CN102253020B - 一种腔增强式空气中重金属含量检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种腔增强式空气中重金属含量检测装置。现有技术需要原子化部件、结构复杂、激光诱导的荧光信号弱、检测灵敏度低。本发明利用激光斜入射腔增强原理，由两个球面反射镜构成光学稳定腔，其中一个球面反射镜的离轴位置上设置有透光孔，激光束经过小孔斜入射到光学稳定腔中，在光学稳定腔中多次反射，激光束经过区域中的重金属样品在受激吸收光子后释放出荧光，荧光经滤波后，被光学稳定腔侧面设置的光束会聚元件收集，输入到光谱检测仪器中，光谱检测仪器检测重金属的特征谱线强度，得到空气中重金属的含量。本发明无需原子化、***简单、稳定性好、可靠性高、在线原位检测，检测灵敏度高。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种检测空气中重金属含量的装置，特别是一种腔增强式空气中重金属含量检测装置，主要环境监测、节能减排、工业过程控制等领域中的空气中悬浮重金属的含量检测。
背景技术
重金属一般指原子密度大于或等于5×10-3kg/m3的金属元素，如汞、铅、镉、铬、金、银、铜等，约有45种。有毒重金属是指某些重金属通过食物进入人体，干扰人体正常生理功能，危害人体健康。这类重金属主要有汞、铬、镉、铅、锌、锡等。例如，铅是人体非必需的物质，而且很容易在人体内富集，而不易排出。重金属污染是“十一五”凸显的重大环境问题，《重金属污染综合防治“十二五”规划》得到国务院批复，成为第一个“十二五”国家规划。重金属含量检测需求广泛存在于环境监测、节能减排、工业过程控制等领域中。
在先技术中，对重金属的检测方法主要有原子吸收光谱法、原子发射光谱法和原子荧光光谱法。原子吸收光谱法具有灵敏度高、选择性好、稳定性好等特点，但是受化学干扰严重，重复性和准确性差，要做样品的预先处理，测试完成后要除去残留物质。原子发射光谱法，具有分析速度快、重复性好、可同时检测多种元素等优点，但同样易受化学干扰，一般多用于固体金属的分析，而基于等离子体的发射光谱分析可以检测液体，但是分析速度慢。原子荧光光谱法具有分析精确，选择性好，检出限低，线性范围宽，干扰少等优点，但是原子荧光光谱分析仪结构复杂，需要原子化装置，要对样品进行预处理。以上方法都不能够连续在位地检测空气中重金属含量。另外，在先技术中还存在一种空气中重金属含量检测装置，参见发明专利一种检测空气中悬浮铅含量的装置，专利号为ZL200910097973.0，此发明虽然具有一定的优点，但是存在本质不足：激光束单次经过被测空间，光能利用率低；能被激光诱导的荧光的被测区域小，***测试结果波动性有限；激光诱导的荧光信号弱，并且由双面反射镜反射后再收集荧光信号，荧光信号进一步减弱。所以，此发明在本质上无法实现空气中重金属含量的高灵敏度检测。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种腔增强式空气中重金属含量检测装置，具有光能利用率高、稳定性好、可靠性高、在线原位监测，不需要预处理和原子化部件，激光诱导的荧光信号强，可以实现高灵敏度空气中重金属含量检测等特点。
