专利名称：用于分析流体、膏状或固体物质的特性参数的光谱仪测量头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于分析流体、膏状或固体物质的特性参数的用于光谱仪系统的 光谱仪测量头。
背景技术：
由文献DE 10 2004 021 448 A1 (光谱仪的反射测量头和其内部再校准的方法) 已知一个具有内部光源和校准装置的光谱仪探针。为此在具有窗口的外壳里面设有照明光 源、光学组件和至少两个用于内部再校准的标准件。这些标准件可以有选择地在测量头的 光路中偏转，由此使所有从照明光源发出的测量光线用于再校准。在此自动地按照确定的 时间间隔实现再校准。附加地通过文献DE 10 2004 048 102 A1 (光谱仪的测量头和其再校准方法)已 知一个光谱仪的测量头，具有内部的处理器和与其相连的接口。在这些测量头中自动地通过至少两个标准件的偏转实现再校准。在此必需保证， 没有用于测量物质的标准件(这个标准件或另一标准件)位于测量头的光路里面。对于标 准件的定位还需要一个具有三个固定位置的驱动装置或两个驱动装置。在使用一个驱动装 置时还必需特殊的措施，用于使标准件可靠的且可重复的定位在光路以外或里面。此外，驱 动装置必需具有大的行程。两个驱动装置极大地增加了费用和测量头的尺寸。
发明内容
在权利要求1中给出的发明的技术问题是实现一个长时间稳定的、少维护的且 简单构成的用于光谱仪系统的光谱仪测量头。这个技术问题通过在权利要求1中描述的特征得以解决。用于分析流体、膏状或固体物质的特性参数的、用于光谱仪系统的光谱仪测量头 的特征尤其在于其长时间稳定的、少维护的且简单的再校准。为此在外壳里面设置可旋转支承的镜子和至少一个光辐射源或一个输出耦合光 辐射的装置使得光辐射通过可旋转支承的镜子的偏转或者入射到外壳里面的基准体上， 或者通过外壳的窗口入射到所述物质上。为此使镜子机械地耦联在驱动装置或耦联在外壳 中也作为弯曲振动器的弯曲梁上。此外在外壳里面设置至少一个光导使得至少一部分由 基准体或物质表面反射或透射的光辐射耦合输入到光导里面。在光谱仪测量头中有利地使光辐射源作为发光机构集成。由此能够少损失地照射 物质或基准体。由此可以使该光辐射源比通过光导耦合输入的光源更微小的功率运行。由 此提高光辐射源的使用寿命并且大幅减少维护费用。可以省去经常用于照明物质的光导
束o当然也可以设置输出耦合光辐射的装置来代替光辐射源。它是至少一个光导，其 端部也可以具有影响光辐射的装置。
由此可经济地使用光谱仪测量头。另一主要优点在于镜子在光谱仪测量头里面的布置。该镜子只在两个末端位置之 间运动，这两个末端位置可以有利地通过止挡体确定。由此可以使镜子简单地耦联在驱动 装置或弯曲振动体上。无需用于定位镜子的特殊措施。在此镜子有利地在两个末端位置之 间偏转。所述镜子本身是一个具有镜面的平板形的物体，镜面不仅用于从光辐射源而且用 于从基准体或要被分析的物质表面反射光辐射。该镜子利用旋转铰链可偏转地设置。由此 非常简单且经济地实现光谱仪测量头。对于所述至少一个光导最好使用光波导尤其是多模-光波导，用于发送足够的测 量信号到光谱仪。此外所述光谱仪测量头是更不易于振荡的。因此它适合于在活动也需要稳定定位 的应用场合。同时对镜子的支承没有特殊的要求，因此对于支承的实现无需小误差的部件。在此，有利地选择末端位置、基准体位置和窗口位置是使得光辐射源的光辐射或 者直接或者通过镜子入射到所述物质上，或者通过镜子或直接入射到基准体上。