一种基于可调谐液晶滤波器的便携式可见分光光度计的制作方法

本实用新型涉及光谱学测量仪器领域，特别是一种基于可调谐液晶滤波器的便携式可见分光光度计。

背景技术：

光谱分析技术利用待测物质分子对光辐射的特征吸收进行定性和定量测量，其基本原理服从朗伯-比尔吸收定律，即在一定的吸收光程下，物质的浓度与吸光度成正比，通过分析其吸收光谱可以获得物质的成分和浓度等信息。与传统物质浓度测量方法相比，因其具有不破坏样品组分，操作简便，测样速度快等优势，广泛应用于化学试剂浓度测量，大气有毒有害气体监测以及水体监测等领域。分光光度计即是一种基于光谱分析技术进行浓度检测的仪器，主要由光源，分光元件，样品池，探测器，处理器等组成。光源发出的光通过分光装置后，产生特定波长的线光源，而后透过样品，部分被吸收，经过探测器获得吸收光强信息，通过计算样品的吸光值，并根据朗伯-比尔定律计算出样品浓度。目前，广泛使用的可见分光光度计一般使用卤钨灯作为光源，能耗较大，聚焦结构较为复杂；分光元件常为光栅或棱镜配合一系列机械部件组成，将光源所发出的光进行色散，通过改变光栅或棱镜的角度来改变探测的波长。传统的分光光度计装置内部有较为复杂的机械和光路结构，体积较大，不方便携带，供电功率大，不便于野外实验的直接快速测量。

液晶可调谐技术是一种基于向列相液晶双折射的新型干涉型滤波技术，覆盖波段从可见光到近红外波段。向列相液晶是由长径比很大的棒状分子所组成，分子质心没有长程有序性。这种液晶对于电流的反应很精确，外部电压可以使得液晶分子长轴旋转，进而改变不同波长o光e光折射率，两者的相位差随波长发生改变，最终通过o光e光的干涉改变不同波长的光谱透射率，起到波长调制功能。

技术实现要素：

为了解决上述存在的问题，本实用新型公开了一种基于可调谐液晶滤波器的便携式可见分光光度计，其具体技术方案如下：一种基于可调谐液晶滤波器的便携式可见分光光度计，包括壳体、led阵列光源、准直透镜、液晶可调谐滤波器、狭缝板、比色皿架、样品池、相机；

壳体，用于承载led阵列光源、准直透镜、液晶可调谐滤波器、狭缝板、比色皿架、样品池、相机元器件，并对各元器件进行固定限位；所述壳体内部中心轴线方向上呈中空结构，依次形成发光段、透镜准直段、分光段、采样段和相机段；所述壳体采样段内部底面一端呈镂空状结构，形成线槽，所述线槽一端与分光段底端呈贯通设置；

发光段，用于固定装置的发光光源；

led阵列光源，用于作为装置使用时的发光光源；设置于所述发光段一端，通过紧固件与所述发光段实现固定连接，所述led阵列光源穿过壳体一端，led阵列光源发出光线照射透镜准直段内；

透镜准直段，用于将led阵列光源照射的光线作准直处理；设置于发光段一端，所述透镜准直段呈长方体结构，为中空结构，所述透镜准直段设置于所述发光段一端，并与所述发光段首尾连接连接呈一体式结构；所述透镜准直段一端侧边周向尘凸块状结构，形成透镜准直段凸块；

准直透镜，用于将led阵列光源照射的光线变成一束平行的准直光柱；设置于透镜准直段内，所述准直透镜嵌入设置于所述透镜准直段的空腔内，实现准直透镜与透镜准直段卡接固定，且所述准直透镜与所述led阵列光源的照射光线呈垂直设置；

分光段，设置于用于将led阵列光源照射的光线作分光处理；设置于所述透镜准直段一端，所述分光段两端端外侧周向均呈凹槽状结构，形成分光段凹槽，所述透镜准直段凸块嵌入一端所述分光端凹槽内，实现所述透镜准直段与所述分光段首尾插接固定；