本发明的基本构思是：利用激光斜入射腔增强原理，由两个球面反射镜构成光学稳定腔，其中一个球面反射镜的离轴位置上设置有透光孔，激光束经过小孔斜入射到光学稳定腔中，在光学稳定腔中多次反射，激光束经过区域中的重金属样品在受激吸收光子后释放出荧光，荧光经滤波后，被光学稳定腔侧面设置的光束会聚元件收集，输入到光谱检测仪器中，光谱检测仪器检测重金属的特征谱线强度，得到空气中重金属的含量。此方法无需原子化、***简单、稳定性好、可靠性高、在线原位检测，检测灵敏度高。
本发明包括激光光源、入射球面反射镜、出射球面反射镜、侧面反射镜、滤光片、光束会聚元件、光谱检测仪器。入射球面反射镜和出射球面反射镜的对称轴重合设置，入射球面反射镜和出射球面反射镜均位于球面内侧，入射球面反射镜反射率和出射球面反射镜反射率均高于90%；入射球面反射镜的球面曲率半径为R1，射球面反射镜的球面曲率半径为R2，入射球面反射镜和出射球面反射镜的反射球面中心点间距为d，R1、R2和d三者满足关系为0<(1-d/R1)(1-d/R2)<1，入射球面反射镜和出射球面反射镜构成光学稳定腔；入射球面反射镜的离轴位置上设置有透光孔，入射球面反射镜的与出射球面反射镜一侧相对的另一侧设置有激光光源，激光光源出射光束经过入射球面反射镜的透光孔斜入射到由入射球面反射镜和出射球面反射镜构成的光学稳定腔中，入射球面反射镜上的透光孔与入射球面反射镜和出射球面反射镜的对称轴构成切向平面，激光光源出射光束方向与切向平面存在夹角；入射球面反射镜和出射球面反射镜构成光学稳定腔的侧面一方同轴地依次设置有滤光片、光束会聚元件和光谱检测仪器，滤光片、光束会聚元件和光谱检测仪器所在的对称轴与光学稳定腔的对称轴相交；在滤光片、光束会聚元件和光谱检测仪器所在的对称轴与光学稳定腔的对称轴决定的平面上，光学稳定腔的侧面另一方向设置有侧面反射镜。
所述的入射球面反射镜上的透光孔直径大于激光光源出射光束直径。
所述的入射球面反射镜和出射球面反射镜的外径尺寸均大于光束直径的20倍。
所述的激光光源为气体激光器、固态激光器、染料激光器中的一种。
所述的侧面反射镜为平面反射镜、球面反射镜、柱面反射镜、回返棱镜中的一种。
所述的光束会聚元件为单透镜、透镜阵列、菲涅尔透镜中的一种。
所述的光谱检测仪器是棱镜光谱仪、光栅光谱仪、单色仪、线阵光电传感光谱仪的一种。
本发明一种腔增强式空气中重金属含量检测装置的工作过程为：激光光源出射光束经过入射球面反射镜上的透光孔斜入射到由入射球面反射镜和出射球面反射镜构成的光学稳定腔中。入射球面反射镜上的透光孔与入射球面反射镜和出射球面反射镜的对称轴构成切向平面，激光光源出射光束方向与切向平面存在夹角，并且入射球面反射镜反射率和出射球面反射镜反射率均高于90%，激光束在光学稳定腔进行往复传播，激光束经过区域中的重金属样品在受激吸收光子后释放出荧光。入射球面反射镜和出射球面反射镜构成光学稳定腔的侧面一方同轴地依次设置有滤光片、光束会聚元件和光谱检测仪器，荧光依次经过滤光片、光束会聚元件后，被光谱检测仪器检测接收。在滤光片、光束会聚元件和光谱检测仪器所在的对称轴与光学稳定腔的对称轴决定的平面上，光学稳定腔的侧面另一方向设置有侧面反射镜，向光学稳定腔反射镜一侧传播的部分荧光被反射镜反射后，横向穿过光学稳定腔后，依次经过滤光片、光束会聚元件后，也被光谱检测仪器检测接收。光谱检测仪器通过重金属的荧光特征谱线强度，得到被测区域空气中重金属的含量。
本发明中激光荧光光谱原理以及光谱检测仪器检测特征谱线强度分析物质含量的技术均为成熟技术。本发明的发明点在于利用激光斜入射腔增强原理，由两个球面反射镜构成光学稳定腔，激光斜入射光学稳定腔，给出一个光能利用率高、稳定性好、可靠性高、在线原位监测、无需要预处理和原子化部件、激光诱导的荧光信号强、灵敏度高的空气中重金属含量检测装置。