因此各反 射的光辐射由各物体直接或通过用于耦合输入的镜子入射到光导的端面上。无需小误差地 布置这些部件，因此简单地实现光谱仪测量头。另一优点在于，只有微小的质量以微小的行程运动。所述镜子可以靠近光辐射源 设置并且以轻的部件实现。由此也可以使光谱仪测量头微型化并且以与光纤维测量头相同 的通常尺寸制成。另一优点在于，可以使用驱动装置，它们保证只在末端位置之间运动。另一优点在于，所述光谱仪测量头可以以小的结构组件实现，由此使它们易于集 成到各种设备里面或者能够匹配于特殊的分析任务。通过小的结构也能够易于手动地操作 光谱仪测量头，例如在移动测量器里面。所述用于光谱仪系统的光谱仪测量头在集成到该系统里面时是光谱仪装置的组 成部分。从所述物质或基准体反射的光辐射耦合输入到光导里面并继续传导。在光谱仪中 辐射被分解成光谱，并且要评价物质或基准体的反射或吸收状况。在此反射的辐射以通过 物质或基准体的反射、漫反射(Remission)或吸收为基础。为了运行还只需用于光源和驱 动装置的馈电线。它在集成的控制中是电源和控制连接。当然多个光谱仪测量头也可以是光谱仪系统的组成部分，其中使光辐射在分解前 通过已知的乘法器从光谱仪测量头进入到光谱仪输入。在此也可以有利地使用简单的通道 变换器，它们例如通过压电机构接通不同光导。通过简单地实现用于使镜子运动的机构也可以使光谱仪测量头在测量侧承受直 到150-200°C的温度。通过基准体在光谱仪测量头里面的位置几乎使整个测量路径与温度 影响和长时间的影响无关，由此实现特别高的长时间稳定性和精度。有利地，如果遵守相应准则的话，也可以在爆炸危险的部位中使用光谱仪测量头。本发明的有利的结构在权利要求2至18中给出。按照权利要求2的改进方案，所述镜子有利地是摇板机构的第一臂。此外在摇板 机构的第二臂上耦联驱动装置或弯曲梁。这种布置能够简单地实现可偏转的镜子。
按照权利要求3改进方案，所述镜子的枢转铰链耦联在驱动装置上。此外在外壳 里面设置用于镜子的并位于其背面上的滑块或滚动体和至少一个作用于镜子上的弹性部 件使得弹性力在滑块或滚动体方向上起作用。此外使旋转铰链与滑块间隔地、直线导引地 活动，由此使镜子在相对于导向体进行活动时偏转。按照权利要求4的改进方案，一个用于旋转铰链或具有可旋转支承的镜子的旋转 铰链的基体配有一个用于窗口的加热元件。因此在一些使用场合避免在窗口上附着物质。按照权利要求5的改进方案，在外壳里面设置可旋转支承的镜子和两个光辐射源 使得至少一个光辐射源的光辐射分别或者入射到外壳里面的基准体上或者通过外壳的窗 口入射到物质上。此外在外壳里面设置光导的端面使得至少一部分由基准体或物质的表 面反射的或透射的光辐射耦合输入光导中。第二光辐射源例如作为冗余的光辐射源对称地 设置在光谱仪测量头中。在此所述光导有利地形成用于至少一部分从基准体或从要被分析 的物质引起的光辐射的光轴。在第一光辐射源失效以后放弃添加冗余光辐射源时也能够使光谱仪探针的无维 护运行延长到一个光辐射源的使用寿命的两倍。按照权利要求6的改进方案，一个基体、摇板机构、摇板机构的旋转铰链、基准体、 驱动装置和光辐射源和驱动装置是一个组件的组成部分。由此使部件相互间持久可靠地固 定和易于装配到外壳里面。该外壳例如是具有窗口的单侧封闭的套。按照权利要求7的改进方案，所述窗口是外壳的端壁或侧壁的组成部分。由此极 大地提高光谱仪探针的可使用性。由此例如一个具有带有侧面窗口的光谱仪测量头的插入探针能够实现粉末物质 的测量，同时无需压缩它们。对于在原料监控或最终产品监控中的应用由此得到的结果是， 它们更不取决于在分析时所使用的压紧力。