液晶可调谐滤波器，用于作为装置的分光元件，产生特定波长的线光源；设置于所述分光段内，与所述分光段插接，并通过紧固件与所述分光段实现固定连接；

狭缝板，用于限制杂散光；设置于液晶可调谐滤波器的出口一侧，所述狭缝板四周与所述分光段内壁固定连接；所述狭缝板中心设有狭缝；

采样段，用于放置并固定比色皿架；设置于所述分光段一端，所述采样段截面呈“凵”字形结构，所述采样段侧边均呈凸块状结构，形成采样段凸块，一侧所述采样段凸块插入一端所述分光段凹槽内，实现所述采样段与所述分光段首尾插接连接；所述采样段内底面设有采样段底块，所述采样段底块与所述采样段内底面固定连接呈一体式结构，所述采样段底块上表面设有托架，所述托架底端与所述采样段底块垂直固定连接；所述托架两侧顶端呈凸起状结构，形成托架凸块；

比色皿架，用于支撑并固定样品池的元件；设置于所述采样段内，所述比色皿架包括底板、侧板和侧固定块，所述侧板设置于所述底板两侧，呈对称设置，每侧所述侧板与所述底板呈垂直固定连接，所述侧固定块设置于每侧所述侧板外侧，并与所述侧板垂直固定连接，每侧所述侧固定块底端呈缺口结构，形成侧固定块卡槽，所述托架凸块嵌入所述侧固定块卡槽内，实现所述比色皿架与所述托架实现固定；

样品池，用于装载所需检测的样本；设置于所述比色皿架中，放置于所述底板上，并通过两侧所述侧板夹持实现固定限位；

相机段，用于固定相机；设置于所述采样段一端，所述相机段呈长方体结构，所述相机段一端外边周向呈凹槽状结构，形成相机段凹槽，一侧所述采样段凸块嵌入所述相机段凹槽内，实现所述采样段与所述相机段首尾插接连接；

相机，用于拍摄样品池区域的灰度图像；设置于相机段内，所述相机段内底面呈凹槽状结构，形成相机固定槽，所述相机底端呈凸起状结构，形成相机限位块，所述相机限位块嵌入所述相机固定槽内，实现所述相机与所述相机段固定连接；所述相机的镜头一端朝向样品池设置。

进一步的，所述led阵列光源与发光段水平面垂直，且所述led阵列光源的截面积小于所述发光段的截面积大小。

进一步的，所述led阵列光源可采用白光led阵列或待测样品特征吸收波段led阵列中的一种。

进一步的，所述准直透镜的形状、大小与所述发光段的截面形状、大小相适应。

进一步的，所述准直透镜可选用菲涅尔透镜。

进一步的，所述狭缝设置于所述狭缝板中心位置，所述狭缝呈长方形结构。

进一步的，所述托架呈“凵”形结构，所述托架与所述采样段底块之间呈镂空结构。

进一步的，所述采样段顶面设有样品室盖，所述样品室盖底面侧边周向呈凸块状结构，形成样品室盖凸块；所述相机段顶面一侧设有活动铰链，所述活动铰链一侧与所述相机段顶面固定连接，所述活动铰链另一侧与所述样品室盖一侧固定连接，一侧所述样品室盖通过活动铰链与所述壳体实现转动连接，通过样品室盖凸块卡于顶侧所述采样段凸块，实现另一侧所述样品室盖与所述采样段固定。

进一步的，所述相机为cmos相机或ccd相机中的一种。

进一步的，所述准直透镜的主光轴与led阵列光源、液晶可调谐滤波器、狭缝、样品池、相机中心均处于同一水平轴线上。

本实用新型的有益效果是：

(1)本装置的可见分光光度计与传统化学试剂的浓度测量方法相比，利用光源、液晶可调谐滤波器、比色皿架与相机之间的配合，通过对比相机拍摄的灰度图像和标准样品图像进行比对得到待测样品浓度信息；采用本装置不必破坏样品组分，且避免了复杂的操作流程，具有操作简便，测样速度快等优势。

