专利名称：一种分光光度计的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及分光技术领域，特别涉及一种分光光度计。
背景技术：
分光光度计是利用物质的分子或离子对某一波长范围的光的吸收作用，对物质进 行定性分析、定量分析及结构分析的仪器。分光光度计按所吸收光的波长区域不同，分为紫外分光光度计、可见分光光度计、 紫外-可见分光光度计、红外分光光度计；按吸收光的物质性质分，可以分为分子吸收分光 光度计和原子吸收分光光度计。大多数的分光光度计中都设有单色器，而大多数的单色器中的色散元件都采用光 栅。如图1所示，现有技术中的紫外分光光度计1包括光源101、单色器102、样品池 103、光电检测器104和数据处理系统105，光源101 —般为氘灯、钨灯、氢灯、氙灯等紫外可 见光源，主要提供一定波长范围的复合光；单色器102主要由色散元件及其聚光系统组成， 它把光源101出射的复合光分解成按波长散开的单色光；样品池103 —般为光程及容量一 定的玻璃或石英器皿(一般称比色皿)，用于承载待检测的样品。由单色器102出射的单 色光进入样品池103后光能发生变化，并由光电检测器104接收。光电检测器104 —般为 硅光电池或光电倍增管。光电检测器104把光信号转变成电信号，并传输到数据处理系统 105进行计算和显示。如图2所示，单色器102由入射狭缝201、准直镜202、平面光栅203、聚光镜204和 出射狭缝205组成，光源101出射的复合光经入射狭缝201和准直镜202后入射到平面光 栅203上，平面光栅203将复合光分解成按波长散开的单色光后经聚光镜204和出射狭缝 205出射进入样品池103。但是，光栅作为分光元件，有其局限性。平行光通过光栅每个刻槽时发生衍射和干 涉，形成按级次，按波长分开的光谱，不同级次光强度不同，同一级次上不同波长光能也不 同。每个闪耀光栅都具有一个闪耀波长，在闪耀波长处，光栅的相对光强度最高，随着波长 偏离闪耀波长，衍射效率逐渐下降，光强度也随之下降。因此，当光源出射的复合光波长范 围较大时，一块光栅就无法使所有波长都具有较高衍射效率和光强度。由于远离闪耀波长 的波长位置光能损失较多，有效光能低，影响整个仪器的信噪比，从而影响仪器检测的准确 度。所以，现有技术中又提出了采用具有不同闪耀波长的多个光栅进行分光的方法， 根据仪器设计需要选择具有不同闪耀波长的光栅，使光强度在光源出射光的整个波长范围 内都具有较高的衍射效率，从而提高系统的光能量。但是当采用多块光栅时，如何在仪器中摆放这些光栅就又成为一个需要解决的问 题。现有技术中提出了两种摆放方式，第一种是将多个光栅并排平行放置，虽然这种方式能 够实现多个光栅分光的方法，但是这种并排平行放置的形式，会占用很多的仪器空间，从而增加仪器的体积，而目前的仪器设计一般都要求尽量减小仪器的体积；第二种方式是将多 个光栅呈一定角度放置，首先这种呈角度放置的方式也会占用很多的仪器空间，其次光栅 之间的角度设计以及光栅的切换控制都存在一定难度，会给仪器设计增加难度。发明内容本实用新型的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种既能减小仪器 体积，又能简化设计的分光光度计。本实用新型所述的分光光度计，包括一个第一光栅、一个第二光栅、一个光栅转座 和一个步进电机，所述的第一光栅和所述的第二光栅具有不同的闪耀波长，且与所述的光 栅转座固定连接，所述的步进电机的转轴与所述的光栅转座固定连接，所述的光栅转座为 倒T字结构，所述的第一光栅和所述的第二光栅背靠背平行安装在所述的光栅转座的上 部，所述的步进电机的转轴安装在所述的光栅转座的下部。在本实用新型所述的分光光度计，所述的第一光栅或所述的第二光栅的中 心轴与所述的步进电机的转轴之间可以具有一个水平距离h，所述的水平距离1! > LX (tan ω 1+tan ω幻/2，其中，L是所述的步进电机的转轴与所述的第一光栅或所述的第二 光栅的光栅面的垂直距离，ω 1是所述的第一光栅或所述的第二光栅的最大转角，ω2是所 述的第一光栅或所述的第二光栅的最小转角，且ω > ω2。