按照权利要求8的改进方案，一个有利的驱动装置是移动作用的、具有用于活动 部件的复位簧的电磁驱动装置，移动作用的压电驱动装置，具有螺杆/螺母系统的旋转驱 动装置或弯曲梁、最好是压电的弯曲振动器。通过电磁驱动装置简单地实现了移动。有利地，通过特殊构成的连杆实现驱动装 置与镜子之间的耦联。通过复位簧可以使这个驱动装置在两个位置中的一个位置、最好测 量位置中无应力地运行。压电驱动装置是移动作用的驱动装置或作为弯曲振动器的弯曲梁。在弯曲梁/弯 曲振动器中其弯曲运动转换成镜子的旋转运动。由此有利地在两个终端止挡中以相对微小 的损失功率实现高的夹持力。但是由电动机构成的旋转驱动装置也可以与螺杆/螺母系统一起使用。在此螺母 是运动螺母，在其上通过机构耦联镜子。镜子的各末端位置可以有利地通过螺杆的螺纹长 度确定。在此通过由于止挡而增加的电动机电流需求可以有利地用于其控制。按照权利要求9的改进方案，所述基准体有利地由用于强度标准的材料或由不仅 用于强度标准也用于波长标准的材料组合制成。按照权利要求10的改进方案，所述用于强度标准的基准体有利地由低密度的烧 结的聚四氟乙烯制成。按照权利要求11的改进方案，所述用于组合的强度标准和波长标准的基准体具有以稀土元素填充的成份，其中这些稀土元素适合于光谱仪系统的波长校准。按照权利要求12的改进方案，所述驱动装置和光辐射源与外壳里面的控制装置 连接。在此例如一个可编程的控制装置也作为数据处理系统。此外具有校准数据的数据存 储器有利地是控制装置的组成部分。由此也可以实现没有基准的物质分析。按照权利要求13的改进方案，在光谱仪测量头外设置扩散或定向反射器使 得要被分析的物质位于光谱仪测量头与反射器之间并由此也可以以透射或透-反射 (Transflexion)方法分析透明或半透明的物质。由此能够使该结构也用于透射测量，否则 在透射测量过程中就不能如此简单地实现对非常接近试样的基准的测量。按照权利要求14的改进方案，设置成像光路使得位于与光谱仪测量头间隔中的 物质通过光辐射源以光辐射加载并且将从该物质反射的光辐射耦合输入到光导里面。按照权利要求15的改进方案，所述光辐射源和光导有利地设置使得其辐射轴平 行或几乎平行地延伸。由此可以实现，要被分析的物质还在与窗口间隔时也反射足够的光 辐射。此外也可以实现光辐射进入到该物质里更深的深度。在此进入深度取决于物质的密 度。按照权利要求16的改进方案，所述光辐射源和光导有利地以这个角度相对于窗 口设置使得窗口的直接反射不耦合输入到光导里面。避免由于在窗口上反射引起的分析误差。按照权利要求17的改进方案，所述光辐射源配有用于使光辐射成束的透镜。通过 靠近光辐射源设置的或集成到这种光辐射源里面的聚集透镜可以有利地改善照射物质的 效应。
在附图中分别概略性地示出本发明的实施例并且在下面详细描述。附图中图la和lb示出一个光谱仪测量头，具有移动作用的驱动装置和光辐射的端面出
n,图2a和2b示出一个光谱仪测量头，具有移动作用的驱动装置和光辐射的侧面出
n,图3示出一个光谱仪测量头，具有弯曲振动器和光辐射的端面出口，图4示出一个光谱仪系统，具有光谱仪测量头。
