一种基于水下探测的全海深高强度耐压光谱分析装置的制作方法

本发明涉及光谱探测装置领域，具体涉及一种基于水下探测的全海深高强度耐压光谱分析装置。

背景技术：

经济的快速发展使矿产资源的需求急剧增长，陆地矿产资源日益枯竭，海洋逐渐成为人们关注的重点资源开发领域。目前，声学在海洋领域的研究方面应用最为广泛，由于声学自身的局限性，使水下光学探测方式越来越得到重视和应用。通过光学手段可以实时、在线、原位对海洋水质、海底资源、海底地形地貌进行探测和观测，随着海洋光学技术的发展，基于光学手段的海洋勘探开发和水质检测等研究工作也逐渐从浅海走向深海，水下光谱仪器的耐压腔体是为仪器的电子电路、光学成像系统以及电源灯零部件单元提供可靠的安装空间，水下光谱仪器已被广泛应用于海洋的勘测开发、科学研究以及水下武器装备等。

与传统地面光学仪器不同，水下光谱仪器需要具有很好的密封性和耐压性能，需要开发设计耐压性能高、密封能力强、抗海水腐蚀性强的机械腔体，才能使得仪器在深海环境下能可靠工作。目前大部分海洋光学仪器大多为光学成像设备，并且应用于浅海领域，设计应用海深为不大于6000m，抗耐压性能低、密封性能低，使得仪器不能在全海深环境下(典型耐压深度：

11000米)可靠地工作，并且目前还没有应用于深海的光谱探测仪器。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有海洋光学仪器耐压性能低、密封性能低、仪器不能在全海深环境下可靠地工作等问题，提供一种基于水下探测的全海深高强度耐压光谱分析装置。

本发明的技术方案是：

一种基于水下探测的全海深高强度耐压光谱分析装置，包括外壳、电池组件、闪烁光源、电路控制处理系统、物镜镜筒、第一准直物镜组、第二准直物镜组、狭缝、光栅和线阵探测器；所述外壳为密封圆柱筒体，包括依次设置的密封盖板、电池外壳、主壳体和光栅座；所述电池组件设置在电池外壳内，电池组件通过电路控制处理系统分别给闪烁光源和线阵探测器供电；所述闪烁光源和电路控制处理系统设置在光源板上，所述光源板固定设置在主壳体内；所述线阵探测器固定设置在光栅座上，所述狭缝、光栅通过支架固定设置在光栅座上；所述主壳体上设置有向内凹的样品池，两个物镜镜筒分别设置在样品池的两侧，并与主壳体固定连接，所述第一准直物镜组和第二准直物镜组分别设置在物镜镜筒内部，均包括依次设置的第一透镜、第二透镜、胶合镜组和石英窗口玻璃；所述第一准直物镜组和第二准直物镜组通过压圈轴向定位；所述闪烁光源发出的光依次通过第一准直物镜组的第一透镜、第二透镜、胶合镜组和石英窗口玻璃，将发散光转化为平行光，平行光对液体样本进行投射后经过第二准直物镜组的石英窗口玻璃、胶合镜组、第二透镜和第一透镜，将平行光聚焦于狭缝，经狭缝后的光在光栅位置进行色散形成光谱，经光栅反射后成像于线阵探测器。

进一步地，所述物镜镜筒为阶梯套筒结构，物镜镜筒和主壳体通过止口配合，物镜镜筒和主壳体的接触面上设有轴向密封圈和径向密封圈，通过轴向密封圈和径向密封圈保证物镜良好的密封性能。

进一步地，所述第一透镜和第二透镜之间设置有钛合金隔圈，钛合金隔圈保证光学间隔。

进一步地，所述光源板与主壳体为轴孔间隙配合，易于保证闪烁光源中心与准直镜光轴的一致性。

进一步地，所述电池外壳和主壳体之间、主壳体和光栅座之间均设置有o型密封圈。

进一步地，所述样品池的两侧设有轴向加强筋，增强壳体整体的机械性能。

进一步地，所述第一准直物镜组和第二准直物镜组采用钛合金tc4材料，钛合金零件能够进行黑色表面处理，降低光路杂散光的影响。

进一步地，所述电池组件采用组合式锂电池，电池组件上设有充电接口。

进一步地，所述密封盖板的一侧设置有吊环，所述吊环与密封盖板螺纹连接。

进一步地，所述外壳采用1cr18ni9ti制成，该材料具有良好的耐腐蚀能力，并对材料进行钝化、以及防水和防污的表面处理，能够保证产品的三防性能，材料具有较高的机械刚度和强度，能够保证产品的可靠性。