在本实用新型所述的分光光度计，所述的最大转角小于30度时，所述的水平距离 h ^ LX (tan ω Ι+tan ω 2)/2。在本实用新型所述的分光光度计，所述的光栅转座的下部可以具有一个转轴固定 孔和一个顶丝固定结构，所述的步进电机的转轴插入所述的转轴固定孔，并通过所述的顶 丝固定结构与所述的光栅转座固定连接。在本实用新型所述的分光光度计，所述的光栅转座的上部可以具有立背结构，所 述的第一光栅和所述的第二光栅粘接在所述的立背结构的两侧。在本实用新型所述的分光光度计，所述的光栅转座可以包括呈左L型的第一调节 结构和呈右L型的第二调节结构，所述的第一调节结构与所述的第一光栅连接，所述的第 二调节结构与所述的第二光栅连接，所述的第一调节结构和所述的第二调节结构在上部通 过一个纵向开槽连接，所述的第一调节结构的下部通过一个第一横向开槽与所述的光栅转 座的下部连接，所述的第二调节结构的下部通过一个第二横向开槽与所述的光栅转座的下 部连接，所述的第一横向开槽上设有安装螺钉的第一螺纹孔和安装顶丝的第一顶丝孔，所 述的第二横向开槽上设有安装螺钉的第二螺纹孔和安装顶丝的第二顶丝孔。在本实用新型所述的分光光度计，所述的第一调节结构的上部可以具有第一安装 孔和与之配合的第一固定螺钉，所述的第二调节结构的上部可以具有第二安装孔和与之配 合的第二固定螺钉，所述的第一固定螺钉将所述的第一光栅固定在所述的第一安装孔中， 所述的第二固定螺钉将所述的第二光栅固定在所述的第二安装孔中。本实用新型所述的分光光度计，除了能够减小仪器体积、简化仪器设计外，还具有 以下特点1、在光栅转动到一定角度时，光栅一边上的光就会溢出，而光栅的另一边却没有 利用到，如果采用增大光栅面积的方法，又会增加成本，所以在实用新型中，将两块光栅都错开放置，即不用增加光栅面的面积，又不会产生漏光的现象，使光栅得到了充分的利用， 而且也节约了成本；2、在本实用新型中，采用顶丝结构将电机转轴与光栅转座固定连接，安装方便，而 且使电机与光栅转座连接更加牢固；3、在本实用新型中，不仅将光栅粘结在光栅转座上，而且在光栅转座的立背结构 上设置有安装孔，还用固定螺钉将光栅固定在安装孔上，使光栅与光栅转座的连接更加牢 固；4、在本实用新型中，在光栅转座上设置有光栅调节结构，通过螺钉和顶丝的调节， 可以调节光栅的仰俯角，从而使两个光栅的光轴平行，刻线垂直，并且可以实现两个光栅同 时调节。
图1是现有技术中紫外分光光度计1的结构示意图。图2是现有技术中单色器102的结构示意图。图3是本实用新型中紫外分光光度计3的结构示意图。图4是紫外分光光度计3的详细结构示意图。图5是光栅模块406和转动模块407的结构示意图1。图6是第一光栅501和第二光栅502在前单色器中的结构示意图。图7是和计算距离h有关的各种变量关系的示意图。图8是光栅模块406和转动模块407的结构示意图2。图9是光栅模块406和转动模块407的结构示意图3。
具体实施方式
下面具体介绍本实用新型的最佳实施方式。如图3所示，紫外分光光度计3包括光源301，前单色器302，主单色器303，分光系 统304，样品池305，参比池306，光电检测器307和数据处理系统308。如图4所示，光源301由氘灯401、钨灯402及聚光镜403组成。氘灯401提供 190nm-400nm波段的复合光，钨灯402提供400歷-2500歷波段的复合光。在本实施例中，使 用波段为190nm-900nm的复合光，因此采用氘钨灯结合的方式。聚光镜403主要作用是把 氘灯401或钨灯402发出的发散光会聚到前单色器302的入口。聚光镜403由一个电机带 动可以转动，通过转动聚光镜403的角度可以实现氘灯401和钨灯402的切换。前单色器302主要由入射狭缝404、准直镜405、光栅模块406、转动模块407、聚光 镜408和出射狭缝409组成。入射狭缝404主要用于限制光源301入射到前单色器302的 光束口径；准直镜405主要把入射的发散光准直成平行光，然后出射到光栅模块406。由于 光栅模块406的分光作用，光栅模块406出射的单色光是不同波长按不同角度出射的平行 光，单色光经过聚光镜会聚到出射狭缝409。