具体实施例方式第一实施例在第一实施例中，一种用于分析流体、膏状或固体物质的特性参数的、用于光谱仪 系统的光谱仪测量头主要具有在设有窗口 7的外壳6里面的可旋转支承的镜子1、光辐射源 2、基准体3、驱动装置4和光导5的至少一个端部部位。图1以原理图示出一个光谱仪测量头，具有移动作用的驱动装置和光辐射的端面 出口。窗口 7位于由套构成的外壳6的端面上。设置可旋转支承的镜子1和光辐射源2使得光辐射源的光辐射或者入射到基准体3上(图la中的视图)，或者通过窗口 7入射到要被分析的物质上(图lb中的视图)。可旋转支承的镜子1是摇板机构9的第一臂。在摇板机构9的第二臂上耦联驱动 装置4。这个驱动装置由移动作用的驱动装置、最好由带有用于活动部件复位簧的电磁驱动 装置构成。这个驱动装置的活动部件通过连杆8耦联在摇板机构9上。在外壳6里面还设置光导5使得至少一部分由基准体或要被分析的物质的表面 反射的光辐射耦合输入到光导5里面。为此光导5的末端部位位于光辐射源2上或与其间 隔开。摇板机构9的旋转铰链10设置在窗口 7与基准体3之间。由此保证，光辐射源2 的光辐射在镜子1处于最终位置时能够进入到基准体3上并且由此所得到的来自基准体3 表面的光辐射至少部分地进入到光导5的端面(图la中的视图)。基准体3由用于波长标准的材料、尤其是稀土元素制成，和/或由用于强度标准的 材料、尤其是烧结的低密度聚四氟乙烯的材料制成。在镜子1的另一最终位置，光辐射直接从光辐射源2通过窗口 7进入到要被分析 的物质，并且由此所得到的要被分析物质的光辐射至少部分地进入光导5的端面(图lb中 的视图)。在第一实施例的一个示例中窗口 7也可以是外壳6侧壁的组成部分。为此基准体 3的定位方向和窗口 7的定位方向与该实施例相比被调换了。第二实施例在第二实施例中一种用于分析流体、膏状或固体物质的特性参数的、用于光谱仪 系统的光谱仪测量头主要具有在侧壁中设有窗口 7的外壳6里面的可旋转支承的镜子1、光 辐射源2、基准体3、驱动装置4和光导5的至少一个端部部位。图2以原理图示出一个光谱仪测量头，具有移动作用的驱动装置和光辐射的侧面 出口。用于镜子1的旋转铰链10、基准体3和用于固定光导5的保持架相互间隔地设置， 并且不仅相对于光辐射源2而且相对于光导5的端部部位间隔地设置。在此旋转铰链10、 基准体3和保持架可以通过固定部件相互连接。设置可旋转支承的镜子1和光辐射源2使得光辐射或者入射到基准体3上(图 2a中的视图)或者通过窗口 7入射到要被分析的物质上(图2b中的视图)。可旋转支承的镜子1是摇板机构9的第一臂。在摇板机构9的第二臂上耦联驱动 装置4。这个驱动装置由移动作用的驱动装置、最好由带有用于活动部件复位簧的电磁驱动 装置构成。在外壳6里面还这样设置光导5，使至少一部分由基准体3或要被分析的物质的表 面反射的光辐射耦合输入到光导5里面。为此光导5的末端部位在保持架中位于光辐射源 2处或与其间隔开。设置旋转铰链10使得来自光辐射源2的光辐射在镜子1的一个末端位置通过窗 口 7入射到要被分析的物质，并且由此所得到的来自要被分析的物质表面的光辐射至少部 分地通过窗口 7、镜子1入射到光导5的端面(图2b中的视图)。在这种情况下不控制驱
动装置。在镜子1的另一个末端位置光辐射直接从光辐射源2进入到基准体3，并且由此所
8得到来自基准体3的光辐射至少部分地进入光导5的端面(图2a中的视图)。基准体由波 长标准的材料、尤其是稀土元素制成，和/或由强度标准的材料、尤其是烧结的低密度聚四 氟乙烯的材料制成。在本实施例的示例中可以设置两个光辐射源2。在此这样设置这些光辐射源2，使 至少一个光辐射源2的光辐射或者入射到外壳6里面的基准体3上，或者通过外壳6的窗 口 7入射到要被分析的物质上。在此光导5位于这些光辐射源2之间，由此使至少一部分 由基准体3或要被分析的物质的表面反射或透射的光辐射耦合输入到光导5里面。