(yùn)動(dòng)幾乎是完美的單軸，完全避免了磨損。懸臂彈簧由熱處理后的磷青銅彈簧制成，它的預(yù)期壽命遠(yuǎn)久于儀器的壽命。[0025]本實(shí)用新型是根據(jù)傅里葉變換原理設(shè)計(jì)的，其基本原理是光源發(fā)光經(jīng)過分束器將光平均分為透射光和反射光，這兩束光經(jīng)過一面不動(dòng)的反射鏡(定鏡)和一面可動(dòng)的反射鏡(動(dòng)鏡)使兩束光產(chǎn)生干涉，干涉光照射樣品后，采集到干涉光譜再經(jīng)過傅里葉變換生成樣品單通道光譜。分束器、動(dòng)鏡和定鏡三者組成干涉儀的基本結(jié)構(gòu)，其分辨率由動(dòng)鏡移動(dòng)的距離控制且可調(diào)。
[0026]本實(shí)用新型有以下特點(diǎn):
[0027]極高的波長(zhǎng)準(zhǔn)確度:傅里葉變換近紅外光譜儀內(nèi)部使用單色激光作為采樣控制標(biāo)準(zhǔn)，在0.05cm—1，其波長(zhǎng)準(zhǔn)確度較光柵型和傅里葉偏振干涉近紅外儀器高一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，用戶不需要經(jīng)常對(duì)儀器進(jìn)行外部人工波長(zhǎng)校準(zhǔn)，高波長(zhǎng)準(zhǔn)確度是模型能夠從一臺(tái)儀器傳遞到另一臺(tái)儀器的最重要因素。
[0028]光譜分辨率高:傅里葉變換近紅外光譜儀沒有狹縫的概念，動(dòng)鏡移動(dòng)的距離決定分辨率，其分辨率較傳統(tǒng)光柵型和傅里葉偏振干涉近紅外儀器高幾倍，在研究結(jié)構(gòu)相似物質(zhì)或復(fù)雜的混合物時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
[0029]自然雜散光不影響測(cè)試結(jié)果:傅里葉變換近紅外光譜儀只檢測(cè)從干涉儀出來的干涉光，因?yàn)闆]有經(jīng)過干涉儀調(diào)制的自然雜散光對(duì)所得光譜無影響。
[0030]高信噪比，低檢測(cè)限:傅里葉變換近紅外光譜儀的光通量大，掃描速度快，在相同的掃描時(shí)間、相同檢測(cè)器和相同光譜范圍內(nèi)，光譜的信噪比可到達(dá)1000:1，因此低含量組份的干擾因素少，儀器的檢測(cè)限低。
[0031]波長(zhǎng)準(zhǔn)確度高:傅里葉變換近紅外儀器其波長(zhǎng)準(zhǔn)確度比光柵型儀器高I個(gè)數(shù)量級(jí)，分辨率高幾倍，而且分辨率可根據(jù)分析對(duì)象可調(diào)，不僅適用于常規(guī)測(cè)試也適用于新方法研發(fā)，不僅能夠測(cè)試常規(guī)指標(biāo)，而且能夠測(cè)試結(jié)構(gòu)非常相近的物質(zhì)，如各種氨基酸、各種脂肪酸、不同結(jié)構(gòu)的硫甙等，相同樣品的測(cè)試結(jié)果都好于濾光片和光柵型儀器，具有很強(qiáng)的應(yīng)用擴(kuò)展能力。
[0032]【專利附圖】

【附圖說明】:
[0033]圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)圖。
[0034]圖2為動(dòng)鏡加入補(bǔ)償鏡抗干擾光路。
[0035]圖3為動(dòng)鏡驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖。
[0036]【具體實(shí)施方式】:
[0037]干涉儀由干涉儀支架1，分束器2、定鏡3、補(bǔ)償鏡4和動(dòng)鏡組成，其中動(dòng)鏡5是采用三維角鏡。干涉儀支架1、分束器2、定鏡3均為固定部件，需要預(yù)先裝配在一起。音圈電機(jī)7和懸臂彈簧8組成動(dòng)鏡驅(qū)動(dòng)馬達(dá)與三維角鏡通過驅(qū)動(dòng)軸連接。以上原器件連同光源9、激光器10、激光探測(cè)器11、出射光發(fā)送裝置12、光導(dǎo)纖維13、入射光接收裝置14、檢測(cè)器15、主控電路板固定在儀器輕質(zhì)光學(xué)底臺(tái)上。光源9、激光器10、激光探測(cè)器11、出射光發(fā)送裝置12、光導(dǎo)纖維13、入射光接收裝置14、檢測(cè)器15、主控電路板與傳統(tǒng)傅里葉變換近紅外光譜儀的同類器件相同。干涉儀支架I與分束器2、定鏡3使用同樣的熱膨脹系數(shù)的材料一次焊接裝配成一體的單一部件。
[0038]固定的補(bǔ)償鏡與光路永久垂直。
[0039]懸臂彈簧由熱處理后的磷青銅彈簧制成，懸臂彈簧8與音圈電機(jī)7的軸、動(dòng)鏡5的軸同軸。
【權(quán)利要求】
1.便攜式傅立葉近紅外光譜儀，其特征在于干涉儀支架(I)與分束器(2)、定鏡(3)為固定部件裝配在一起，固定的補(bǔ)償鏡(4)與光路垂直，動(dòng)鏡(5)是三維角鏡，音圈電機(jī)(7)的軸經(jīng)懸臂彈簧(8)與動(dòng)鏡(5)的軸連接組成動(dòng)鏡驅(qū)動(dòng)馬達(dá)(6)，上述器件連同光源(9)、激光器(10)、激光探測(cè)器(11)、出射光發(fā)送裝置(12)、光導(dǎo)纖維(13)、入射光接收裝置(14)、檢測(cè)器(15)、主控電路板固定在光學(xué)底臺(tái)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式傅立葉近紅外光譜儀，其特征在于干涉儀支架(I)與分束器(2)、定鏡(3)使用同樣的熱膨脹系數(shù)的材料焊接裝配成一體的單一部件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式傅立葉近紅外光譜儀，其特征在于懸臂彈簧由熱處理后的磷青銅彈簧制成，懸臂彈簧(8)與音圈電機(jī)(7)的軸、動(dòng)鏡(5)的軸同軸。
【文檔編號(hào)】G01J3/45GK203572578SQ201320718574
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2013年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月15日
【發(fā)明者】王茜 申請(qǐng)人:四川威斯派克科技有限公司