专利名称：光纤传输光电直读光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明属于光谱仪器。
现有的光电直读光谱仪可分为单道和多道两种。在单道光电直读光谱仪中，待测元素的选择或确定是通过转动色散系统的光栅使元素所对应的谱线处于某一固定位置并测量出谱线的强度来实现的。因此，它需要精密的转动机构和相应的控制系统。即使这样，也还存在着波长重复性及波长精度问题，因此其测量精度不高。在多道光电直读光谱仪中，采用的是所有谱线同时测量的方式，无需转动光栅，因而不存在波长重复性问题，但它对每一条谱线都需要有一套对应的接收系统。随着被测元素的增加，体积和成本急剧上升，因而这种仪器只是在大型企业及省级分析部门才有条件使用。
本发明是为克服上述缺点而设计出一种新型的光电直读光谱仪。既能克服单道中光栅转动带来的缺点又能免除多道中需要众多接收器的麻烦。
本发明的技术方案是采用与可分析元素的种类相同路数的光纤，其输入端的位置按已知元素的谱线在谱面上所对应的位置进行排列，使其分别将色散系统谱面上的每一条谱线传输到同一个接收器并利用快门控制谱线的曝光时间，最后用计算机进行处理得到每一条谱线的强度，从而确定所对应的元素及其含量。
下面结合
本发明的具体结构。本发明分为光纤传输单道直读与多道直读两种光谱仪，但其结构大同小异。这两种光谱仪的主要结构均由色散系统〔图1虚框A〕，谱线探测系统〔虚框B〕和信号放大与处理系统〔虚框M〕所组成。色散系统采用多色仪结构，主要由快门〔A2〕，聚焦透镜〔A3〕，反射镜〔A5〕和光栅〔A6〕所组成，而光栅〔A6〕是固定不动的，它将来自被测物质的光〔A1〕色散后在谱面〔E〕上给出按波长排列并与被测物质所含的元素一一对应的光谱线。谱线探测系统主要由出射狭缝〔B1-1，B1-2，…，B1-N〕，带有入射端〔B2-1，B2-2，…，B2-N〕和出射端〔B3〕的光纤，投影物镜〔B4〕，光电接收器〔B5〕及其电源〔B6〕所组成。其中出射狭缝位于色散系统给出的谱面〔E〕上与被分析元素的各条谱线相对应;光纤入射端的形状及位置与出射狭缝一一对应，通过光纤将狭缝的出射光分别传输到投影物镜〔B4〕再被投影到光电接收器〔B5〕上，其输出信号经过信号放大与处理系统中的电路〔M1〕放大、采样、保持及A/D变换后送入计算机〔M2〕进行处理。操作者通过该计算机的键盘输入一些必要的参数(如待测元素和曝光时间等)，则快门控制系统〔M3〕即控制快门使其工作，最终的测量结果可显示在计算机的屏幕上也可以由打印机打印出来。然而，本发明中的单道与多道直读光谱仪的结构是稍有差别的。其主要差别在于接收器的种类和快门所放的位置不相同。在光纤传输多道光电直读光谱仪中，接收器〔B5〕为多道光电接收器(例如增强型二极管列阵和增强型CCD器件等)并利用色散系统的快门〔A2〕控制所有谱线的曝光时间，此时各路光纤的出射端集合成与多道光电接收器的光敏面相适应的形状。对于光纤传输单道直读光谱仪而言，光电接收器〔B5〕为单道接收器(例如光电倍增管等)并且在出射狭缝〔B1-1，B1-2，…，B1-N〕之前或之后，或在投影物镜〔B4〕之前或之后增设快门〔图2中B0-1，B0-2，…，B0-N或图3与图4中B0〕，测量时利用计算机控制以时分法开通各个谱线的通道使光电接收器〔B5〕依次接收谱面〔E〕上的谱线或者按照需要开通某一条谱线的传输通道而关闭其余所有谱线的传输通道时，就构成了单道光电直读光谱仪，此时快门的开启时间就是光谱信号在光电接收器上的曝光时间。这种快门的形状和工作方式系按照与之相配的光纤端的形状而定，如图2是快门增设在出射狭缝之前的结构，此时光纤输入端排列成为与之相配的狭缝形状，所以采用分立的与狭缝相匹配的快门〔图2中B0-1，B0-2，…，B0-N〕，也可以采用狭缝沿着谱面移动式快门;图3与图4是快门增设在光纤输出端之后的结构。图3中各路光纤的输出端〔B3〕集合在一条直线上，所以采用单孔或狭缝移动式快门〔B0〕。图4中各路光纤的输出端〔B3〕集合在一个圆周上，所以采用带有单孔或开口围绕该圆周中心转动式快门〔B0〕。还有，本发明中的单道直读光谱仪，有时可省去投影物镜〔B4〕而使光纤的输出端与光电接收器直接耦合。