在本实施例的另一示例中摇板机构9、摇板机构9的旋转铰链10、基准体3、光辐射 源2和驱动装置4位于由基体构成的基板上，由此实现一个结构组件。为此基板在第一实施例中设置在窗口 7上，或者在第二实施例中设置在外壳6的 底部上。在第一种情况下基板在窗口 7和相关的要被分析的物质的方向上具有通过光辐 射源2的光辐射的穿孔。在本实施例的另一示例中可以设置作为弯曲振动器11的弯曲梁代替电磁驱动装 置。它例如是压电的弯曲振动器，尤其是双压电致动器或三压电致动器，由此可以实现足够 大的弯曲。为此使弯曲梁11耦联在摇板机构9的第二臂上。图3概略性地示出了一个光谱仪测量头，具有弯曲致动器和光辐射的端面出口。第一实施例的至少一个光谱仪测量头12或第二实施例的至少一个光谱仪测量头 12与光谱仪13连接，并因此形成一个用于待分析的物质所组成的测量体14的光谱仪系统。图4概略性地示出了一个光谱仪系统，具有光谱仪测量头。光谱仪测量头与相关的光谱仪形成一个公知的光谱仪系统。通过光谱仪系统可以 检测吸收光谱。分光计本身是公知的棱镜光谱仪、光栅光谱仪或FTIR光谱仪。在棱镜光谱仪中使用作为色散元件的棱镜。在此入射的光辐射分解成其各个波 长。通过获得的光谱分量可以推断物质的组分。此外，如果已知所使用的光辐射波长的话， 棱镜光谱仪也可以用于测量物质的折射率、反射率或透射率如果由衍射光栅代替棱镜，则构成光栅光谱仪。在此在光栅上的光衍射用于光辐 射的色散。光辐射进入到至少一个缝隙形的辐射入口。缝隙的方向对应于衍射光栅的条纹 /线的方向。衍射/干涉产生光谱，它利用半导体检测器检测。另一形式是傅立叶变换红外线光谱仪，其中在调整干涉仪时通过傅立叶变换计算光谱。
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权利要求
一种用于分析流体、膏状或固体物质的特性参数的、用于光谱仪系统的光谱仪测量头，其特征在于，在外壳(6)中设置可旋转支承的镜子(1)和至少一个光辐射源(2)或一个输出耦合光辐射的装置使得光辐射通过可旋转支承的镜子(1)的偏转，或者入射到外壳(6)中的基准体(3)上或者通过外壳(6)的窗口(7)入射到所述物质上，为了偏转，该可旋转支承的镜子(1)机械地耦联在驱动装置(4)或外壳(6)里面的弯曲梁(11)上，在外壳(6)中设置至少一个光导(5)使得至少一部分由基准体(3)或物质表面反射或者透射的光辐射耦合输入到光导(5)里面。
2.如权利要求1所述的光谱仪测量头，其特征在于，所述可旋转地支承的镜子(1)是摇 板机构(9)的第一臂并且在该摇板机构(9)的第二臂上耦联驱动装置(4)或弯曲梁(11)。
3.如权利要求1所述的光谱仪测量头，其特征在于，所述可旋转支承的镜子(1)的旋转 铰链耦联在驱动装置(4)上，在外壳(6)中设置用于该可旋转地支承的镜子(1)的、并位于 其背面上的滑块或滚动体和至少一个作用于该可旋转地支承的镜子(1)上的弹性部件使 得弹性力在滑块或滚动体方向上起作用并且使旋转铰链与滑块间隔地、直线导引地活动， 由此使该可旋转支承的镜子(1)在相对于导向体进行活动时偏转。
4.如权利要求1所述的光谱仪测量头，其特征在于，一个至少用于旋转铰链(10)或具 有可旋转支承的镜子⑴的旋转铰链(10)的基体配有一个用于窗口(7)的加热元件。
5.如权利要求1所述的光谱仪测量头，其特征在于，在外壳(6)中设置可旋转支承的 镜子(1)和两个光辐射源(2)使得至少一个光辐射源(2)的光辐射分别或者入射到外壳 (6)里面的基准体(3)上或者通过外壳(6)的窗口(7)入射到所述物质上，并且在外壳(6) 中设置光导(5)的端面，使得至少一部分由基准体(3)或所述物质的表面反射的或透射的 光辐射耦合输入到光导(5)里面。