(2)本装置与传统分光光度计相比，采用led阵列光源代替传统卤钨灯作为光源，避免使用卤钨灯导致能耗较大，聚焦结构复杂，采用led灯能耗低，体积小，更安全；本装置与传统分光元件相比，采用液晶可调谐滤波器代替光栅或棱镜等组件配合形式的分光元件，分光元件的分光速度快、体积小、无任何机械振动元件等优点，本仪器的差分吸收光谱模式具有更高的探测灵敏度。

(3)本装置的样品槽可根据探测要求替换单槽或多槽形式的比色皿架，采用多槽形式的比色皿架可大大缩短采样所需时间，有利于快速批量测样，且仪器设计模块化，可实现快速拆卸、更换比色皿架，操作十分方便。

(4)本装置结构具有小型化、轻量化特点，便携易操作，装置内的电器元件均可在无外部供电的特殊环境下长时间连续运行，更适用于野外实验场景，适用范围灵活。

附图说明

图1是本实用新型的内部结构示意图。

图2是本实用新型的发光段与透镜准直段的一体式结构视图。

图3是本实用新型的分光段与狭缝板的一体式结构视图。

图4是本实用新型的采样段的结构示意图。

图5是本实用新型实施例1的比色皿架的结构视图。

图6是本实用新型实施例2的比色皿架的结构视图。

图7是本实用新型相机段的结构视图。

附图标记列表：壳体1、发光段1-1、透镜准直段1-2、透镜准直段凸块1-21、分光段1-3、分光段凹槽1-31、采样段1-4、采样段凸块1-41、采样段底块1-42、托架1-43、托架凸块1-44、样品室盖1-45、样品室盖凸块1-46、活动铰链1-47、相机段1-5、相机段凹槽1-51、线槽1-52、相机固定槽1-53、led阵列光源2、准直透镜3、液晶可调谐滤波器4、狭缝板5、狭缝5-1、比色皿架6、底板6-1、侧板6-2、侧固定块6-3、固定块卡槽6-31、隔板6-4、样品池7、相机8、相机限位块8-1。

具体实施方式

为使本实用新型的技术方案更加清晰明确，下面结合附图对本实用新型进行进一步描述，任何对本实用新型技术方案的技术特征进行等价替换和常规推理得出的方案均落入本实用新型保护范围。本实施例中所提及的固定连接，固定设置、固定结构均为胶粘、3d打印一体成型等本领域技术人员所知晓的公知技术。

实施例1

结合附图可见，一种基于可调谐液晶滤波器的便携式可见分光光度计，包括壳体、led阵列光源、准直透镜、液晶可调谐滤波器、狭缝板、比色皿架、样品池、相机；

壳体，用于承载led阵列光源、准直透镜、液晶可调谐滤波器、狭缝板、比色皿架、样品池、相机元器件，并对各元器件进行固定限位；所述壳体内部中心轴线方向上呈中空结构，依次形成发光段、透镜准直段、分光段、采样段和相机段；所述壳体采样段内部底面一端呈镂空状结构，形成线槽，所述线槽一端与分光段底端呈贯通设置；

发光段，用于固定装置的发光光源；

led阵列光源，用于作为装置使用时的发光光源；设置于所述发光段一端，通过紧固件与所述发光段实现固定连接，所述led阵列光源穿过壳体一端，led阵列光源发出光线照射透镜准直段内；

透镜准直段，用于将led阵列光源照射的光线作准直处理；设置于发光段一端，所述透镜准直段呈长方体结构，为中空结构，所述透镜准直段设置于所述发光段一端，并与所述发光段首尾连接连接呈一体式结构；所述透镜准直段一端侧边周向尘凸块状结构，形成透镜准直段凸块；

准直透镜，用于将led阵列光源照射的光线变成一束平行的准直光柱；设置于透镜准直段内，所述准直透镜嵌入设置于所述透镜准直段的空腔内，实现准直透镜与透镜准直段卡接固定，且所述准直透镜与所述led阵列光源的照射光线呈垂直设置；

