具有两个角自由度的对准设备与发射器/接收器系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于对准信息源与接收器的装置与方法。特别地，本发明可应用在用于成功发射的对准公差相对小的环境中，尤其例如应用于激光光谱分析中。
【背景技术】
[0002]在多种系统中，有必要使发射器与接收器相对于彼此对准，以使得在接收器处成功地探测到发射器的输出。例如，可以提供机构或设备以沿着视线将系统部件对准。对准设备可以联接到发射器或者联接到接收器，或者在一些情形中提供多个相互配合的对准设备，为每个发射器与接收器提供一个对准设备。与发射器相关的对准设备使视线对准通过该对准设备并且对准到给定的目标点、区域或穿孔上以由接收器接收。接收器可以定位在距离源的固定距离处，该源被限定为沿着视线的起始视点，即发射器的发射点。发射器朝向接收器发射材料、电磁波以及声波中的一个或多个。接收器包括能够探测所发射的材料、电磁波和/或声波的探测器。探测器产生与入射的发射物的至少一个特性如强度成比例的信号。然而，许多探测器具有有限的视野并且不会探测到落到视野外的任何材料、电磁波和/或声波。此发射物呈现信号损失。信号损失是不期望的，因此在许多系统中期望的是使落入探测器视野内的发射物的数量最大化。在探测器视野内的区域可以称作为“目标”或“目标区域”。
[0003]要求精确对准的系统的一个实例是用于执行激光吸收光谱分析的工业气体分析器系统。在此系统中，激光束源(发射器)可以安装在工业处理气体管(或导管或室)的一侧以指向该管(导管或室)的另一部分上的接收器孔(目标)，使得激光束穿过处理管(导管或室)(因此也穿过处理气体)并且进入接收器孔。包括光探测器的接收器产生可用于处理气体的内容物的分析目的的信号。利用扫过气体吸收线以获得诸如相关气体的组成部分等有用参数信息或者处理温度信息的可调谐激光器来进行气体测量，对于连续发射监控系统(CEMS)而言通常可以用于优化与控制生产处理、燃烧处理，或者监控污染物，并且由此对于使来自工业处理的污染最小化以及有限自然资源的最佳使用是重要的。
[0004]在此示例性文本中，可以另选地或另外地在视线的接收器端使用对准设备，以使接收器和探测装置与激光光源对准。此外，也可以使用一个或多个对准设备以使激光光源和/或接收器，或光源与探测器结合单元与定位在导管内的另一个位置处的向后反射器对准。
[0005]已经存在允许调节视线的指向方向的多个对准设备。为了讨论这些设备，将视线显现为与对准设备的给定参考平面正交的单位向量η的方向是方便的。图1示出了此原理:由于参照平面100在空间中围绕容纳在参考平面100内的两个正交轴x、y中的任一个旋转，视线将改变其在空间中沿着方位或俯仰的指向方向。通过使参考平面100围绕视线自身旋转来给出第三旋转自由度。这不会导致视线改变其在空间中的指向方向，除非视线不与第一实例中的旋转平面正交。然而，在实践中此理想对于现有对准设备无效，因为指向方向的调节造成视线相对于旋转中心的一些平移，在此情形中当平面旋转时视线将描述锥形，这是不期望的。由于机械公差这在任何现实世界系统中都是不可避免的。
[0006]在光学领域中，通常使用动态安装件来改变光束转向镜或者其它光学部件的角度。这些安装件具有两个旋转自由度，并且动态设计意味着它们未在过度约束下或者约束不足，给出了高度确定且可重复移动。然而，此动态设计要求光学部件不能围绕其中心旋转，意味着旋转中的任何调节还产生平移，从而有效地移动光束的明显的源。实际上，动态安装件通常成对使用以提供光束的角度与平移控制。
[0007]动态安装件的另一个问题是由于它们的精确属性因此难以将它们锁定在适当位置处。对于为它们所设计的应用来说，主要地是实验室情形，这是可接受的，但是它们不适于通常存在高等级振动与大的温度变化的工业应用。
[0008]如图2中所示，一些工业气体分析器利用诸如0形环200的大横截面弹性部件来提供弹性与密封。可以利用在安装凸缘210与固定基部凸缘215之间的例如四个螺母与螺栓205的调节装置来差动地压紧0形环200，使得可以相对于固定基部凸缘215的平面改变安装凸缘210的平面的角度。此装置可以利用例如抵靠基部凸缘215驱动的其它四个螺钉(未示出)锁定在期望构造中，以为工业用途提供一个优势。对于技术人员来说用于调节装置的其它适当构造具有本公开的利益是显而易见的。
[0009]图2的对准设备的缺点是安装凸缘210的旋转点是不确定的。当调整调节装置时，由于零件之间的多个可变机械应力与摩擦，因此不能确保旋转中心处于对准设备的轴上。此外，如果四个螺母与螺栓205全部都沿着相同方向同样地驱动，那么不发生旋转并且0形环200仅被一致地压紧或释放。这改变了图2的对准设备如何随后地响应于任何给定的调节。根据0形环的压紧的当前状态的此响应的改变使得难以利用诸如图2中示出的对准设备来恒定地实现可靠对准。
[0010]图2的对准设备的另一个缺点是，随着时间的推移，调节设备可能在0形环压紧的末端处变硬或者松弛。在对准设备布置为处理气体分析器的一部分之处，松弛0形环可能造成气体泄漏。此外，弹性部件随着时间的推移而受到蠕变，这可能导致视线中的逐渐改变并且由此致使系统变得未对准。
