便携式傅立叶近红外光谱仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型为便携式傅立叶近红外光谱仪，解决已有近红外光谱仪抗振动及抗温度变化能力差，光谱基线会产生变形，从而影响定性定量的结果的问题。干涉仪支架（1）与分束器（2）、定镜（3）、补偿镜（4）为固定部件装配在一起，动镜（5）是三维角镜，音圈电机（7）的轴经悬臂弹簧（8）与动镜（5）的轴连接组成动镜驱动马达（6），上述器件连同光源（9）、激光器（10）、激光探测器（11）、出射光发送装置（12）、光导纤维（13）、入射光接收装置（14）、检测器（15）、主控电路板固定在光学底台上。
【专利说明】便携式傅立叶近红外光谱仪
[0001]【技术领域】:
[0002]本实用新型与傅里叶变换近红外光谱仪有关。
[0003]【背景技术】:
[0004]傅里叶变换近红外光谱仪的核心部件是干涉仪。干涉仪的最基本要求是动镜在移动过程中仪器的光路准直应保持不变。最简单的动镜是平面镜，但若平面镜有倾斜转动或平移运动，干涉仪的光路准直都会变化。一类解决方案是用激光检测动镜的偏移，在定镜上加以调整，所谓“动态调整”，如热电公司、安捷伦公司使用该技术，该类解决方法的缺点是非常敏感，抗振动及抗温度变化能力差，只适合实验室使用。另外一类解决方案是动镜采用立体角反射镜，这在很大程度上解决了振动的问题，因此被布鲁克和ABB公司多家国外傅里叶变换光谱仪厂家采用。该类解决方法的问题是立体角反射镜系统没有解决剪切方向的偏移，因此，在温度变化较大的情况下，光谱基线会产生变形，从而影响定性定量的结果。
[0005]实用新型内容:
[0006]本实用新型目的是提供一种具备高分辨、宽范围、抗振动，耐温度变化的便携式傅立叶近红外光谱仪。
[0007]本实用新型是这样实现的:
[0008]便携式傅立叶近红外光谱仪，干涉仪支架I与分束器2、定镜3为固定部件，预先装配在一起，固定的补偿镜4与光路垂直。动镜5是三维角镜，音圈电机7的轴经悬臂弹簧8与动镜5的轴连接组成动镜驱动马达6，上述器件连同光源9、激光器10、激光探测器11、出射光发送装置12、光导纤维13、入射光接收装置14、检测器15、主控电路板固定在光学底台上。
[0009]干涉仪支架I与分束器2、定镜3使用同样的热膨胀系数的材料焊接装配成一体的
单一部件。
[0010]悬臂弹簧由热处理后的磷青铜弹簧制成，悬臂弹簧8与音圈电机7的轴、动镜5的轴同轴。
[0011]本实用新型为高分辨、宽范围、抗振动，耐温度变化的高性能便携傅立叶近红外光谱仪。解决已有傅里叶变换近红外光谱仪在强振动带来的干涉仪动镜偏转、平移引起的光路失准和扫描误差的问题。实现干涉仪组件固定成一体的设计，实现永久准直，抗振动，适应大范围温度变化等性能；将动镜扫描的承载机构，由轴承改为旋臂弹簧，设计补偿电路，扫描稳定且驱动部件超常寿命。便携傅里叶变换光谱仪的核心分光部件为干涉仪扫描系统，高质量的干涉仪扫描系统，要求动镜在驱动轴承上保持单轴的匀速运动，保证动镜扫描沿直线匀速的运动，是获得高质量光谱的关键技术。我们采用悬臂弹簧驱动轴承，使用音圈电机驱动三维角反射动镜完成扫描。该扫描系统的优点是运行平稳、单轴性能高、偏差小、寿命长、结构紧凑、成本较低。
[0012]设计的小型化干涉仪:保证高分辨、宽测试范围，还要保证抗振动，适应大范围温度变化。干涉仪主体固定成一个整体，干涉仪为永久准直。。
[0013]支撑扫描动镜的承载结构:该结构是使用旋臂弹簧，扫描稳定且驱动系统永不磨损。驱动部件无限使用寿命设计。
