一种基于椭球结构的气体光谱测试装置的制作方法

本实用新型涉及光谱分析仪器，尤其是一种基于椭球结构的气体光谱测试装置。

背景技术：

光谱分析技术，已广泛应用于测量物质的化学组成和相对含量。这种技术具有操作简单、反应灵敏、数据准确诸多方面的优点。然而，当需要使用定光程光谱测量时，现有技术的装置仅仅是固定了出射光出口和感光器件的位置，使出射光直接经气体样品射入感光器件，用以固定整条光路的光程。存在的问题是，该结构使得光只能以固定角度射入感光器件，大大增加了因样品的不均匀、空间位置的变化、入射角度的改变以及光的反射、散射、偏振对测量数据的影响，导致测量结果可重复再现性差，监测精准度低的缺陷。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于椭球结构的气体光谱测试装置，本实用新型借助光在椭圆球体结构内的传播特性，将出射光位置和感光器位置分别定在椭球测量单元的左焦点及右焦点上，并在左焦点上设置凹透镜，在右焦点上设置电荷耦合元件，凹透镜发出的光经过椭球测量单元的镜面多角度发散，通过气体样品后并反射入电荷耦合元件处，保证了经过椭球测量单元内气体样品的光程固定，该结构降低了由于入射光的形状和角度变化以及气体样品分布的不均匀对测量结果造成的影响，提高了测量的可重复再现性，做到了对气体样品等光程且多角度的光谱测量，具有结构简单，成本低，监测结果精准的优点。

实现本实用新型目的的具体技术方案是：

一种基于椭球结构的气体光谱测试装置，特点是该装置包括入射光处理单元、出射光处理单元及椭球测量单元，所述入射光处理单元由单色器、光源、入射光通道和凹透镜构成，且单色器上设有入光口和出光口；所述出射光处理单元由固定横轴、固定纵轴、电荷耦合元件及上位机构成；所述椭球测量单元为金属制成的椭圆球壳体，其内壁涂覆白色镜面反射材料，椭圆球壳体内设有赤道长半径及赤道短半径，赤道长半径上分别设有左焦点及右焦点，椭圆球壳体壁上设有入气口、出气口及气压监测口，且气压监测口上设有气压传感器。

所述入射光处理单元的入射光通道设于赤道长半径的延长线上，且由左焦点穿透至椭球测量单元的外侧，凹透镜设于入射光通道的末尾端，凹透镜的左焦点与椭球测量单元的左焦点重合，单色器、光源均设于椭球测量单元的外侧，单色器的出光口设于入射光通道的起始端，光源与单色器的入光口之间光连接。

所述出射光处理单元的固定纵轴设于椭球测量单元的赤道短半径上，固定横轴设于椭球测量单元的赤道长半径上且位于右焦点至固定横轴之间，电荷耦合元件设于固定横轴的一端与椭球测量单元的右焦点重合，上位机设于椭球测量单元的外侧，线缆穿过固定纵轴及固定横轴将电荷耦合元件与上位机连接，线缆还将上位机与单色器连接。

所述的入射光通道为外表面涂覆白色镜面反射材料的管状件。

所述的固定纵轴及固定横轴均为外表面涂覆白色镜面反射材料的管状件。

所述的电荷耦合元件为背照薄型电荷耦合光传感器，其选择波段的波长范围为2微米到300微米。

所述的单色器上设有入光口和出光口,其选择波段的波长范围为5微米到200微米。

本实用新型借助光在椭圆球体结构内的传播特性，将出射光位置和感光器位置分别定在椭球测量单元的左焦点及右焦点上，并在左焦点上设置凹透镜，在右焦点上设置电荷耦合元件，凹透镜发出的光经过椭球测量单元的镜面多角度发散，通过气体样品后并反射入电荷耦合元件处，保证了经过椭球测量单元内气体样品的光程固定，该结构降低了由于入射光的形状和角度变化以及气体样品分布的不均匀对测量结果造成的影响，提高了测量的可重复再现性，做到了对气体样品等光程且多角度的光谱测量，具有结构简单，成本低，监测结果精准的优点。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型椭球测量单元的结构示意图。

具体实施方式

参阅图1、图2，本实用新型包括入射光处理单元1、出射光处理单元2及椭球测量单元3，所述入射光处理单元1由单色器12、光源13、入射光通道10和凹透镜11构成，且单色器12上设有入光口和出光口；所述出射光处理单元2由固定横轴21、固定纵轴22、电荷耦合元件25及上位机24构成；所述椭球测量单元3为金属制成的椭圆球壳体，其内壁涂覆白色镜面反射材料，椭圆球壳体内设有赤道长半径及赤道短半径，赤道长半径上分别设有左焦点及右焦点，椭圆球壳体壁上设有入气口31、出气口32及气压监测口，且气压监测口上设有气压传感器34。

本实用新型入射光处理单元1的入射光通道10设于赤道长半径的延长线上，且由左焦点穿透至椭球测量单元3的外侧，凹透镜11设于入射光通道10的末尾端与椭球测量单元3的左焦点重合，单色器12、光源13均设于椭球测量单元3的外侧，单色器12的出光口设于入射光通道10的起始端，光源13与单色器12的入光口之间光连接。

