基于三维可调多光程结构的吸收击穿光谱组合测量系统的制作方法

1.本实用新型涉及光谱检测技术领域，具体地说是一种基于三维可调多光程结构的吸收击穿光谱组合测量系统。


背景技术：

2.紫外/可见吸收光谱技术对水质中cod、toc、no3‑
n等有机物的检测技术较为完善。在已有的光程变化对液体成分测量影响的研究中，大多数采用不同光程长的比色皿来或隔片个数或二维结构支架来实现光程的控制，对于单光程的光谱检测法存在可选择光程个数少且分辨率低、操作复杂等缺点，使用单一光程长光谱进行建模多光程非线性作为一种测量手段引入，利用不同光程时样本等效吸收系数的不同，不同光程测得的光谱互不相关的光谱非线性特性，理论上使用多光程光谱同时参与建模可以提供更多样本成分含量的信息，能够比单一光程光谱建模得到更优的模型性能。对于二维结构支架的光谱检测法，弥补了单光程的缺点，但光纤探头的最佳位置选取存在精度低、效率低、操作复杂的缺点，造成光谱检测结果的精度及实验效率低的缺点。
3.激光诱导击穿光谱技术具有快速、实时对样品进行分析、多元素成分同时分析、样品损耗小、无需样品预处理、远程非接触式检测、适用于各种形态的样品等优点。目前，利用libs技术对水溶液中重金属的检测已进行了大量的研究。紫外/可见吸收光谱技术弥补了激光诱导击穿光谱技术在水质参数进行高精度检测方面上存在不足。紫外/可见吸收光谱法在对toc、cod及no3‑
n等水质参数的检测较为成熟,紫外可见光谱在220
‑
720nm全谱段扫描，用多波长扫描，得到不同波长的吸收谱，能清晰地反映出水体中多种物质的分布。而根据具体检测方法的不同,紫外/可见光谱水质分析参数主要有连续光谱分析、多波长分析、双波长分析及单波长分析等方法。
4.激光诱导击穿光谱技术可实现对液体中重金属进行检测，尤其在对溶液中重金属的定性、定量分析的已经有了大量的研究。激光诱导击穿光谱技术通过高能激光烧蚀并激发待测物质产生等离子体，采用光谱仪和探测器对等离子体发射光谱进行探测，利用目标元素的特征谱线来判断元素种类，通过目标元素特征谱线强度来确定元素含量，从而实现对目标元素的定性和定量分析。由于激光诱导击穿光谱技术缺乏对溶液中有机物含量的检测，而紫外/可见吸收光谱技术对水质中的cod、toc、no3‑
n等有机物含量的检测较为成熟。紫外/可见吸收光谱技术的水质检测的发展历程是从单波到多波发展起来的，最终发展到连续光谱分析，它是借助通过线性或非线性拟合来建立和选择相对应的数学模型，进而更进一步的对水质参数进行精确的预测。
5.为了对水质实现无机物与有机物两种参数同步高精度在线测量。实现水质问题的全面可视化。本实用新型是基于三维可调多光程结构的光谱组合技术，搭建一个在线检测系统，能够实现水中重金属元素以及cod、toc、no3‑
n等水质参数全面、准确以及高精度测量。这个系统为水质检测提供了更为便捷、准确和全面的方法，检测能力高、测量结果更加准确、可靠性越高。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的就是提供一种基于三维可调多光程结构的吸收击穿光谱组合测量系统，以解决现有检测系统无法实现水中重金属元素以及cod、toc、no3‑
n等水质参数全面、准确以及高精度测量的问题。
7.本实用新型是这样实现的：一种基于三维可调多光程结构的吸收击穿光谱组合测量系统，包括多光程调节装置和检测装置；
8.所述检测装置包括样品承载机构和光谱测量机构，所述样品承载机构包括用于承装被测液体的容器、位于容器上方的漏斗以及将容器中被测液体抽至漏斗的水泵；
