CN112255181A - 用于水质在线监测的微型光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种用于水质在线监测的微型光谱仪，包括：光纤、狭缝、凹面反射镜、凹面光栅和光电探测器，光纤的射出端设置于狭缝，凹面反射镜设置于光纤经狭缝调节后的光路范围，凹面光栅设置于凹面反射镜的反射光路范围，光电探测器用于监测由凹面光栅反射的光信号。本发明实施例提供的一种用于水质在线监测的微型光谱仪，通过在光纤和凹面光栅的光路之间设置凹面反射镜，实现了光谱的波前压缩，降低了光栅性能要求，降低了成本，同时实现了对光谱宽度和成像宽度的压缩以及光谱方向的改变，简化了光谱仪结构，缩小了装置体积，增加了光谱灵敏度，提高了光谱测量精度，适用于更加复杂的测量环境，并为无损检测的溯源提供了更加有效的数据。
Description
技术领域
本发明涉及水质监测技术领域，尤其涉及一种用于水质在线监测的微型光谱仪。
背景技术
全光谱水质在线监测装置，可同时监测COD、温度、TOC、BOD、O3、浊度、有机物(苯类)、硝氮等各类型污染物参数，且没有产生二次污染排放，已被广泛的应用到水质监测中。
其中全光谱水质在线监测装置中紫外可见光谱仪是核心器件，高分辨率、低成本和小型化是关键。目前，主流方案有两种，一种是采用传统的交叉非对称式切尼-特纳光路(即Czerny-Turner光路)，这种监测方式分辨率较高，但结构复杂，成本高，微型化难度较大无法满足水质监测应用需求。第二种是平场凹面全息光栅方法，该方法可以实现小型化高灵敏度，然而该方法所用的光栅加工难度大，成本过高，光栅刻线密度较低，分辨率受限，对于环境溯源检测很困难。
发明内容
本发明实施例提供一种用于水质在线监测的微型光谱仪，用以解决现有技术中交叉非对称式切尼-特纳光路存在的微型化难度大、成本高和的平场凹面全息光栅光路存在的分辨率低、成本高的缺陷。
本发明实施例提供一种用于水质在线监测的微型光谱仪，包括：光纤、狭缝、凹面反射镜、凹面光栅和光电探测器，所述光纤的射出端设置于所述狭缝，所述凹面反射镜设置于所述光纤经所述狭缝调节后的光路范围，所述凹面光栅设置于所述凹面反射镜的反射光路范围，所述光电探测器用于监测由所述凹面光栅反射的光信号。
其中，还包括光纤调整装置，所述光纤设置于所述光纤调整装置内，所述光纤调整装置的入光口的横截面为圆形，所述狭缝设置于所述光纤调整装置的出光口。
其中，所述所述光纤调整装置的出光口的横截面为矩形，且所述矩形的宽度与所述光纤的直径相匹配。
其中，所述凹面光栅为平场凹面全息光栅。
其中，所述凹面反射镜的曲率为非均匀分布。
其中，还包括壳体，所述光纤、所述狭缝、所述凹面反射镜、所述凹面光栅和所述光电探测器均安装于所述壳体内部。
本发明实施例提供的一种用于水质在线监测的微型光谱仪，通过在光纤和凹面光栅的光路之间设置凹面反射镜，实现了光谱的波前压缩，降低了光栅性能要求，降低了成本，同时实现了对光谱宽度和成像宽度的压缩以及光谱方向的改变，简化了光谱仪结构，缩小了装置体积，增加了光谱灵敏度，提高了光谱测量精度，适用于更加复杂的测量环境，并为无损检测的溯源提供了更加有效的数据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种用于水质在线监测的微型光谱仪的结构示意图；
图2是本发明实施例光纤调整装置的结构示意图；
图3是本发明实施例光纤调整装置的入光口的横截面示意图；
图4是本发明实施例光纤调整装置的出光口的横截面示意图。
附图标记：
1：光纤；2：狭缝；3：凹面反射镜；4：平场凹面全息光栅；5：光电探测器；6：光纤调整装置；61：入光口；62：出光口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是点连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合图1描述本发明实施例的一种用于水质在线监测的微型光谱仪，包括：光纤1、狭缝2、凹面反射镜3、凹面光栅和光电探测器5，光纤1的射出端设置于狭缝2，凹面反射镜3设置于光纤1经狭缝2调节后的光路范围，凹面光栅设置于凹面反射镜3的反射光路范围，光电探测器5用于监测由凹面光栅反射的光信号。