本发明有以下四个主要优点(1)单道与多道光电直读光谱仪具有通用的基本结构;(2)制成单道直读光谱仪时，由于采用光纤分别将每一条谱线传输到光电接收器，所以色散系统的光栅是固定不动的，因此每次测量的波长重复性极好，光路和结构简单，可靠性好;(3)制成多道直读光谱仪时，大大地简化了接收系统，因而体积小、成本低，而且体积与成本均不随被测元素的种类增加而增加;(4)易于实现自动测量，减少操作人员的劳动强度，测量速度快时间短。
下面对于附图进行说明。附图1为本发明中的多道直读光谱仪结构。被分析的物质被激发产生的光〔A1〕通过快门〔A2〕，透镜〔A3〕，入射狭缝〔A4〕和反射镜〔A5〕到达光栅〔A6〕，并被分解成物质中所含元素对应的各种波长排列在谱面〔E〕上，通过出射狭缝〔B1-1，B1-2，…，B1-N〕及光纤传输至投影物镜〔B4〕，再被投影到光电接收器〔B5〕的光敏面上。在光敏面上的曝光时间由快门〔A2〕进行控制。接收器将光信号转变为电信号送入放大、采样和A/D变换电路〔M1〕，最后由计算机〔M2〕进行处理给出被测元素光谱的光强度或者含量。快门〔A2〕是由计算机〔M2〕通过快门控制系统〔M3〕进行控制的。
附图2、3、4是本发明中的光纤传输单道光电直读光谱仪的结构。图2是在出射狭缝〔B1-1，B1-2，…，B1-N〕之前配置快门〔B0-1，B0-2，…，B0-N〕的结构。测量时，由计算机〔图1中M2〕控制快门系统〔M3〕使快门按照所要求的时间进行工作。图3与图4是在投影物镜〔B4〕之后配置快门〔B0〕的结构。图3中光纤的输出端〔B3〕集合在一条直线上，所以采用一个带孔的板作为快门〔B0〕，由快门控制系统〔M3〕进行控制，使其沿着该直线移动来选择不同谱线进行曝光。图4中光纤的输出端〔B3〕集合在一个圆周上，所以采用一个带孔的圆盘作为快门〔B0〕，由快门控制系统〔M3〕进行控制，使其绕着该圆周的中心转动来选择不同的谱线进行曝光。
本发明的最佳实施例是色散系统的光栅〔A6〕采用凹面复制光栅单道时，采用光电倍增管作为单道光电接收器。光纤的输出端集合在一个圆周上〔图4〕采用一个带孔的圆盘作为快门使其绕着该圆周的中心进行转动来达到选择谱线曝光的目的。多道时，采用增强型光敏二极管列阵作为光电接收器。
权利要求
1.一种光纤传输光电直读光谱仪，主要由快门[A2]、聚焦透镜[A3]、入射狭缝[A4]、反射镜[A5]和光栅[A6]所组成的色散系统[A]，出射狭缝[B1-1，B1-2，…，B1-N]、带有入射端[B2-1，B2-2，…，B2-N]和出射端[B3]的多路光纤、投影物镜[B4]、光电接收器[B5]及其电源[B6]所组成的谱线探测系统[B]和信号放大、采样、A/D变换电路[M1]、计算机[M2]及快门控制系统[M3]所组成的信号放大与处理系统[M]所组成，其特征在于色散系统的光栅[A6]是固定不动的；出射狭缝[B1-1，B1-2，…，B1-N]位于谱面[E]上与被分析元素的各条谱线相对应；光纤入射端[B2-1，B2-2，…，B2-N]的形状及位置与出射狭缝[B1-1，B1-2，…，B1-N]一一对应，这些光纤将狭缝的出射光传输至投影物镜[B4]；光电接收器[B5]可采用多道光电接收器，此时光纤的输出端[B3]集合成与多道接收器的光敏面相匹配的形状就成为光纤传输多道光电直读光谱仪；光电接收器[B5]也可以采用单道光电接收器，同时在出射狭缝[B1-1，B1-2，…，B1-N]之前或之后，或在投影物镜[B4]之前或之后增设快门[图2中B0-1，B0-2，…，B0-N或图3与图4中B0]而做成光纤传输单道光电直读光谱仪。
2.按照权利要求1所述的光纤传输单道光电直读光谱仪，其特征在于快门的形状及工作方式可以采用分立式〔B0-1，B0-2，…，B0-N〕也可以采用带孔或狭缝的板移动式，也可以采用带孔或开口的圆盘转动式。
3.按照权利要求1所述的光纤传输单道光电直读光谱仪，其特征在于投影物镜〔B4〕有时可以省略，而使光纤的输出端与光电接收器直接耦合。
全文摘要
一种光纤传输光电直读光谱仪，由色散系统、谱线探测系统和信号放大与处理系统所组成。在探测系统中有路数与被测元素种类相同的光纤将色散系统给出的光谱线分别传输至同一个光电接收器，由快门控制谱线的曝光时间，由计算机控制快门和处理光电信号得出被测元素及其含量。采用多道光电接收器时则为多道光电直读光谱仪，采用单道光电接收器并适当增设快门则为单道光电直读光谱仪。
文档编号G01J3/18GK1063760SQ9111112
公开日1992年8月19日 申请日期1991年11月30日 优先权日1991年11月30日
发明者严惠民, 曾庆勇 申请人:浙江大学