光栅模块406由转动模块407带动可以转动， 通过转动光栅模块406的角度可以使不同波长的光会聚到出射狭缝409，光栅转角和波长 对应关系遵循光栅转动方程ΠΙ λ 二？如…丨^/^^！！^^，其中！！！为级次，入为波长，d为刻线 密度， 为入射光和出射光的夹角，ω是光栅的转动角度。[0036]主单色器303主要由入射狭缝410、准直镜411、第三光栅412、聚光镜413和出射 狭缝414组成。入射狭缝410用于接收前单色器302的出射光，准直镜411主要把入射的 发散光准直成平行光，然后出射到第三光栅412，由于第三光栅412的再次分光作用，第三 光栅412出射的单色光是不同波长按不同角度出射的平行光，这些单色光经过聚光镜413 会聚到出射狭缝414。第三光栅412由丝杆带动可以转动，通过转动第三光栅412可以选择 出射光的波长，光栅转角和波长对应关系同样遵循光栅转动方程。分光系统304主要由聚光镜415、平面镜416、平面镜417、平面镜427、聚光镜418、 聚光镜420和分束镜419组成，由主单色器303出射的单色光经过聚光镜415和平面镜416 的聚光和反射到达分束镜419。分束镜419是一个一半透光、一半反光的镜片，并由电机带 动高速运转，因此分束镜419把一束光分时地分成透射和反射的两束光，这两束光再经过 平面镜417、427和聚光镜418、420的作用分别会聚到参比池306和样品池305中心。样品池305和参比池306是两个光程和容量一样的比色皿。测试时，参比池306作 为参考，主要用于存放测试样品的溶剂，样品池305主要用于放测试样品。由分光系统304 出射的光进入样品池305和参比池306后，光能发生变化，由光电检测器307接收。光电检测器307主要由聚光镜423、聚光镜425、平面镜似4和光电倍增管似6组 成，聚光镜423、425和平面镜似4把样品池305和参比池306出射的光会聚到光电倍增管 426的接收面。由于前端分束镜419分时进行分束，因此光电倍增管似6也分时采集到样品 池305和参比池306出射的光信号。光信号通过光电倍增管似6后变成电信号并被放大， 数据处理系统308将放大后的电信号进行数据处理和显示。如图4和5所示，在本实施例中，由光源301发出的光经过入射狭缝404、准直镜 405入射到光栅模块406上，光栅模块406由转动模块407带动进行转动，通过转动光栅角 度使不同波长的光会聚到前单色器302的出射狭缝409。光栅模块406由第一光栅501和 第二光栅502组成，转动模块407由光栅转座503和步进电机504组成。第一光栅501和 第二光栅502分别固定在光栅转座503上，步进电机504与光栅转座503固定连接，带动 光栅转座504转动。在本实例中，采用复合光的波段为190nm-900nm，所以选择第一光栅 501的闪耀波长为250nm，第二光栅502的闪耀波长为800nm，并且设置光栅的切换波长为 380nm,即第一光栅501用于接收波长在190-380nm之间的光，第二光栅502用于接收波长 在380-900nm之间的光。同时，在光栅转座503的下部还设置有一个磁铁509，在光栅转座 503的旁边设置有一个霍尔元件，磁铁509和霍尔元件的设置是为了实现光栅旋转的准确 定位。紫外分光光度计3在开机之后，首先需要进行自检，自检时，光栅先转动，当霍尔元件 感应到磁铁509时，系统的控制软件默认该位置为光栅转座503的初始位置，然后光栅转动 一定角度，进行小范围的扫描，扫描出能量最高时波长对应的步进电机504的位置，并被控 制软件记录下来，有了这两个波长对应的步进电机504的位置，其它波长对应的步进电机 504的位置就可以推算出来。自检完成后，控制软件记录下两块光栅不同波长相对应的电 机位置。在仪器工作时，系统会根据用户选择的波长选择光栅，并将该光栅旋转到相应的位 置，用于接收光源出射的复合光。如图5所示，在本实施例中，光栅转座503为倒T字结构，倒T字结构的上部具有 立背结构505，第一光栅501和第二光栅502背靠背粘接在立背结构505的上部。光栅转座 503倒T字结构的下部具有一个用于连接步进电机转轴506的连接结构507，包括一个转轴固定孔和一个顶丝固定结构508，顶丝固定结构508包括四个顶丝锁紧结构，分别在连接结 构507的四面将转轴506与光栅转座503锁紧，使它们固定连接。