一种水红外分析仪光栅单色器的制作方法

1.本发明属于分析仪器测量技术领域，尤其是涉及水红外分析仪测量技术，具体涉及一种用于水红外分析仪的光栅单色器。


背景技术：

2.水红外分析仪基于光谱测量技术，通过测量四氧化二氮中硝酸的特征吸收，对照工作曲线确定四氧化二氮中相当水含量。
3.单色器是水红外分析仪的基本组成部件，常见的用于水红外分析仪的单色器有两种。其中一种单色器为带通滤光片单色器，滤光片的带通波长分别为测量波长与背景波长，采用步进电机驱动滑块或滤光片轮，依次将滤光片置于光路中。带通滤光片单色器偏离测量波长，且光谱带宽10nm～20nm，对测量结果偏离较大。
4.另一种单色器为光栅单色器，波长范围下限为0nm(白光)，上限为水红外分析仪波长上限，由于水红外分析仪的光谱区间为近红外区较窄的光谱范围，自0nm(白光)至设置的波长需要通过旋转丝杠、长距离平移滑块来实现，0nm至波长下限区间不参与测量，而且以0nm(白光)为波长0点，对于同等技术指标设计，由于丝杠长度较大导致单色器的体积增大、丝杠螺母平移距离较长，造成水红外分析仪的波长误差增大。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种水红外分析仪光栅单色器，光栅单色器基于czerny-turner结构(此结构为单色器的通用结构的一种，简称c-t结构)，包括位于同一水平面的入射狭缝、准直物镜、衍射光栅、聚焦反射镜、平面反射镜及出射狭缝，它们组成了光栅单色器的测试光路。衍射光栅安装在驱动装置上，驱动装置由步进电机、步进电机支架、联轴器、丝杠、第一丝杠座、第二丝杠座、丝杠螺母、正弦臂、双轴承座、光电开关支架、第一光电开关、第二光电开关、第三光电开关、定位板、直线导轨、导轨滑块、滚珠轴承和光轴构成，底板为方形平板结构，底板的上表面固定安装双轴承座，光轴嵌入双轴承座、并保持自由旋转，衍射光栅固定安装在光轴的上端部，光轴的下端部穿过底板，底板的下表面一侧边沿位置固定安装步进电机支架，步进电机安装在步进电机支架上，第一丝杠座和第二丝杠座对称设置，电机支架与第一丝杠座和第二丝杠座位于同一水平线上，丝杠的两端固定安装在第一丝杠座和第二丝杠座上，步进电机的输出轴通过联轴器与丝杠靠近第一丝杠座的一端转动连接，丝杠螺母螺旋转动套装在丝杠的外周，光轴的下端部和光电开关支架分别位于丝杠的两侧，光电开关支架位于第一丝杠座和第二丝杠座之间，直线导轨固定安装在丝杠和光电开关支架之间的底板上，直线导轨和丝杠平行设置，导轨滑块滑动连接安装在直线导轨上，定位板固定安装在导轨滑块上，正弦臂远离丝杠的一端转动连接光轴的下端部，正弦臂的另一端安装滚珠轴承，滚珠轴承通过拉紧弹簧与丝杠螺母的端面保持3mm的固定距离，光电开关支架上依次固定安装第一光电开关、第二光电开关和第三光电开关，高压汞灯置于入射狭缝前，以衍射光栅的闪耀波长为基准点进行波长定位、以
高压汞灯特征辐射波长为标准、校准步进电机的脉冲当量及光栅单色器的波长偏移量。
6.衍射光栅固定在驱动装置的光轴上，光轴嵌入双轴承座，并保持自由旋转，其他部件固定在底板上，衍射光栅的入射光与出射光夹角按照公式(1)设计安装。
[0007][0008]
式中：δ-衍射光栅入射光与出射光的夹角，单位：
°
；
[0009]
λ
0-衍射光栅的闪耀波长，单位：nm；
[0010]
d-光栅常数，单位：nm。
[0011]
首先，按照单色器的波长上限与波长下限的设计值，根据公式(2)计算丝杠的测量区间有效长度。
[0012][0013]
式中：x-丝杠的测量区间有效长度，单位：mm；