9.所述光谱测量机构包括nd：yag激光器、反射镜、聚焦透镜、耦合透镜、第一光谱仪、光源、浸入式光纤、第二光谱仪以及计算机；所述nd：yag激光器用于发射脉冲激光，所述脉冲激光经过反射镜和聚焦透镜后打在漏斗与容器之间流动的被测液体上，所述耦合透镜用于对被测液体在脉冲激光作用下产生的等离子体进行采集，并通过光纤传至第一光谱仪；所述光源用于通过入射光纤将光路传至容器底部，所述浸入式光纤固定在多光程调节装置上，浸入式光纤的探头浸没在被测液体中，所述多光程调节装置用于调节侵入式光纤的探头进入被测液体的位置，浸入式光纤用于将透过被测液体的出射光传至第二光谱仪，所述计算机将第一光谱仪和第二光谱仪输送的数据进行分析和处理。
10.所述多光程调节装置包括控制机构和调节机构，所述控制机构包括电源、电机、驱动器、控制器、金属感应开关；所述电源为控制器、驱动器、电机提供能源；所述控制器通过驱动器控制电机的转动方向、转速；所述调节机构包括底座、设于底座上的滑珠丝杠、位于滑珠丝杠两侧的光轴、可沿光轴和滑珠丝杠运动的滑块以及固定在滑块上的夹具。
11.所述夹具为om4a
‑
lbe22型号光纤支架，用于固定侵入式光纤。
12.所述电机控制调节机构中滑块的运动距离和运动方向；所述金属感应开关用于控制驱动器开关、选取夹具初始位置以及确定夹具运动距离和方向。
13.在所述夹具的一侧设有置物台，所述置物台用于放置所述容器。
14.所述光源为dh
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2000氘
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钨卤组合式光源，光源的发射波长为215
‑
2000nm。
15.所述nd：yag激光器发射波长为1064nm的脉冲激光。
16.所述第一光谱仪为海洋光学max2500 光谱仪，第二光谱仪为ms5204i光谱仪。
17.本系统将紫外/可见吸收光谱技术与激光诱导击穿光谱技术相结合。利用三维可调多光程结构实现紫外/可见吸收光谱技术对溶液的有机物化学参数进行测量，由dh
‑
2000卤素光源发射波长为215
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2000nm的稳定光谱输出经过入射光纤传至容器的被测溶液中，将光纤探头固定在三维可调多光程结构装置上，由出射光纤传至ms5204i光谱仪，光谱仪收集到的光信号传输至具有光谱分析的计算机并对光谱数据进行处理；利用激光诱导击穿光谱技术对被测溶液的的重金属含量进行定性和定量分析。发射波长为1064nm的nd:yag脉冲激光器作为光源，激光发射脉冲激光通过反射镜后改变传播方向，经过聚焦透镜后入射至被测物上，在自然环境下，被测物的表面会被激光烧灼而产生等离子体，用耦合透镜对等离子体进行采集并传输到海洋光学max2500 光谱仪，最终计算机对光谱数据进行处理与分析。
18.本实用新型提出了一种基于三维可调多光程结构的光谱组合检测系统，此系统可以实现对水溶液中的重金属元素和水溶液中cod、toc、no3‑
n等有机物参数的检测。其优点具体表现在以下两个方面：
19.1、水质中各参数对应的最佳光程不同，为了实现各参数的高精度测量，提出一种三维多光程组合测量结构。为同时测量溶液中重金属元素和溶液中的cod、toc、no3‑
n等有机物参数提供了新思路，在检测溶液的领域内有广泛的应用前景。
20.2、给出一种激光诱导击穿光谱技术与紫外/可见吸收光谱技术组合测量系统。紫外/可见吸收光谱技术弥补了激光诱导击穿光谱技术在测量溶液中cod、toc、no3‑
n等有机物参数较不成熟的缺点，紫外/可见吸收光谱技术对溶液中重金属测量精度较低，激光诱导击穿光谱技术弥补了对溶液中重金属测量精度低的缺点。
附图说明
21.图1为本实用新型中检测装置的结构示意图。
22.图2为本实用新型中多光程调节装置的结构示意图。
23.图3为图2的侧视图。
24.图中：1、容器，2、漏斗，3、nd：yag激光器，4、反射镜，5、聚焦透镜，6、耦合透镜，7、第一光谱仪，8、光源，9、浸入式光纤，10、第二光谱仪，11、计算机，12、多光程调节装置，13、电机，14、底座，15、滑珠丝杠，16、光轴，17、滑块，18、夹具，19、置物台。