如图6所示，并且，在本实施例中，第一光栅501和第二光栅502的的中心轴和电 机转轴506错开一个水平距离h，h的计算步骤如下经推算h' = LXtanco-(L/cosco-L) Xsin(V/2)/cos(V/2_co)，如图 7 所示，L 是 电机轴与光栅面的垂直距离，ω是光栅面的转角，即光栅面的垂直线与水平面的夹角，V/2 是光栅夹角的一半。在本实施例中，系统规定的波长范围为190nm-900nm，光栅采用1级光 谱，光栅的刻线密度为1200线/_，根据光栅方程m λ = 2dCOS(Y/2)Sincojpm= 1，d =1200线/mm，γ = V, λ = 380 900nm，带入公式计算得到ω在3. 5° 21之间。。 由此可以得到第一光栅501或第二光栅502的最小转角ω = ω2 = 3.5°时的h2'，最 大转角ω = ω = 21°时的hi'，最终推算得到h= (hl' +h2' )/2。当ω <30°时， h' LXtanco，所以h LX (tancol+tano^)/2。并且可以得出光栅面的最小宽度为 DO+hl' -h2'。当第一光栅501和第二光栅502不错开而相互平行放置的时候，如果光栅面的面 积不够大，那么在光栅转动到一定角度时，光栅一边上的光就会溢出，而光栅的另一边却没 有利用到，因此光能量会降低，并且露出的光会变成杂散光，影响系统指标；如果采用增大 光栅面积的方法，又会增加成本。所以在本实用新型中，将两块光栅错开放置，并通过光栅 转动的角度以及其他系统设计的要求，推导出两块光栅中心相对于电机转轴错开的距离， 在错开这个距离的时候，既不会产生漏光，也能够充分利用光栅面，并且不用增加光栅面的 面积，节约了成本。如图8所示，光栅转座503上设置有左L型的第一调节结构803和右L型的第二 调节结构804，第一调节结构803与第一光栅501连接，第二调节结构804与第二光栅502 连接，第一调节结构803和第二调节结构804之间开有纵向开槽805，第一调节结构803的 下部和光栅转座503之间开有第一横向开槽806，第二调节结构804的下部和光栅转座503 之间开有第二横向开槽807，第一横向开槽806上设置有安装螺钉的第一螺纹孔808和安装 顶丝的第一顶丝孔809，第二横向开槽807上设置有安装螺钉的第二螺纹孔810和安装顶 丝的第二顶丝孔811，通过螺钉和顶丝的调节使第一横向开槽806、第二横向开槽807及纵 向开槽805产生机械变形，改变开槽间隙的大小，实现光栅仰俯角度的调节。例如，当拧紧 螺钉的时候，可以减小横向开槽的间隙，加大纵向开槽的间隙，这样就可以使光栅的俯角加 大，同样，当旋转顶丝的时候，可以加大横向开槽的间隙，减小纵向开槽的间隙，这样就可以 使光栅的仰角加大。并且纵向开槽805的存在实现了两个光栅的同时调节。纵向开槽805、 第一横向开槽806和第二横向开槽807的长度和宽度与光栅需要调节的仰俯角度有关。如图8和图9所示，第一调节结构803上设置有第一安装孔801和第一固定螺钉 901，第二调节结构804上设置有第二安装孔802和第二固定螺钉902，第一光栅501上设 置有用于安装的光栅固定轴，将第一光栅501的光栅固定轴粘接到第一安装孔801中，并用 第一固定螺钉901紧固第一安装孔801的开槽间隙，使第一光栅801和光栅转座503锁紧； 同理，第二光栅502上也设置有用于安装的光栅固定轴，将第二光栅502的光栅固定轴粘连 到第二安装孔802中，并用第二固定螺钉902紧固第二安装孔802的开槽间隙，使第二光栅 802和光栅转座503锁紧。并且为了进一步紧固光栅，在第一调节结构803的侧面设有第一紧固螺孔813，在第二调节结构804的侧面设有第二紧固螺孔812，第一紧固螺孔813和第 二紧固螺孔812通过螺钉在侧面将光栅进一步紧固。作为进一步的说明，在本实施例中，也可以将光栅的中心轴与电机转轴平行放置， 此时需要采用光栅面更大的光栅。作为进一步的说明，在本实施例中，在满足加工精度的情况下，也可以直接将光栅 粘连到光栅转座上，或者本领域其他常用的可以将光栅固定在光栅转座上的方法。作为进一步的说明，在本实施例中，在满足加工精度的情况下，如果能够保证两个 光栅的光轴平行，刻线垂直，也可以不采用L型的调节结构，直接将光栅固定在光栅座上， 不需要进行调节。作为进一步的说明，在本实施例中，也可以在L型调节结构上设置有多个螺钉和 顶丝结构，用于调节光栅的仰俯角。作为进一步的说明，在本实施例中，在分辨率要求不高的情况下，也可以只采用一 个单色器进行分光。作为进一步的说明，在本实施例中，在系统要求不高的情况下，也可以采用单光束 光路，即只采用一个样品池来接收信号，省略参比池。以上具体实施方式