[0014]
δλ-单色器上、下限波长差，单位：nm；
[0015]
l-正弦臂的有效长度，单位：mm；
[0016]
d-光栅常数，单位：单位：nm；
[0017]
δ-衍射光栅入射光与衍射光的夹角，单位：
°
；
[0018]
按照公式(3)计算步进电机的脉冲当量的理论值s0。
[0019][0020]
式中：s
0-理论脉冲当量，单位：脉冲/nm；
[0021]
θ-步进电机步距角，单位：
°
；
[0022]
n-步进电机细分数，n＝8；
[0023]
x-丝杠导程，即丝杠旋转360
°
，带动丝杠螺母行进的距离，单位：mm；
[0024]
l-正弦臂有效长度，mm；
[0025]
θ、d、x为选定值、δ为单色器设计值、x为自变量、l为设计值。
[0026]
按照公式(4)设计丝杠的螺纹长度。
[0027]
s＝x+x2+x3+2x4+2x5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0028]
式中：s-丝杠的螺纹长度，单位：mm；
[0029]
x-丝杠的测量区间有效长度，单位：mm；
[0030]
x
2-丝杠螺母的宽度，单位：mm；
[0031]
x
3-定位板遮光部分的宽度，单位：mm；
[0032]
x
4-丝杠冗余量，单位：mm；
[0033]
x
5-波长偏移量对应的丝杠长度，单位：mm。
[0034]
按照公式(5)计算第一光电开关与第二光电开关的间距、按照公式(6)计算第三光电开关与第二光电开关的间距。
[0035][0036][0037]
式中：δλ
1-单色器波长下限与衍射光栅闪耀波长差，nm；
[0038]
δλ
2-单色器波长上限与衍射光栅闪耀波长差，nm。
[0039]
进一步的，保持第一光电开关与第三光电开关外侧的丝杠的长度相同。
[0040]
进一步的，以衍射光栅的闪耀波长为基准点，即旋转丝杠，带动定位板对第二光电开关遮光时，转动光轴，使衍射光栅平面的法线与准直物镜的反射主光线重合，同时通过正弦臂的圆弧槽口固定光轴。光电开关本体为u型槽结构，发射器和接收器分别位于u型槽的两边，并形成光路，当定位板经过u型槽且阻断光路时，光电开关就产生了开关量信号，根据产生的信号对应的光电开关，分别设为单色器的波长下限、光栅衍射波长或者波长上限。
[0041]
进一步的，将光栅单色器置于仪器光路中，将高压汞灯置于单色器入射狭缝前，通过步进电机旋转丝杠，平移丝杠螺母，旋转衍射光栅，测量出射狭缝的辐射波长λ1，按照公式(7)校准步进电机的脉冲当量及单色器的波长偏移量。
[0042]
(λ
1-λ0)s0＝(λ
hg-λ
0-λc)smꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0043]
式中：λ
hg-单色器波长范围内高压汞灯的辐射波长，单位：nm；
[0044]
λ
1-高压汞灯辐射波长λ
hg
的示值，单位：nm；
[0045]s0-理论脉冲当量，单位：脉冲/nm；
[0046]sm-实际脉冲当量，单位：脉冲/nm；
[0047]
λ
0-光栅闪耀波长，单位：nm；
[0048]
λ
c-单色器波长偏移量，单位：nm。
[0049]
本发明的有益效果：
[0050]
在同等波长分辨率的前提下，与在用的光栅单色器相比，本发明涉及的单色器的丝杠的有效长度、波长累计误差均有不同程度的缩小，明显节省驱动装置的空间、缩小单色器的体积，并节约制造成本及测量成本。
附图说明
[0051]
图1是本发明实施例的光栅单色器的整体结构示意图；
