全波段光谱仪及其工作方法与流程

1.本发明涉及光谱仪，特别涉及全波段光谱仪及其工作方法。


背景技术：

2.目前市场上已有的光谱仪多为紫外光谱、红外光谱、紫外-可见光谱等，这种光谱仪存在诸多不足，如：
3.1.难以做到从紫外波段到近红外波段的全波长覆盖，检测范围有限；
4.2.光谱仪在装配调试时，调试困难，精度难以达到要求，产品不合格率高，导致生产成本高；
5.3.杂散光影响大；对于杂散光消除，现有光谱仪往往从硬件方面进行抑制和用软件算法进行校正补偿，研发难度加大，而紫外-近红外全波段，杂散光的影响更大。


技术实现要素：

6.为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种全波段光谱仪。
7.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
8.全波段光谱仪，所述全波段光谱仪包括壳体、准直镜、光栅、成像镜和阵列式探测器，所述准直镜、光栅和成像镜设置在所述壳体内部，测量光依次经过所述准直镜、光栅和成像镜后，成像在所述阵列式探测器上；所述全波段光谱仪还包括：
9.光纤头和光纤座，所述光纤头固定在所述光纤座上，所述光纤座设置在所述壳体上；
10.第一调节单元，所述第一调节单元用于在沿着所述光纤头的中心轴线方向调节所述光纤座和所述准直镜间的距离；
11.第二调节单元，所述第二调节单元用于调节所述成像镜的空间位置；
12.多个延伸臂，所述延伸臂设置在所述壳体内壁，所述壳体内的所述测量光的部分穿过二个延伸臂之间的缝隙，部分被延伸臂阻挡；
13.消光单元，所述消光单元设置在所述阵列式探测器的侧部。
14.本发明的目的还在于提供了基于本发明的全波段光谱仪的工作方法，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
15.根据本发明的全波段光谱仪的工作方法，所述工作方法为：
16.利用第一调节单元调节所述光纤座，使得所述光纤座沿着所述光纤头的中心轴线方向正向或反向移动；
17.测量光从所述光纤头出射，部分光被延伸臂阻挡，部分光穿过延伸臂之间的缝隙入射到准直镜上；
18.准直镜上的反射光的部分被延伸臂阻挡，部分穿过延伸臂之间的缝隙入射到光栅；
19.光栅上的出射光的部分被延伸臂阻挡，部分入射到成像镜；
20.成像镜上的反射光的部分被延伸臂阻挡，部分入射到阵列式探测器。
21.与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
22.1.装配、调试简单，精度高；
23.利用本发明的螺钉和侧面的组合，将螺钉的直线运动转换为光纤座的直线运动，从而调整了光纤头和准直镜间的距离，调试简单、精度高；
24.2.杂散光消除效果好；
25.利用多个延伸臂阻挡壳体内测量光的部分，如中心光束外围的杂散光；
26.对于零级光的消除，通过在阵列式探测器侧部的消光单元，如二个延伸臂之间的多个内凹面设置；
27.对于二级衍射，在阵列式探测器式上设置适应不同波段的滤光片；
28.通过上述设置，实现了紫外、可见和近红外波段的全波段覆盖。
附图说明
29.参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
30.图1是根据本发明实施例的全波段光谱仪的结构示意图。
具体实施方式
31.图1和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了解释本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组成以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
32.实施例1：
33.图1给出了本发明实施例的全波段光谱仪的结构示意图，如图1所示，所述全波段光谱仪包括：