本实用新型出射光处理单元2的固定纵轴22设于椭球测量单元3的赤道短半径上，固定横轴21设于椭球测量单元3的赤道长半径上且位于右焦点至固定横轴21之间，电荷耦合元件25设于固定横轴21的一端与椭球测量单元3的右焦点重合，上位机24设于椭球测量单元3的外侧，线缆穿过固定纵轴22及固定横轴21将电荷耦合元件25与上位机24连接，线缆还将上位机24与单色器12连接。

所述的入射光通道10为外表面涂覆白色镜面反射材料的管状件。

所述的固定纵轴22及固定横轴21均为外表面涂覆白色镜面反射材料的管状件。

所述的电荷耦合元件25为背照薄型电荷耦合光传感器，其选择波段的波长范围为2微米到300微米。

所述的单色器12上设有入光口和出光口,其选择波段的波长范围为5微米到200微米。

实施例

本实施例以电荷耦合元件25选择波段的波长为2微米到300微米、单色器12选择波段的波长为5微米到200微米为例。

前期准备工作

参阅图1、图2，为便于测试过程自动完成，本实用新型与程序控制器及计算机配合使用，本实用新型在入气口31及出气口32上设有电磁阀，在出气口32上连接抽气泵；计算机连接程序控制器，程序控制器分别与入射光处理单元1上光源13的开关、射光处理单元2上的上位机24、椭球测量单元3上入气口31与出气口32的电磁阀、抽气泵及气压传感器34连接。

气体样品的投放

参阅图1、图2，分析气体样品时，将样品存储瓶连接到椭球测量单元3的入气口31上，程序控制器控制抽气泵启动，使椭球测量单元3内获得设定的气压值，气压传感器34将检测的气压值传输到程序控制器，当气压值到达设定值时，程序控制器控制抽气泵关闭、入气口31与出气口32的电磁阀关闭，待椭球测量单元3内气压稳定后，程序控制器启动上位机24向单色器12输入色散的波长信号，并通过电荷耦合元件25收集相应的波长光强信号，上位机24同时记录单色器12输出的波长信号与电荷耦合元件25的对应波长光的光强信号，经计算机处理，成功描绘出相应气体样品的光谱图。

气体光谱的测试过程

参阅图1、图2，当分析气体样品充入椭球测量单元3并达到设定的气压值时，程序控制器打开光源13的开关，光源13的复色光射入单色器12并通过单色器12的色散，获得实验需要的单色光，单色光经过入射光通道10穿过椭球测量单元3到达凹透镜11上，由于凹透镜11的左焦点与椭球测量单元3的左焦点重合， 使平行入射的单色光在凹透镜11处散射开，且这些散射开的光线的反向延长线均经过椭球测量单元3的左焦点，单色光经过凹透镜11散射后，发射到椭球测量单元3的内表面，再由椭球测量单元3的内表面反射到右焦点，由于电荷耦合元件25与椭球测量单元3的右焦点重合，单色光在右焦点被电荷耦合元件25收集并转化成电信号，上位机24同时记录单色器12输出的波长信号与电荷耦合元件25的对应波长光的光强信号，经计算机处理，成功描绘出相应气体样品的光谱图。

参阅图1、图2，本实用新型的入射光通道10与电荷耦合元件25均设在椭球测量单元3的赤道长半径及其延长线上，固定纵轴22设于椭球测量单元3的赤道短半径上，固定纵轴22设于入射光通道10与电荷耦合元件25之间，阻挡了单色器12平行入射的单色光，防止入射的单色光未经椭球测量单元3镜面的反射直接射入电荷耦合元件25中，避免了预期光程的减小。

参阅图1、图2，本实用新型采用单色器12、上位机24及电荷耦合元件25之间的电连接，从而使上位机24可以控制单色器12色散出的光信号波长，同时电荷耦合元件25传输出对应波长光的光强信号，上位机24同时记录单色器12色散出的光信号波长及电荷耦合元件25传输出对应波长光的光强信号，经计算机处理，成功描绘出相应气体样品的光谱图，保证了经过椭球测量单元3内气体样品的光程固定，该结构降低了由于入射光的形状和角度变化以及气体样品分布的不均匀对测量结果造成的影响，提高了测量的可重复再现性，做到了对气体样品等光程且多角度的光谱测量，加之与程序控制器及计算机配合使用，使整个检测过程做到一体化、自动化且操作方便快捷。

参阅图1、图2，本实用新型采用在入射光通道10的光口处即椭球测量单元3的左焦点右侧设置圆形镜面的凹透镜11，使凹透镜11的左焦点与椭球测量单元3左焦点重合，在椭球测量单元3的右焦点上设置电荷耦合元件25，凹透镜11将单色器12射入的平行光散射开来，平行光在椭球测量单元3内多方位散射，散射的光经椭球测量单元3内壁镜面反射后，又集中射入电荷耦合元件中，成功解决了入射光通道10的射出光只能从单一通道射入的问题。

本实用新型还采用了背照薄型电荷耦合光传感器作为电荷耦合元件25，使测量结果更为准确，感光波段范围更广。