[0052]
图2是本发明实施例的驱动装置的结构示意图；
[0053]
图中，1-底板，2-步进电机，3-步进电机支架，4-联轴器，5-丝杠，6-第一丝杠座，7-第二丝杠座，8-丝杠螺母，9-正弦臂，10-双轴承座，11-光电开关支架，12-第一光电开关，13-第二光电开关,14-第三光电开关，15-定位板，16-直线导轨，17-导轨滑块，18-滚珠轴承，19-光轴，20-入射狭缝，21-准直物镜，22-衍射光栅，23-聚焦反射镜，24-平面反射镜，25-出射狭缝。
具体实施方式
[0054]
下面通过非限定性的实施例，并结合附图对本发明作进一步的说明。
[0055]
如附图1所示：光栅单色器采用czerny-turner结构，由位于同一水平面上的入射狭缝20、准直物镜21、衍射光栅22、聚焦反射镜23、平面反射镜24及出射狭缝25组成，入射狭缝20及出射狭缝25在0.1mm-1.0mm区间连续可调，准直物镜21及聚焦反射镜23的焦距为200mm，衍射光栅22为600l/mm闪耀波长1250nm；光轴19和双轴承座10位于底板1的上表面，衍射光栅22固定安装在驱动装置的光轴19上，光轴19嵌入双轴承座10、并保持自由旋转，驱动装置的其他部件固定在底板1上，衍射光栅22的入射光与出射光的夹角设计为δ＝48.6
°
。
[0056]
如附图2所示，驱动装置由底板1、步进电机2、步进电机支架3、联轴器4、丝杠5、第一丝杠座6、第二丝杠座7、丝杠螺母8、正弦臂9、双轴承座10、光电开关支架11、第一光电开关12、第二光电开关13、第三光电开关14、定位板15、直线导轨16、导轨滑块17、滚珠轴承18和光轴19构成。按照附图2所示，底板1为方形平板结构，底板1的一侧边沿位置固定安装步进电机支架3，步进电机2安装在步进电机支架3上，步进电机2伸出底板1，第一丝杠座6和第二丝杠座7对称设置，电机支架3与第一丝杠座6和第二丝杠座7位于同一水平线上，丝杠5的两端固定安装在第一丝杠座6和第二丝杠座7上，丝杠5保持自由旋转，步进电机2的输出轴通过联轴器4与丝杠5靠近第一丝杠座6的一端转动连接，丝杠螺母8螺旋转动套装在丝杠5的外周，光电开关支架11位于丝杠5一侧的第一丝杠座6和第二丝杠座7之间，直线导轨16固定安装在丝杠5和光电开关支架11之间的底板1上，直线导轨16和丝杠5平行设置，导轨滑块17滑动连接安装在直线导轨16上，定位板15固定安装在导轨滑块17上，正弦臂9远离丝杠5的一端连接光轴19，正弦臂9的另一端安装滚珠轴承18，通过拉紧弹簧，滚珠轴承18与丝杠螺母8的端面保持3mm的固定距离。光电开关支架11上依次固定安装第一光电开关12、第二光电开关13和第三光电开关14。
[0057]
转动丝杠，带动定位板对第二光电开关遮光时，转动双轴承座的光轴，使衍射光栅的平面法线与准直物镜的反射主光线重合，同时通过正弦臂的圆弧槽口固定光轴。
[0058]
水红外分析仪的设计波长范围介于1000nm～1600nm区间，δλ＝600nm，采用600l/mm光栅，光栅常数d＝1/600mm，闪耀波长1250nm；丝杠导程x＝0.75mm，正弦臂9的有效长度l＝91mm；步进电机步距角θ＝1.8
°
，设计细分数n＝8，按照公式(2)根据单色器波长区间计算丝杠5的测量区间有效长度。
[0059][0060]
按照公式(3)计算步进电机的理论脉冲当量。
[0061][0062]
设计丝杠螺母8的宽度x2＝10mm，定位板15的遮光部分的宽度x3＝2mm，丝杠5两端的冗余量x4＝2mm，波长偏移(100nm)对应的丝杠5的偏移长度x5＝3mm，按照公式(4)计算丝杠5的实际长度：