仅用于说明本实用新型，而非用于限定本实用新型，本领域一 般技术人员根据上述设计思想所作的任何不具有创造性的创造，均应视为在本专利的保护 范围之内。
权利要求1.一种分光光度计，包括一个第一光栅、一个第二光栅、一个光栅转座和一个步进电机，所述的第一光栅和所述的第二光栅具有不同的闪耀波长，且与所述的光栅转座固定连接，所述的步进电机的转轴与所述的光栅转座固定连接， 其特征在于，所述的光栅转座为倒T字结构，所述的第一光栅和所述的第二光栅背靠背平行安装在 所述的光栅转座的上部，所述的步进电机的转轴安装在所述的光栅转座的下部。
2.根据权利要求1所述的分光光度计，其特征在于，所述的第一光栅或所述的第二光 栅的中心轴与所述的步进电机的转轴之间具有一个水平距离h，所述的水平距离h > LX (tan ω 1+tan ω幻/2，其中，L是所述的步进电机的转轴与所述 的第一光栅或所述的第二光栅的光栅面的垂直距离，ω1是所述的第一光栅或所述的第二 光栅的最大转角，ω2是所述的第一光栅或所述的第二光栅的最小转角，且ω > ω2。
3.根据权利要求2所述的分光光度计，其特征在于，所述的最大转角小于30度时，所述 的水平距离 h ^ LX (tan ω Ι+tan ω 2)/2。
4.根据权利要求3所述的分光光度计，其特征在于，所述的光栅转座的下部具有一个 转轴固定孔和一个顶丝固定结构，所述的步进电机的转轴插入所述的转轴固定孔，并通过 所述的顶丝固定结构与所述的光栅转座固定连接。
5.根据权利要求4所述的分光光度计，其特征在于，所述的光栅转座的上部具有立背 结构，所述的第一光栅和所述的第二光栅粘接在所述的立背结构的两侧。
6.根据权利要求5所述的分光光度计，其特征在于，所述的光栅转座包括呈左L型的第 一调节结构和呈右L型的第二调节结构，所述的第一调节结构与所述的第一光栅连接，所 述的第二调节结构与所述的第二光栅连接，所述的第一调节结构和所述的第二调节结构在 上部通过一个纵向开槽连接，所述的第一调节结构的下部通过一个第一横向开槽与所述的 光栅转座的下部连接，所述的第二调节结构的下部通过一个第二横向开槽与所述的光栅转 座的下部连接，所述的第一横向开槽上设有安装螺钉的第一螺纹孔和安装顶丝的第一顶丝 孔，所述的第二横向开槽上设有安装螺钉的第二螺纹孔和安装顶丝的第二顶丝孔。
7.根据权利要求6所述的分光光度计，其特征在于，所述的第一调节结构的上部具有 第一安装孔和与之配合的第一固定螺钉，所述的第二调节结构的上部具有第二安装孔和与 之配合的第二固定螺钉，所述的第一固定螺钉将所述的第一光栅固定在所述的第一安装孔 中，所述的第二固定螺钉将所述的第二光栅固定在所述的第二安装孔中。
专利摘要本实用新型提供了一种分光光度计，包括第一光栅(501)、第二光栅(502)、光栅转座(503)和步进电机(504)，第一光栅(501)和第二光栅(502)具有不同的闪耀波长，且与光栅转座(503)固定连接，步进电机转轴(506)与光栅转座(503)固定连接，并且光栅转座(503)为倒T字结构，第一光栅(501)和第二光栅(502)背靠背平行安装在光栅转座(503)的上部，步进电机转轴(506)安装在光栅转座(503)的下部。本实用新型的分光光度计解决了现有技术中采用多光栅实现分光的时候，光栅的摆放方式占用仪器空间，使仪器设计更加复杂的问题。
文档编号G01J3/42GK201837456SQ20102051270
公开日2011年5月18日 申请日期2010年9月1日 优先权日2010年9月1日
发明者李维森, 王悦, 王铁军 申请人:北京普源精电科技有限公司