[0011]此外，图2的对准设备的设计中的几个因素固有地限制了调节的范围。即使在具有大横截面的0形环的情形中，弹性部件(0形环200)的使用也趋于提供限制量的行进。此外，由于安装凸缘210与基部凸缘215之间的角度增加，因此螺母与螺栓调节件布置变得不能使用。在实践中，这些因素将视线的角度调节限制在当利用诸如图2中所示的对准设备时而具有大约1度的半角的锥体内。还有必要使用大横截面弹性部件以提供调节的可接受范围，并且从长远来看，这加重了与上述弹性体相关的蠕变问题，潜在地导致稳定性的迀移。
[0012]在工业气体分析器上使用的另一种已知的对准设备是图3中示出的波纹管布置。此布置包括波纹管300、调节与锁定螺母305、安装凸缘310与基部凸缘315。标准凸缘密封件320设置为密封安装凸缘310与基部凸缘315之间的界面。凸缘密封件320可以例如是0形环或者垫圈。
[0013]波纹管300可以被用于负责旋转轴之间联接的未对准并且波纹管构思已经被改良以用于调节光学设备的视线。波纹管300不具有弹性，或者实际上不具有任何弹性件，因此一旦调节与锁定螺母305松弛，此系统就不受约束直到重新锁定在给定位置中。这意味着在与此同时不改变其位置的情况下锁定它是困难的。出于如上概括的相同原因，图3的波纹管布置受到与图2中示出的弹性弹簧设计相同的旋转中心的不确定性。再次，如果全部调节与锁定螺母305同等地沿着一个方向移动，那么波纹管300在不旋转的情况下仅仅压紧或者延伸，以改变其响应特征。波纹管300内在地提供比弹性弹簧状的0形环200更大的调节范围，但是这被以下事实限制:波纹管300支撑在其上的间柱仅能够以安装凸缘310与基部凸缘315之间的限制角度工作。
[0014]波纹管构思的另一个缺点在于，由于波纹管自身不是结构元件，因此承载调节与锁定螺钉305的间柱还必须是足够强的悬臂以承载附接到对准设备上的任何东西的重量。这趋于使整个设备相对大并且笨重。
[0015]鉴于此，显然仍然需要一种可以可预计地并且可重复地对准发射器与接收器系统的对准设备。
【发明内容】
[0016]在所附权利要求中阐述了本发明的方面。
[0017]第一方面提供了对准设备，其包括:
[0018]安装件，其用于容纳发射或接收装置；
[0019]壳体，其用于安装件，所述壳体布置为允许安装件在所述壳体内旋转，其中壳体包括用于在安装件旋转过程中限制安装件平移的平移限制设备；以及
[0020]调节设备，其用于调节安装件在壳体内的对准，以使所容纳的发射或接收装置与期望的发射方向对准。
[0021]本发明的第二方面提供了系统，其包括:
[0022]发射器；
[0023]接收器；以及
[0024]根据本发明的第一方面的对准设备，其中将发射器与接收器中的一个固定在对准设备的安装件中。
[0025]本发明的第三方面提供了相对于第二装置对准第一装置的方法，其包括:
[0026]a)将根据本发明的第一方面的第一对准设备固定到物体的第一表面；
[0027]b)将第一装置或第二装置固定在第一对准设备的安装件中；
[0028]c)利用检验装置检查第一装置与第二装置之间的对准；
[0029]d)调节第一对准设备的对准；
[0030]e)重复步骤c)与d)直到实现第一装置与第二装置的令人满意的对准；以及
[0031]f) 一旦实现令人满意对准就将第一对准设备锁定在适当位置处。
【附图说明】
[0032]下面仅通过实例的方式参照附图描述了本发明的实施方式，在附图中:
[0033]图1是调节两个旋转自由度以改变光学路径在方位与俯仰中的方向的示意图；
[0034]图2是使用弹性弹簧的现有技术对准设备的示意图；
[0035]图3是使用波纹管的现有技术对准设备的示意图；
[0036]图4(a)示出了根据本发明的实施方式的第一对准设备的示意图；
[0037]图4(b)示出了根据本发明的实施方式的第二对准设备的示意图；
[0038]图4(c)示出了根据本发明的实施方式的第三对准设备的示意图；
[0039]图5为可能是根据实施方式的对准设备的一部分的典型可调谐激光横向塔吸收系统的不意图；以及
[0040]图6是根据实施方式的调节方法的示意图。
【具体实施方式】
[0041]图4(a)、图4(b)和图4(c)中示出了根据一些实施方式的对准设备400、400’和400”。图4(a)示出了第一实施方式，并且图4(b)和图4(c)相应地示出了第二实施方式400’与第三实施方式400”的横截面示意图。在全部三个实施方式中的共同特征被给予相同的附图标记，并且为了简化起见，仅在下面详细的描述中详细地描述一次。除非另外明确地指出，否则在下面的详细描述中参照对准设备400’应该理解为同样地适用于对准设备400’ 和 400”。
[0042]在发射器与接收器的光学对准的背景下在下面的大体描述中论述了对准设备400。在一些实施方式中，这是直接“视线”光学对准，但是应该理解的是光学路径可以包括反射表面，因此直接视线不是必不可少的。在对准控制能够有助于实现对通过介质的传输进行准确测量的系统中，对准设备具有诸多应用，诸如用于工业气体分析器系统中的激光光谱分析。然而，应该理解的是对准设备400不限于用于激光光谱气体分析系统。特别地，对准设备400将在其中期望使一个装置相对于另一个装置对准的任何系统中找到实用性，以使两个装置之间的发射成为可能。此外，发射不限于光学辐射；电磁辐射、声音与物质发射也是预期的。发射器可以构造为发