本发明的优点为：

1.本发明基于全海深应用需求，提供应用于11000米海深的光谱探测装置，该装置具有良好的耐压能力、良好的抗腐蚀性能以及可靠的水密封能力，能够满足全海深海洋环境水质监测、地形地貌探测以及海洋矿产的勘测等应用需求。

2.本发明提供的海洋光谱探测设备，防护外壳采用耐腐蚀性的不锈钢材料，圆柱形结构外形设计，光学镜头结构零件采用钛合金材料，光学窗口采用三防性能好、强度高的石英材料，能够良好适应深海环境，具有高耐压能力、抗腐蚀能力强等特点，能够确保在全海深环境的可靠应用。

3.本发明首次提出了基于深海领域的光谱探测装置，为海洋原位探测，可对海洋剖面的水体组份进行实时探测和分析，也可对海斗深渊、海底烟筒、热液喷口等组份进行原位探测和分析。

4.本发明采用了闪烁光源、全息凹面光栅分光以及高灵敏度线阵探测器的配置，光谱探测精度高，如溶解性氮检出限高达0.005mg/l，检测动态范围大。

附图说明

图1为本发明实施例光谱探测装置的结构图；

图2为本发明实施例光谱探测装置的局部结构图；

图3为本发明实施例光谱探测装置的轴向加强筋结构图。

附图标记：1-外壳，101-密封盖板，102-电池外壳，103-主壳体，104-光栅座，2-电池组件，3-电路控制处理系统，4-光源板，5-闪烁光源，6-物镜镜筒，7-第一准直物镜组，8-第二准直物镜组，9-狭缝，10-光栅，11-线阵探测器，12-样品池，13-第一透镜，14-胶合镜组，15-第二透镜，16-石英窗口玻璃，17-o型密封圈，18-吊环，19-径向密封圈，20-轴向密封圈，21-轴向加强筋，22-压圈，23-隔圈。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明光谱探测装置主要用于原位探测海水水体组份状态，对海水的痕量元素、微量元素等含量进行原位高精度探测，为海洋水质质量的评估给出准确的数据支持。

如图1至图3所示的一种基于水下探测的全海深高强度耐压光谱分析装置，包括外壳1、电池组件2、闪烁光源5、电路控制处理系统3、物镜镜筒6、第一准直物镜组7、第二准直物镜组8、狭缝9、光栅10和线阵探测器11；外壳1为密封圆柱筒体，包括依次设置的密封盖板101、电池外壳102、主壳体103和光栅座104；电池组件2设置在电池外壳102内，电池组件2通过电路控制处理系统3分别给闪烁光源5和线阵探测器11供电；闪烁光源5和电路控制处理系统3设置在光源板4上，光源板4固定设置在主壳体103内，线阵探测器11固定设置在光栅座104上，狭缝9、光栅10通过支架固定设置在光栅座104上。

主壳体103上设置有向内凹的样品池12，两个物镜镜筒6分别设置在样品池12的两侧，并与主壳体103固定连接，第一准直物镜组7和第二准直物镜组8分别设置在物镜镜筒6内部，均包括依次设置的第一透镜13、第二透镜15、胶合镜组14和石英窗口玻璃16，第一准直物镜组7和第二准直物镜组8通过压圈22轴向定位，闪烁光源5发出的光依次通过第一准直物镜组7的第一透镜13、第二透镜15、胶合镜组14和石英窗口玻璃16，将发散光转化为平行光，平行光对液体样本进行投射后经过第二准直物镜组的石英窗口玻璃16、胶合镜组14、第二透镜15和第一透镜13，将平行光聚焦于狭缝9，经狭缝9后的光在光栅10位置进行色散形成光谱，经光栅10反射后成像于线阵探测器11。