[0063]
s＝x+x2+x3+2x4+2x5＝18+10+2*2+2*3＝40mm
[0064]
光栅单色器波长下限1000nm、上限1600nm，衍射光栅22的闪耀波长1250nm，按照公式(5)(6)计算第一光电开关12与第二光电开关13的间距s
12-13
、第三光电开关14与第二光电开关13的间距s
14-13
：
[0065][0066][0067]
按照附图2，将步进电机支架3、丝杠座6、7、双轴承座10、光电开关支架11、直线导轨15安装在底板上，电机支架3和丝杠座6、7位于同一水平线上，双轴承座10和光电开关支架11分别位于丝杠座6、7的两侧，步进电机2安装在步进电机支架3上，丝杠5安装在丝杠架6、7上，丝杠5保持自由旋转，联轴器4连接步进电机2的输出轴与丝杠5靠近丝杠架6的一端，丝杠螺母8螺旋转动套装在丝杠5的外周，正弦臂9远离丝杠架6、7的一端连接双轴承座10，正弦臂9的另一端安装滚珠轴承18，通过拉紧弹簧，滚珠轴承18与丝杠螺母8的侧面保持相切。第一光电开关12与第三光电开关14分列于第二光电开关13的两侧、安装在光电开关支架11上，第一光电开关12与第三光电开关14分列第二光电开关13的两侧，与第二光电开关13的间距分别为10.5mm和15.5mm，光电开关支架11与丝杠5平行，并保持第一光电开关12与第三光电开关14外侧的丝杠5各7mm冗余长度，导轨滑块17嵌入直线导轨16、并保持自由滑动，导轨滑块17通过定位板15与丝杠螺母8固定。
[0068]
将高压汞灯置于光栅单色器的入射狭缝20前，通过步进电机2旋转丝杠5、平移丝杠螺母8，旋转衍射光栅22，分别测量高压汞灯辐射光谱1014.0nm和1529.5nm，光栅单色器波长示值分别为：942.9nm和1446.3nm，按照公式(7)计算步进电机2的实际脉冲当量与光栅单色器波长偏移量，即：
[0069]
(942.9-1250)
×
64＝(1014.0-1250-λc)smꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0070]
(1446.3-1250)
×
64＝(1529.5-1250-λc)smꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0071]
由公式(8)和(9)进行计算，sm＝62.5脉冲/nm，λc＝78.5nm。
[0072]
根据公式(2)和(3)，按照实际脉冲当量，丝杠5旋转一周对应的波长：
[0073][0074]
光栅单色器波长下限：
[0075][0076]
光栅单色器波长上限：
[0077][0078]
即实际对应的波长区间：[970.1nm,1755.1nm]，符合设计要求。
[0079]
以0nm(白光)为基准定位，同等技术指标设计，则导轨滑块17的平移距离最小为：
[0080][0081]
同等设计参数下，丝杠5的螺纹长度：
[0082]
s＝x+x2+x3+2x4+2x5＝73.4mm。
[0083]
本发明涉及的光栅单色器，波长理论分辨率配置狭缝(0.1mm～1.0mm连续可调)后，光谱带宽0.8nm～8nm连续可调，明显优于滤光片单色器。
[0084]
与现有在用的光栅单色器对比，本发明的光栅单色器的丝杠5的螺纹长度为40mm、最大平移距离10.3mm、波长(1600nm处)累计误差，分别为现有的通用光栅单色器的54.5％、20％、22％，技术指标均有较大的提升。