具体实施方式
25.如图1~3所示，本实用新型的结构包括多光程调节装置和检测装置；检测装置包括样品承载机构和光谱测量机构，样品承载机构包括用于承装被测液体的容器1、位于容器1上方的漏斗2以及将容器中被测液体抽至漏斗2的水泵（图中未显示）；水泵与软管相连，用于将被测溶液由容器1运送至漏斗2中，使溶液流动起来，以便于提高检测的灵敏度。
26.光谱测量机构包括nd：yag激光器3、反射镜4、聚焦透镜5、耦合透镜6、第一光谱仪7、光源8、浸入式光纤9、第二光谱仪10以及计算机11；nd：yag激光器3用于发射脉冲激光，nd：yag激光器3发射波长为1064nm的脉冲激光。脉冲激光经过反射镜4和聚焦透镜5后打在漏斗与容器之间流动的被测液体上，耦合透镜6用于对被测液体在脉冲激光作用下产生的等离子体进行采集，并通过光纤传至第一光谱仪7；第一光谱仪7为海洋光学max2500 光谱仪。光源8用于通过入射光纤将光路传至容器1底部，光源8为dh
‑
2000氘
‑
钨卤组合式光源，光源8的发射波长为215
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2000nm。浸入式光纤9固定在多光程调节装置12上，浸入式光纤9的探头浸没在被测液体中，多光程调节装置12用于调节侵入式光纤的探头进入被测液体的位置，浸入式光纤9用于将透过被测液体的出射光传至第二光谱仪10，第二光谱仪10为ms5204i光谱仪。计算机11将第一光谱仪和第二光谱仪输送的数据进行分析和处理。
27.多光程调节装置12包括控制机构和调节机构，控制机构包括电源、电机13、驱动器、控制器、金属感应开关；电源为控制器、驱动器、电机提供能源；控制器通过驱动器控制电机的转动方向、转速；电机控制调节机构中滑块的运动距离和运动方向；所述金属感应开关用于控制驱动器开关、选取夹具初始位置以及确定夹具运动距离和方向。调节机构包括底座14、设于底座14上的滑珠丝杠15、位于滑珠丝杠15两侧的光轴16、可沿光轴16和滑珠丝杠15运动的滑块17以及固定在滑块17上的夹具18。夹具18为om4a
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lbe22型号光纤支架，用于固定侵入式光纤。在夹具18的一侧设有置物台19，置物台19用于放置所述容器1，其底部开有孔洞，便于光源透过。
28.本实用新型采用了发射波长为1064nm的yag脉冲激光器作为光源，激光器发射的脉冲激光通过全反射镜后改变传播方向，经过聚焦透镜作用到流动液体表面，在自然环境下，液体表面会被激光烧灼而产生等离子体，用耦合透镜对流动液体产生的等离子体进行耦合通过光纤将其传输到光谱仪，该部分采用海洋光学max2500 光谱仪、探测范围200nm
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2500nm、光谱分辨率:不低于0.04nm进行数据的采集，采集后将数据传输至计算机进行数据分析和处理；同时采用dh
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2000氘－钨卤组合式光源连续输出光谱产生 215
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2000nm 的稳定光谱，利用抗紫外光纤将光信号传至被测溶液底部，浸入式光纤探头固定于三维可调多光程结构装置用于接收透射水质后的光信号，通过调节控制器实现光纤探头的三维可调，改变光纤探头位置实现多光程检测，将接收到的透射光源传至ms5204i光谱仪；最后分别将两台光谱仪输出的电信号传至具备软件分析的计算机，最后完成实验的数据分析。