与现有技术相比，本发明的优点：
1）利用激光斜入射腔增强原理，由两个球面反射镜构成光学稳定腔，激光束经过小孔斜入射到光学稳定腔中，在光学稳定腔中多次反射，诱导荧光的激光束路径长，本发明激光具有光能利用率高、激光诱导的荧光信号强，可以实现高灵敏度空气中重金属含量检测。
2）激光诱导荧光区域大，并且位于光学稳定腔中，本发明测试***的结构简单稳定、***可靠性和稳定性高、可操作性强、不需要原子化部件，实现了在线原位检测。
3）本发明采用侧面反射镜反射背向荧光探测方向传播的荧光光束，使这部分荧光也可以被经过滤光片、光束会聚元件，被光谱检测仪器检测接收，增加了收集到的荧光光强，进一步提高了重金属含量检测灵敏度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，腔增强式空气中重金属含量检测装置包括激光光源1、入射球面反射镜2、出射球面反射镜7、侧面反射镜3、滤光片6、光束会聚元件5、光谱检测仪器4。入射球面反射镜2和出射球面反射镜7的对称轴重合设置，入射球面反射镜2和出射球面反射镜7均位于球面内侧，入射球面反射镜2反射率和出射球面反射镜7反射率均高于85%；入射球面反射镜2的球面曲率半径为R1，出射球面反射镜7的球面曲率半径为R2，入射球面反射镜2和出射球面反射镜7的反射球面中心点间距为d，R1、R2和d三者满足关系为0<(1-d/R1)(1-d/R2)<1，入射球面反射镜2和出射球面反射镜7构成光学稳定腔；入射球面反射镜2的离轴位置上设置有透光孔，入射球面反射镜2的与出射球面反射镜7一侧相对的另一侧设置有激光光源1，激光光源1出射光束经过入射球面反射镜2的透光孔斜入射到由入射球面反射镜2和出射球面反射镜7构成的光学稳定腔中，入射球面反射镜2上的透光孔与入射球面反射镜2和出射球面反射镜7的对称轴构成切向平面，激光光源1出射光束方向与切向平面存在夹角；入射球面反射镜2和出射球面反射镜7构成光学稳定腔的侧面一方同轴地依次设置有滤光片6、光束会聚元件5和光谱检测仪器4，滤光片6、光束会聚元件5和光谱检测仪器4所在的对称轴与光学稳定腔的对称轴相交；在滤光片6、光束会聚元件5和光谱检测仪器4所在的对称轴与光学稳定腔的对称轴决定的平面上，光学稳定腔的侧面另一方向设置有侧面反射镜3。滤光片6对激光光源1出射光束为低透过率的，透过率小于10%，滤光片6对激光诱导的荧光为高透过率的，透过率大于80%。
激光光源1采用固态激光光源，激光出1射光束直径为2毫米，侧面反射镜3为平面反射镜，光束会聚元件5为单透镜，光谱检测仪器4采用线阵光电传感光谱仪。入射球面反射镜2的球面曲率半径为100厘米，射球面反射镜7的球面曲率半径为100厘米，入射球面反射镜2和出射球面反射镜7的反射球面中心点间距为50厘米。入射球面反射镜2和出射球面反射镜7的外径尺寸均为7厘米，入射球面反射镜2和出射球面反射镜7反射率均为95%。