34.壳体11、准直镜22、光栅23、成像镜24和阵列式探测器26，所述准直镜22、光栅23和成像镜24设置在所述壳体11内部，阵列式探测器26设置在壳体11的外侧；测量光依次经过所述准直镜22、光栅23和成像镜24后，成像在所述阵列式探测器26上；
35.光纤头27和光纤座28，所述光纤头27固定在所述光纤座28上，所述光纤座28设置在所述壳体11上；光纤插接在所述光纤头27上；
36.第一调节单元，所述第一调节单元用于在沿着所述光纤头的中心轴线方向调节所述光纤座28和所述准直镜22间的距离；
37.第二调节单元35，所述第二调节单元35用于调节所述成像镜24的空间位置；
38.多个延伸臂，所述延伸臂设置在所述壳体11内壁，所述壳体11内的所述测量光的部分穿过二个延伸臂之间的缝隙，部分被延伸臂阻挡；
39.消光单元，所述消光单元设置在所述阵列式探测器26的侧部，使得零级光进入该消光单元，通过内部的多次反射而消除。
40.为了简单、准确地调节光纤座28的位置，进一步地，所述壳体11具有直线通道，所述光纤座28设置在所述直线通道内；
41.所述光纤座28具有第一侧面31和第二侧面32，所述第一侧面31和第二侧面32与所述光纤座28的中心轴线间的夹角均为非直角，第一侧面31和第二侧面32间的夹角为锐角、直角或钝角；
42.所述第一调节单元包括第一螺钉33和第二螺钉34，所述第一螺钉33和第二螺钉34设置在所述壳体11上，所述第一螺钉33顶住所述第一侧面31，所述第二螺钉34顶住所述第二侧面32。
43.为了降低结构复杂度，进一步地，所述光纤座28具有v形槽，所述v形槽的位置相对的壁分别是所述第一侧面31和第二侧面32。
44.为了消除二级衍射，进一步地，所述全波段光谱仪还包括：
45.多个滤光片25，与不同波段分别对应的滤光片设置在所述阵列式探测器26上。
46.为了消除杂散光及降低结构复杂度，进一步地，第一延伸臂12阻挡从所述光纤头27出射的测量光的部分，以及阻挡所述准直镜22上的反射光的部分；
47.第二延伸臂13阻挡所述光栅23上的出射光的部分，所述光栅23设置在所述第一延伸臂12和第二延伸臂13之间的凹槽内。
48.为了消除杂散光及降低结构复杂度，进一步地，第三延伸臂14阻挡所述成像镜24上反射光的部分，所述消光单元包括处于所述第二延伸臂13和第三延伸臂14之间的多个内凹面。
49.为了消除杂散光及降低结构复杂度，进一步地，所述准直镜22上的反射光穿过所述第一延伸臂12和第四延伸臂15之间的缝隙，所述准直镜22设置在所述第四延伸臂15和壳体11间的凹槽内；
50.所述光栅23上的出射光穿过所述第二延伸臂13和第五延伸臂16之间的缝隙，所述成像镜24设置在所述第五延伸臂16和壳体11之间的凹槽内。
51.根据本发明实施例的全波段光谱仪的工作方法，所述工作方法为：
52.利用第一调节单元调节所述光纤座28，使得所述光纤座28沿着所述光纤头27的中心轴线方向正向或反向移动；
53.测量光从所述光纤头27出射，部分光被延伸臂阻挡，部分光穿过延伸臂之间的缝隙入射到准直镜22上；
54.准直镜22上的反射光的部分被延伸臂阻挡，部分穿过延伸臂之间的缝隙入射到光栅23；
55.光栅23上的出射光的部分被延伸臂阻挡，部分入射到成像镜24；
56.成像镜24上的反射光的部分被延伸臂阻挡，部分入射到阵列式探测器26。
57.为了方便、高精度地调节光纤座的位置，进一步地，所述光纤座28的调节方式为：
58.旋转第一螺钉33，所述第一螺钉33顶住光纤座28的第一侧面31，且所述光纤头27的中心轴线和第一螺钉33间的距离变小，推动所述光纤座28正向移动；或者，
59.旋转第二螺钉34，所述第二螺钉34顶住光纤座28上的第二侧面32，且所述光纤头27的中心轴线和第二螺钉34间的距离变小，推动所述光纤座28反向移动。
60.为了降低结构复杂度，进一步地，所述光纤座28具有v形槽，所述v形槽的位置相对
的壁分别是所述第一侧面31和第二侧面32。
61.实施例2：
62.根据本发明实施例1的全波段光谱仪及其工作方法在多组分气体测量中的应用例。