6.如权利要求1或2所述的光谱仪测量头，其特征在于，一个基体、摇板机构(9)、摇板 机构(9)的旋转铰链、基准体(3)、驱动装置(4)和光辐射源(2)或输出耦合光辐射的装置 是一个组件的组成部分。
7.如权利要求1所述的光谱仪测量头，其特征在于，所述窗口(7)是外壳(6)的端壁或 侧壁的组成部分。
8.如权利要求1所述的光谱仪测量头，其特征在于，所述驱动装置(4)是移动作用的、 具有用于活动部件的复位簧的电磁驱动装置，移动作用的压电驱动装置，具有螺杆/螺母 系统的旋转驱动装置，或弯曲梁(11)、最好是压电的弯曲振动器。
9.如权利要求1所述的光谱仪测量头，其特征在于，所述基准体(3)由强度标准的材料 或由不仅强度标准也波长标准的材料组合制成。
10.如权利要求9所述的光谱仪测量头，其特征在于，所述用于强度标准的基准体(3) 由低密度的烧结的聚四氟乙烯制成。
11.如权利要求9所述的光谱仪测量头，其特征在于，所述组合的强度标准和波长标准 的基准体(3)具有以稀土元素填充的成份，其中这些稀土元素适合于光谱仪系统的波长校 准。
12.如权利要求1所述的光谱仪测量头，其特征在于，所述驱动装置(4)和光辐射源 (2)与外壳(6)里面的控制装置连接，并且尤其具有校准数据的数据存储器是控制装置的 组成部分。
13.如权利要求1所述的光谱仪测量头，其特征在于，在光谱仪测量头(12)以外设置一 个漫反射的或定向反射的反射器使得要被分析的物质位于光谱仪测量头与反射器之间并 由此也可以以透射或透-反射方式分析透明或半透明的物质。
14.如权利要求1所述的光谱仪测量头，其特征在于，设置成像光学系统使得由光辐 射源(2)将光辐射加到与光谱仪测量头间隔布置的物质上，并且将从该物质反射的光辐射 耦合输入到光导(5)里面。
15.如权利要求1所述的光谱仪测量头，其特征在于，设置所述光辐射源(2)和光导 (5)使得各辐射轴平行或几乎平行地延伸。
16.如权利要求1所述的光谱仪测量头，其特征在于，设置所述光辐射源(2)和光导 (5)相对于窗口(7)使得窗口(7)的直接反射不由光导(5)吸收。
17.如权利要求1所述的光谱仪测量头，其特征在于，所述光辐射源(2)配有用于使光 辐射会聚的透镜。
全文摘要
本发明涉及一个用于分析流体、膏状或固体物质的特性参数的、用于光谱仪系统的光谱仪测量头(12)。其特征尤其在于拥有一个长时间稳定的、少维护的且简单构成的光谱仪测量头。为此在外壳(6)里面设置可旋转支承的镜子(1)和至少一个光辐射源(2)或一个输出耦合光辐射的装置使得光辐射通过可旋转支承的镜子的偏转，或者入射到外壳里面的基准体(3)上或者通过外壳的窗口(7)入射到要被分析的物质(14)上。为此使镜子(1)机械地耦联在驱动装置(4)或耦联在外壳中也作为弯曲振动器的弯曲梁上。此外在外壳里面设置至少一个光导(5)使得至少一部分由基准体或要被分析的物质表面反射或透射的光辐射耦合输入到光导里面。在光谱仪测量头中有利地将光辐射源与发光机构结合成整体，由此能够低损耗地照射物质或基准体。
文档编号G01N21/27GK101981435SQ200880118506
公开日2011年2月23日 申请日期2008年11月28日 优先权日2007年11月30日
发明者M·劳, U·基尔申奈尔 申请人:光学测量系统协会森创尼克有限公司;布勒股份公司