电池外壳102和主壳体103之间、主壳体103和光栅座104之间均设置有o型密封圈17，石英窗口玻璃16和胶合镜组14接触的面上设置有轴向的密封槽，进一步能够保证装置的密封性能。

本发明主要由组合机械防护外壳对光、电部件进行支撑和保护，光学系统和电路系统均整体集成在防护外壳1之内，闪烁光源5和电路控制处理系统3通过光源板4作为整体部件与防护外壳1连接，光源板4与外壳1为轴孔间隙配合，能够达到较高的加工和装调精度，易于保证闪烁光源5中心与准直镜光轴的一致性，针对光学系统结构设计要求，第一准直物镜组7和第二准直物镜组8材料均选用钛合金tc4材料，每个准直物镜组为单独的部件设计，包含一个石英窗口玻璃16，一个胶合镜组14和两个透镜，透镜之间设计有钛合金隔圈23保证光学间隔，在物镜内外两端设计有钛合金压圈22对镜组进行压紧固定，物镜镜筒整体通过镜筒上的法兰和防护外壳1进行轴孔配合安装，利用螺钉进行轴向紧固，设计的钛合金零件能够进行黑色表面处理，降低光路杂散光的影响。

物镜镜筒6为阶梯套筒结构，物镜镜筒6和主壳体103通过止口配合，圆柱配合面上设计有两组o型圈径向密封圈19，并且连接法兰位置也设计有o型圈轴向密封圈20，通过三处的密封保证物镜位置良好的密封性能；两组准直物镜组端面作为和海水直接接触位置，设计有石英材料的窗口玻璃，直径为10mm，设计的玻璃厚度能够承受120mpa的水体压力，窗口玻璃与物镜之间通过轴向的密封槽以及装配时玻璃配合面周边涂抹密封胶等相关的封胶工艺，能够确保光窗位置的良好密封，闪烁光源5发出的光首先通过第一准直物镜组将发散光形成平行光，平行光对液体样本进行投射后经过第二准直物镜组后聚焦于光学狭缝9，经过狭缝9后的光在光栅10位置进行色散，形成光谱，在光栅10反射后成像于探测器位置。

整个光路中，光学狭缝9、光栅10和探测器三者之间的位置关系直接影响着光谱探测的光谱分辨率。在本发明中，光学狭缝9、刻线密度600l/mm刻画面积30mm×30mm的平场凹面全息光栅以及tcd1304dg线性探测器作为一个部件安装在光栅座104上，可单独利用单色仪等标准外光源，通过调整光栅10的安装角度等姿态，进行上述三者光路的调整，保证光学位置的精度，位置调整完毕后，光栅座104与外壳1轴孔配合安装，通过轴向的o型密封圈17进行密封。

电池组件2负责产品水下工作时的供电，电池采用组合式锂电池，充电一次能够保证连续工作15h，电池组件2外面设计有充电接口，打开螺纹密封式吊环18，可对电池进行充电。

海洋设备尤其是海洋水下产品的结构必须保证具有良好的抗腐蚀能力，外壳1选用1cr18ni9ti，该材料具有良好的耐腐蚀能力，并对材料进行钝化、以及防水和防污的表面处理，能够保证产品的三防性能，材料具有较高的机械刚度和强度，能够保证产品的可靠性。

仪器在深海工作时，需要承受较大的外部水体压力，对于11000m水深工作的环境，设备需要承受110mpa的外部压力，根据仪器整体结构设计状态，外部水压全部集中在外部的防护外壳1上，基于外壳1材料1cr18ni9ti的物理机械特性，通过有限元软件对产品进行了静压力仿真分析，在应力集中位置进行了内部和外部的加强设计，确保产品最大应力相对于材料的屈服应力强度，具有两倍的应力强度裕度，能够保证产品在深海的可靠工作。

主壳体103中间位置设计为开口结构，开口位置作为探测海水的样品池12，产品装配调试时，可以放置标准水样进行高精度标定。产品下沉时，通过该开口位置取样不同海深的海水水样，进行光谱探测，为增加壳体开口所造成的强度的降低，在开口位置设计有两个均布的轴向加强筋21，增强壳体整体的机械性能。