63.在该应用例中，如图1所示，壳体11的轮廓基本呈矩形，包括依次连接的第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁；第一侧壁具有圆柱形通道；光纤头27固定在圆柱形光纤座28上，光纤头27的中心轴线和光纤座28的中心轴线、圆柱形通道的中心轴线均重合；所述光纤座28设置在所述圆柱形通道内，沿着圆柱形通道的中心轴线正向和反向移动，在移动中，光纤座28在垂直于所述通道的中心轴线的方向无位移；光纤座28的侧部具有v形槽，在沿着平行于光纤座的中心轴线的方向上，v形槽具有位置相对的二个侧壁，分别是第一侧面31和第二侧面32，第一侧面31和第二侧面32间的夹角是90度，光纤座28的中心轴线与第一侧面31(第二侧面32)间的夹角是45度；
64.第一调节单元包括第一螺钉33和第二螺钉34，分别设置在第二侧壁上，通过旋转去调节与光纤座28之间的距离；第一螺钉33顶住第一侧面31，第二螺钉34顶住第二侧面32，当需要移动光纤座28时，旋转螺钉，螺钉推动侧面正向或反向移动，使得光纤座正向或方向移动；第二调节单元35采用三维调节结构，具体结构是本领域的现有技术；
65.第一侧壁的内壁依次设置第一延伸臂12、第二延伸臂13、第三延伸臂14和通孔19，第二侧壁和第四侧壁的内壁分别具有第一组延伸臂17、第二组延伸臂18，第一延伸臂12和第二侧壁之间设置有光阑孔21；第三侧壁的内壁依次设置第四延伸臂15和第五延伸臂16，第四延伸臂15和第五延伸臂16之间具有缝隙，进口处缝隙较窄，内部缝隙较宽；准直镜22设置在第四延伸臂15和第二侧壁的内壁之间，光栅23设置在第一延伸臂12和第二延伸臂13之间，成像镜24设置在第五延伸臂16和第四侧壁的内壁之间，阵列式探测器26设置在第一侧壁的外壁，成像镜24上的反射光穿过第一侧壁的通孔19，进入阵列式探测器26；第二延伸臂13和第三延伸臂14之间具有多个用于消除零级光的内凹面；从光纤头27出射的出射的测量光穿过所述光阑孔21，部分被第一延伸臂13和第一组延伸臂17阻挡，准直镜22上的反射光的部分被第一延伸臂12和第四延伸臂15阻挡，光栅23上的分光的部分被第二延伸臂13和第五延伸臂16阻挡，成像镜24上的反射光的部分被第二组延伸臂18和第三延伸臂14阻挡；上述各个延伸臂的下端与下盖接触，上端与上盖接触；
66.不同材质的滤光片25设置在阵列式探测器26上，在400～800nm波长段采用k9玻璃材质，防止紫外透过，在800～1100nm波段采用hwb780有色玻璃，防止400～500nm波长光透过。
67.根据本发明实施例的全波段光谱仪的工作方法，所述工作方法为：
68.利用第一调节单元调节所述光纤座28，使得所述光纤座28沿着所述光纤头27的中心轴线方向正向或反向移动，具体方式为：当需要正向移动(更加靠近准直镜)值，第一螺钉33后退，与第一侧面31不接触，第二螺钉34前进，推动第二侧面32正向移动，使得光纤座28沿其中心轴线方向正向移动，待移动到位后，第一螺钉33前进，顶住第一侧面31，防止光纤座28自由移动；当需要反向移动(更加远离准直镜22)值，第二螺钉34后退，与第二侧面32不接触，第一螺钉33前进，推动第一侧面31反向移动，使得光纤座28沿其中心轴线方向反向移动，待移动到位后，第二螺钉34前进，顶住第二侧面32，防止光纤座28自由移动；
69.从光纤头26出射的出射的测量光穿过所述光阑孔21，部分被第一延伸臂12和第一组延伸臂17阻挡，准直镜22上的反射光的部分被第一延伸臂12和第四延伸臂15阻挡，光栅23上的分光的部分被第二延伸臂13和第五延伸臂16阻挡，成像镜24上的反射光的部分被第二组延伸臂18和第三延伸臂14阻挡，杂散光进入第一组延伸臂18之间、第四延伸臂15和第二侧壁的内壁之间、第四延伸臂15和第五延伸臂16之间、第二组延伸臂18之间，经多次反射后消除，零级光进入第二延伸臂13和第三延伸臂14之间，经多次反射后消除。