可以理解的是，图1中的虚线代表光路范围。
具体地，在本实施例中光信号由光纤1传输，首先通过狭缝2进入到光谱仪的内部，经过凹面反射镜3对光进行聚焦和变向，使得光反射到凹面光栅上，并充分分光，最后分光后的光信号照射到光电探测器5上，实现对光谱的监测和测量。
在本实施例中，由于凹面反射镜3的引入，实现了对光谱的波前压缩，同时实现了对光谱宽度和成像宽度的压缩以及光谱方向的改变，使得光谱仪更易于小型化和结构微型化；此外，成像宽度的压缩也大大增加了光谱灵敏度，不需要其它辅助措施(如，加入柱面镜)增加光学灵敏度，使得结构更加简化，降低了成本。
本发明实施例提供的一种用于水质在线监测的微型光谱仪，通过在光纤1和凹面光栅的光路之间设置凹面反射镜3，实现了光谱的波前压缩，降低了光栅性能要求，降低了成本，同时实现了对光谱宽度和成像宽度的压缩以及光谱方向的改变，简化了光谱仪结构，缩小了装置体积，增加了光谱灵敏度，提高了光谱测量精度，适用于更加复杂的测量环境，并为无损检测的溯源提供了更加有效的数据。
在其中一个实施例中，如图2～图4所示，用于水质在线监测的微型光谱仪还包括光纤调整装置6，光纤1设置于光纤调整装置6内，光纤调整装置6的入光口61的横截面为圆形，狭缝2设置于光纤调整装置6的出光口62。在本实施例中，光纤调整装置6主要用于调整光纤1的排布状态，光纤1由入光口61进入时是呈圆形排布的，通过调整后，光纤1由出光口62(即狭缝2)射出时为线性排布。
在其中一个实施例中，如图4所示，光纤调整装置6的出光口62的横截面为矩形，且矩形的宽度与光纤1的直径相匹配。可以理解的是，矩形的尺寸恰巧能够容纳单行光纤1，即矩形的宽度与狭缝2的缝宽匹配，矩形的长度与狭缝2的缝高匹配，在本实施例中以光纤调整装置6的出光口62代替狭缝2，大大降低了成本，避免了狭缝2加工质量对光谱仪性能的影响，提高了紫外光谱的信噪比。
在其中一个实施例中，凹面光栅为平场凹面全息光栅4。应当理解的是，本领域技术人员也可以选用其他高刻线光栅代替，从而提高光谱分辨率和稳定性，更有利于溯源检测的应用，若采用平场凹面全息光栅4则更加适用于水质光谱仪。
在其中一个实施例中，凹面反射镜3的曲率为非均匀分布(即变曲率凹面反射镜3)，解决凹面镜引入导致的光谱焦点位置不在同一水平面的问题，解决光谱畸形问题。根据实际情况可选择凹面反射镜3的上部分曲率大于下部分或下部分曲率大于上部分。
在其中一个实施例中，用于水质在线监测的微型光谱仪还包括壳体，光纤1、狭缝2、凹面反射镜3、凹面光栅和光电探测器5均安装于壳体内部。在本实施例中壳体用于封装光谱仪内部的工作元件，起到防尘和支撑等作用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种用于水质在线监测的微型光谱仪，其特征在于，包括：光纤、狭缝、凹面反射镜、凹面光栅和光电探测器，所述光纤的射出端设置于所述狭缝，所述凹面反射镜设置于所述光纤经所述狭缝调节后的光路范围，所述凹面光栅设置于所述凹面反射镜的反射光路范围，所述光电探测器用于监测由所述凹面光栅反射的光信号。
2.根据权利要求1所述的用于水质在线监测的微型光谱仪，其特征在于，还包括光纤调整装置，所述光纤设置于所述光纤调整装置内，所述光纤调整装置的入光口的横截面为圆形，所述狭缝设置于所述光纤调整装置的出光口。
3.根据权利要求2所述的用于水质在线监测的微型光谱仪，其特征在于，所述所述光纤调整装置的出光口的横截面为矩形，且所述矩形的宽度与所述光纤的直径相匹配。
4.根据权利要求1所述的用于水质在线监测的微型光谱仪，其特征在于，所述凹面光栅为平场凹面全息光栅。
5.根据权利要求1所述的用于水质在线监测的微型光谱仪，其特征在于，所述凹面反射镜的曲率为非均匀分布。
6.根据权利要求1所述的用于水质在线监测的微型光谱仪，其特征在于，还包括壳体，所述光纤、所述狭缝、所述凹面反射镜、所述凹面光栅和所述光电探测器均安装于所述壳体内部。
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