激光光源1出射光束经过入射球面反射镜2上的透光孔斜入射到由入射球面反射镜2和出射球面反射镜7构成的光学稳定腔中。入射球面反射镜2上的透光孔与入射球面反射镜2和出射球面反射镜7的对称轴构成切向平面，激光光源1出射光束方向与切向平面存在夹角，并且入射球面反射镜2反射率和出射球面反射镜7反射率均高于90%，激光束在光学稳定腔进行往复传播，激光束经过区域中的重金属样品在受激吸收光子后释放出荧光。入射球面反射镜2和出射球面反射镜7构成光学稳定腔的侧面一方同轴地依次设置有滤光片6、光束会聚元件5和光谱检测仪器4，荧光依次经过滤光片6、光束会聚元件5后，被光谱检测仪器4检测接收。在滤光片6、光束会聚元件5和光谱检测仪器4所在的对称轴与光学稳定腔的对称轴决定的平面上，光学稳定腔的侧面另一方向设置有侧面反射镜3，向光学稳定腔反射镜3一侧传播的部分荧光被反射镜3反射后，横向穿过光学稳定腔后，依次经过滤光片6、光束会聚元件5后，也被光谱检测仪器4检测接收。光谱检测仪器4通过重金属的荧光特征谱线强度，得到被测区域空气中重金属的含量。本实施例成功完成了汞、铅、铬3种重金属含量检测。本发明具有光能利用率高、稳定性好、可靠性高、在线原位监测、无需要预处理和原子化部件、激光诱导的荧光信号强、灵敏度高等优点。
Claims (7)
1.一种腔增强式空气中重金属含量检测装置，包括激光光源、入射球面反射镜、出射球面反射镜、侧面反射镜、滤光片、光束会聚元件、光谱检测仪器，其特征在于：入射球面反射镜和出射球面反射镜的对称轴重合设置，入射球面反射镜和出射球面反射镜均位于球面内侧，入射球面反射镜反射率和出射球面反射镜反射率均高于90%；入射球面反射镜的球面曲率半径为R1，出射球面反射镜的球面曲率半径为R2，入射球面反射镜和出射球面反射镜的反射球面中心点间距为d，R1、R2和d三者满足关系为0<(1-d/R1)(1-d/R2)<1，入射球面反射镜和出射球面反射镜构成光学稳定腔；
入射球面反射镜的离轴位置上设置有透光孔，入射球面反射镜的与出射球面反射镜一侧相对的另一侧设置有激光光源，激光光源出射光束经过入射球面反射镜的透光孔斜入射到由入射球面反射镜和出射球面反射镜构成的光学稳定腔中，入射球面反射镜上的透光孔与入射球面反射镜和出射球面反射镜的对称轴构成切向平面，激光光源出射光束方向与切向平面存在夹角；
入射球面反射镜和出射球面反射镜构成光学稳定腔的侧面一方同轴地依次设置有滤光片、光束会聚元件和光谱检测仪器，滤光片、光束会聚元件和光谱检测仪器所在的对称轴与光学稳定腔的对称轴相交；在滤光片、光束会聚元件和光谱检测仪器所在的对称轴与光学稳定腔的对称轴决定的平面上，光学稳定腔的侧面另一方向设置有侧面反射镜。
2.如权利要求1所述的腔增强式空气中重金属含量检测装置，其特征在于：所述的入射球面反射镜上的透光孔直径大于激光光源出射光束直径。
3.如权利要求1所述的腔增强式空气中重金属含量检测装置，其特征在于：所述的入射球面反射镜和出射球面反射镜的外径尺寸均大于光束直径的20倍。
4.如权利要求1所述的腔增强式空气中重金属含量检测装置，其特征在于：所述的激光光源为气体激光器、固态激光器、染料激光器中的一种。
5.如权利要求1所述的腔增强式空气中重金属含量检测装置，其特征在于：所述的侧面反射镜为平面反射镜、球面反射镜、柱面反射镜、回返棱镜中的一种。
6.如权利要求1所述的腔增强式空气中重金属含量检测装置，其特征在于：所述的光束会聚元件为单透镜、透镜阵列、菲涅尔透镜中的一种。
7.如权利要求1所述的腔增强式空气中重金属含量检测装置，其特征在于：所述的光谱检测仪器是棱镜光谱仪、光栅光谱仪、单色仪、线阵光电传感光谱仪的一种。
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