分光段，设置于用于将led阵列光源照射的光线作分光处理；设置于所述透镜准直段一端，所述分光段两端端外侧周向均呈凹槽状结构，形成分光段凹槽，所述透镜准直段凸块嵌入一端所述分光端凹槽内，实现所述透镜准直段与所述分光段首尾插接固定；

液晶可调谐滤波器，用于作为装置的分光元件，产生特定波长的线光源；设置于所述分光段内，与所述分光段插接，并通过紧固件与所述分光段实现固定连接；

狭缝板，用于限制杂散光；设置于液晶可调谐滤波器的出口一侧，所述狭缝板四周与所述分光段内壁固定连接；所述狭缝板中心设有狭缝；

采样段，用于放置并固定比色皿架；设置于所述分光段一端，所述采样段截面呈“凵”字形结构，所述采样段侧边均呈凸块状结构，形成采样段凸块，一侧所述采样段凸块插入一端所述分光段凹槽内，实现所述采样段与所述分光段首尾插接连接；所述采样段内底面设有采样段底块，所述采样段底块与所述采样段内底面固定连接呈一体式结构，所述采样段底块上表面设有托架，所述托架底端与所述采样段底块垂直固定连接；所述托架两侧顶端呈凸起状结构，形成托架凸块；

比色皿架，用于支撑并固定样品池的元件；设置于所述采样段内，所述比色皿架包括底板、侧板和侧固定块，所述侧板设置于所述底板两侧，呈对称设置，每侧所述侧板与所述底板呈垂直固定连接，所述侧固定块设置于每侧所述侧板外侧，并与所述侧板垂直固定连接，每侧所述侧固定块底端呈缺口结构，形成侧固定块卡槽，所述托架凸块嵌入所述侧固定块卡槽内，实现所述比色皿架与所述托架实现固定；

样品池，用于装载所需检测的样本；设置于所述比色皿架中，放置于所述底板上，并通过两侧所述侧板夹持实现固定限位；

相机段，用于固定相机；设置于所述采样段一端，所述相机段呈长方体结构，所述相机段一端外边周向呈凹槽状结构，形成相机段凹槽，一侧所述采样段凸块嵌入所述相机段凹槽内，实现所述采样段与所述相机段首尾插接连接；

相机，用于拍摄样品池区域的灰度图像；设置于相机段内，所述相机段内底面呈凹槽状结构，形成相机固定槽，所述相机底端呈凸起状结构，形成相机限位块，所述相机限位块嵌入所述相机固定槽内，实现所述相机与所述相机段固定连接；所述相机的镜头一端朝向样品池设置。

进一步的，所述led阵列光源与发光段水平面垂直，且所述led阵列光源的截面积小于所述发光段的截面积大小。

进一步的，所述led阵列光源可采用白光led阵列或待测样品特征吸收波段led阵列中的一种。

进一步的，所述准直透镜的形状、大小与所述发光段的截面形状、大小相适应。

进一步的，所述准直透镜可选用菲涅尔透镜。

进一步的，所述狭缝设置于所述狭缝板中心位置，所述狭缝呈长方形结构。

进一步的，所述托架呈“凵”形结构，所述托架与所述采样段底块之间呈镂空结构。

进一步的，所述采样段顶面设有样品室盖，所述样品室盖底面侧边周向呈凸块状结构，形成样品室盖凸块；所述相机段顶面一侧设有活动铰链，所述活动铰链一侧与所述相机段顶面固定连接，所述活动铰链另一侧与所述样品室盖一侧固定连接，一侧所述样品室盖通过活动铰链与所述壳体实现转动连接，通过样品室盖凸块卡于顶侧所述采样段凸块，实现另一侧所述样品室盖与所述采样段固定。

进一步的，所述相机为cmos相机或ccd相机中的一种。

进一步的，所述准直透镜的主光轴与led阵列光源、液晶可调谐滤波器、狭缝、样品池、相机中心均处于同一水平轴线上。

实施例2

实施例2与实施例1不同之处在于所述比色皿架，所述比色皿架的底板上还设有隔板，所述隔板设置于所述底板上表面中心位置，且设置于两侧所述侧板之间，所述隔板与所述底板垂直固定连接呈一体式结构。