[0014]傅里叶变换光谱仪的核心分光部件为干涉仪，它由一个分束器和多个反射镜组成。其中分光部件为分束器，近红外使用低羟基石英材料作为分束器，其光谱范围为
0.Tl.5微米。反射镜由定镜和动镜组成，当光源发射的光照射到分束器后，由分束器分为两束光分别照射到定镜和动镜，由于动镜运动导致和定镜产生光程差形成干涉光。
[0015]干涉仪支架、分束器、光程补偿镜、定镜均为固定部件，需要预先装配在一起并调整准直到最佳。由于各个光学部件通常需要加调整螺丝，对于实验室条件下的使用，这种调整方式不会带来大问题，但对于振动很大的便携或现场使用，这种方式就很容易造成光路失调。此外，不同材质的部件装配在一起，因为温度的变化(特别是野外工作条件下)非常容易产生应力差，导致光路失调。
[0016]本实用新型将干涉仪支架和分束器及定镜使用同样的热膨胀系数的材料一次焊接装配成一体的单一部件，这样就不使用任何调整螺丝，就能永久固定成一个整体，可以称之为“永久校准”的干涉仪。这样可以避免振动和温度变化给干涉仪主体带来的影响。
[0017]由于动镜运动与定镜产生光程差，获得干涉光，动镜运动微小的误差都会影响整体仪器的性能。因此，动镜的设计和动镜的驱动成为干涉仪乃至整机中至关重要的部分。
[0018]动镜有六个可能产生的运动自由度，即三个平移方向和三个旋转方向。其中一个平移运动方向上因扫描运动将产生光程差，其他任意一个自由度的偏移，都会导致干涉仪中的光程误差。
[0019]在实验室环境中，可以通过机械手段限制动镜的偏移或者通过自动调整动镜定镜角度修正误差。但便携仪器在在高振动的环境中，限制偏移就非常困难。采用三维立体角镜作为动镜，会使入射光与出射光在动镜偏移下保持平行，就可以修正三个旋转和一个平移的偏差。这种方式被用于很多车载和在线傅里叶近红外的干涉仪的设计采纳。
[0020]以立体角镜作为动镜的设计中，剪切方向的偏移是由于温度变化，镜体与驱动装置内部产生应力，这种变化三维立体角镜无法克服。所以在实际测量中，温度变化会导致测量谱图基线的偏移。在实验室环境下，由于温度变化不大，该偏移可以忽略；而便携仪器在室外环境中工作温度变化大，该偏移就会带来明显的问题。
[0021]本实用新型采用一面补偿镜装在动镜边，使入射光与反射光完全在一条路径上，从而将剪切方向的偏移得以修正，固定的补偿镜与光路永久垂直，如果三维角镜发生剪切方向的偏移，通过补偿镜垂直反射回来的光与入射光依旧在同一条路径上。
[0022]由此设计的动镜系统，可以修正所有方向上的偏移，可以保证在振动和温度变化的环境下稳定工作，这也是便携仪器的必备条件。此干涉仪稳定温度将从15-30° C大幅度提升为-20-40° C。
[0023]干涉仪扫描就是动镜的扫描，需要保证均匀的扫描速度，去除干扰的影响，同时在设计上要防止运动轴承的磨损，这将导致扫描误差。
[0024]扫描驱动装置通过一套音频线圈马达驱动前后方向运动，驱动轴的前端安装动镜。一般驱动轴在润滑的轴承上运动，当驱动轴的轴承进行快速、长时间的工作时，很容易发热从而加速轴承的磨损。本实用新型将驱动轴安装在悬臂弹簧移动装置上，动镜的运动几乎是完美的单轴，完全避免了磨损。悬臂弹簧由热处理后的磷青铜弹簧制成，它的预期寿命远久于仪器的寿命。[0025]本实用新型是根据傅里叶变换原理设计的，其基本原理是光源发光经过分束器将光平均分为透射光和反射光，这两束光经过一面不动的反射镜(定镜)和一面可动的反射镜(动镜)使两束光产生干涉，干涉光照射样品后，采集到干涉光谱再经过傅里叶变换生成样品单通道光谱。分束器、动镜和定镜三者组成干涉仪的基本结构，其分辨率由动镜移动的距离控制且可调。
[0026]本实用新型有以下特点:
[0027]极高的波长准确度:傅里叶变换近红外光谱仪内部使用单色激光作为采样控制标准，在0.05cm—1，其波长准确度较光栅型和傅里叶偏振干涉近红外仪器高一个数量级，因此，用户不需要经常对仪器进行外部人工波长校准，高波长准确度是模型能够从一台仪器传递到另一台仪器的最重要因素。
[0028]光谱分辨率高:傅里叶变换近红外光谱仪没有狭缝的概念，动镜移动的距离决定分辨率，其分辨率较传统光栅型和傅里叶偏振干涉近红外仪器高几倍，在研究结构相似物质或复杂的混合物时具有明显的优势。
[0029]自然杂散光不影响测试结果:傅里叶变换近红外光谱仪只检测从干涉仪出来的干涉光，因为没有经过干涉仪调制的自然杂散光对所得光谱无影响。
[0030]高信噪比，低检测限:傅里叶变换近红外光谱仪的光通量大，扫描速度快，在相同的扫描时间、相同检测器和相同光谱范围内，光谱的信噪比可到达1000:1，因此低含量组份的干扰因素少，仪器的检测限低。
[0031]波长准确度高:傅里叶变换近红外仪器其波长准确度比光栅型仪器高I个数量级，分辨率高几倍，而且分辨率可根据分析对象可调，不仅适用于常规测试也适用于新方法研发，不仅能够测试常规指标，而且能够测试结构非常相近的物质，如各种氨基酸、各种脂肪酸、不同结构的硫甙等，相同样品的测试结果都好于滤光片和光栅型仪器，具有很强的应用扩展能力。
[0032]【专利附图】
【附图说明】:
[0033]图1为本实用新型结构图。
[0034]图2为动镜加入补偿镜抗干扰光路。
[0035]图3为动镜驱动结构图。
[0036]【具体实施方式】:
[0037]干涉仪由干涉仪支架1，分束器2、定镜3、补偿镜4和动镜组成，其中动镜5是采用三维角镜。干涉仪支架1、分束器2、定镜3均为固定部件，需要预先装配在一起。音圈电机7和悬臂弹簧8组成动镜驱动马达与三维角镜通过驱动轴连接。以上原器件连同光源9、激光器10、激光探测器11、出射光发送装置12、光导纤维13、入射光接收装置14、检测器15、主控电路板固定在仪器轻质光学底台上。光源9、激光器10、激光探测器11、出射光发送装置12、光导纤维13、入射光接收装置14、检测器15、主控电路板与传统傅里叶变换近红外光谱仪的同类器件相同。干涉仪支架I与分束器2、定镜3使用同样的热膨胀系数的材料一次焊接装配成一体的单一部件。
[0038]固定的补偿镜与光路永久垂直。
[0039]悬臂弹簧由热处理后的磷青铜弹簧制成，悬臂弹簧8与音圈电机7的轴、动镜5的轴同轴。
【权利要求】
1.便携式傅立叶近红外光谱仪，其特征在于干涉仪支架(I)与分束器(2)、定镜(3)为固定部件装配在一起，固定的补偿镜(4)与光路垂直，动镜(5)是三维角镜，音圈电机(7)的轴经悬臂弹簧(8)与动镜(5)的轴连接组成动镜驱动马达(6)，上述器件连同光源(9)、激光器(10)、激光探测器(11)、出射光发送装置(12)、光导纤维(13)、入射光接收装置(14)、检测器(15)、主控电路板固定在光学底台上。
2.根据权利要求1所述的便携式傅立叶近红外光谱仪，其特征在于干涉仪支架(I)与分束器(2)、定镜(3)使用同样的热膨胀系数的材料焊接装配成一体的单一部件。
3.根据权利要求1所述的便携式傅立叶近红外光谱仪，其特征在于悬臂弹簧由热处理后的磷青铜弹簧制成，悬臂弹簧(8)与音圈电机(7)的轴、动镜(5)的轴同轴。
【文档编号】G01J3/45GK203572578SQ201320718574
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年11月15日 优先权日:2013年11月15日
【发明者】王茜 申请人:四川威斯派克科技有限公司