本实用新型的结构原理是：

装置使用装配时，先将装有待检测样品的样品池放入比色皿架中，通过两侧侧板夹持夹紧，将比色皿架与托架卡接固定；依次将发光段、透镜准直段、分光段、采样段和相机段进行收尾插接实现固定，翻动样品室盖，使样品室盖盖住采样段顶面；接着打开led阵列光源，发射出光线穿过发光段，透过准直透镜准直后，经透镜准直段直射至液晶可调谐滤波器内，在此通过调节不同电压产生的电场对液晶元的控制实现透射指定波长的单色光，单色光穿过狭缝照射样品池，此时相机拍摄得到样品池区域的灰度图像；最后将灰度图像和标准样品图像进行比对得到待测样品浓度信息。

装置软件控制使用步骤：(1)将上位机软件与下位机进行设备连接。利用上位机软件(labview编码)发送仪器连接功能码(c#编码)，并调用connectdevice函数，同时上位机软件调用设备搜索完成对液晶可调谐滤波器、相机的连接。

(2)确认上位机与液晶可调谐滤波器的连接状态。上位机利用利用getsetfrequencycmd协议发送设置方波频率的功能码以设置液晶的工作方波频率，检查并返回数据包，确认液晶可调谐滤波器是否完成操作。

(3)上位机给定设置液晶可调谐滤波器的波长。上位机利用setwavelength函数调用波长和电压的映射数据库，从而获得特定波长下的电压值，发送液晶电压设置的功能码，同时调用getsetvoltagecmd函数获得设置通道电压的数据包，完成对特定波长的设置。

(4)上位机再次检查给定液晶可调谐滤波器的波长。在labview中编写控制滤波器对样品进行可见波段的扫描或进行波长的检测。

(5)利用上位控制相机进行图像采集。调用labview中vision等控件控制相机，调用相机进行同步的图像数据采集，结合模板匹配算法，对图片中的样品部分进行区域定位、区域分割和灰度计算。

(6)最后根据朗伯比尔定律获得待测样品的浓度：朗伯比尔定律为a＝lgi0/i＝lg1/t＝εcl，其中a为吸光度，i0为入射光强，i为出射光强，ε为摩尔吸光系数，c为样品浓度，l为吸收光程。可推导出吸收光强与浓度的关系c＝lg(i0/i)×εl，由于采集图像的灰度值和光强大小正相关，因而可以通过计算图片特定区域的灰度值，并与标准样品图像进行比对，来快速得到样品的浓度。

本实用新型的有益效果是：

(1)本装置的可见分光光度计与传统化学试剂的浓度测量方法相比，利用光源、液晶可调谐滤波器、比色皿架与相机之间的配合，通过对比相机拍摄的灰度图像和标准样品图像进行比对得到待测样品浓度信息；采用本装置不必破坏样品组分，且避免了复杂的操作流程，具有操作简便，测样速度快等优势。

(2)本装置与传统分光光度计相比，采用led阵列光源代替传统卤钨灯作为光源，避免使用卤钨灯导致能耗较大，聚焦结构复杂，采用led灯能耗低，体积小，更安全；本装置与传统分光元件相比，采用液晶可调谐滤波器代替光栅或棱镜等组件配合形式的分光元件，分光元件的分光速度快、体积小、无任何机械振动元件等优点，本仪器的差分吸收光谱模式具有更高的探测灵敏度。

(3)本装置的样品槽可根据探测要求替换单槽或多槽形式的比色皿架，采用多槽形式的比色皿架可大大缩短采样所需时间，有利于快速批量测样，且仪器设计模块化，可实现快速拆卸、更换比色皿架，操作十分方便。

(4)本装置结构具有小型化、轻量化特点，便携易操作，装置内的电器元件均可在无外部供电的特殊环境下长时间连续运行，更适用于野外实验场景，适用范围灵活。