一种在线式光学谐振腔腔镜反射率自动测量装置

1.本发明涉及光学镜片检测技术领域，尤其涉及一种在线式光学谐振腔腔镜反射率自动测量装置。


背景技术：

2.腔增强吸收光谱技术是一种高灵敏的探测技术，常应用于多种气体的检测，要从其吸收谱中反演出被测气体的浓度值，必须先已知光学谐振腔腔镜反射率随波长变化的变化曲线，即需要在测量前先对腔镜的镜片反射率进行标定。这种方式使得对于大气气体的探测过程复杂，探测效率不高。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提供一种在线式光学谐振腔腔镜反射率自动测量装置，解决了现有技术中对于气体检测效率低以及复杂度高的问题。
4.本发明提供一种在线式光学谐振腔腔镜反射率自动测量装置，包括：光源模块，用于提供测量用光束；光学谐振腔模块，所述光学谐振腔模块用于提供高反射率以使光线在腔体内持续反射，使光程增加；气路模块，用于对所述光学谐振腔模块提供待测气体和标准气体；探测采集模块，所述探测采集模块包括经光纤分束器分束的探测光纤一连接的光谱仪，经探测光纤二连接的滤光轮、光电倍增管和采集卡；控制驱动模块，所述控制驱动模块包括控制装置、驱动装置、步进电机以及计算机；
5.优选地，一种在线式光学谐振腔腔镜反射率自动测量装置，其特征在于，所述光学谐振腔模块包括腔体、透镜、滤光片和光阑；所述腔体的测量光束入射端设有透镜一和入射端光阑，所述腔体的测量光束出射端设有透镜二和出射端光阑，所述腔体周向分别设有进气口、出气口以及压力计，所述压力计用于监测腔内压力；
6.优选地，一种在线式光学谐振腔腔镜反射率自动测量装置，其特征在于，所述光学谐振腔腔体与进气口和出气口周向连接，所述进气口外设有干燥器和过滤器，所述出气口连接气泵用于排出腔内气体；
7.优选地，一种在线式光学谐振腔腔镜反射率自动测量装置，其特征在于，所述探测采集模块中光谱仪采集信息并与计算机连接；
8.优选地，一种在线式光学谐振腔腔镜反射率自动测量装置，其特征在于，所述计算机分别与控制装置和驱动装置连接，所述控制装置与流量阀一、流量阀二以及流量阀三连接，用于控制第一气路、第二气路以及第三气路中的气体通过进气口进入腔体，所述驱动装置与步进电机连接，所述步进电机与滤光轮连接，所述滤光轮经光电倍增管与采集卡连接，所述采集卡连接计算机。
9.优选地，一种在线式光学谐振腔腔镜反射率自动测量装置，其特征在于，所述滤光轮上具有不同的带通滤光片，所述带通滤光片可选择特定波段的光使其通过。
10.本发明通过计算机控制气路模块中的标准气体进入光学谐振腔，出射光经光纤分
束器分束的探测光纤分别连接到光谱仪和滤光轮，计算机通过驱动装置控制步进电机旋转进而使滤光轮转动到不同的带通滤光片以选择特定波段的光使其通过，通过的光经光电倍增管被转变成电信号，计算机通过采集卡获取的电信号并结合滤光轮上带通滤光片的位置确定所通过波段的光谱强度，根据不同波长下标准气体的瑞利散射截面，并通过其计算标准气体的瑞利散射消光系数从而完成光学谐振腔腔镜反射率的自动标定，提高了检测效率，避免在实验之前标定腔镜反射率要变换光路的繁杂过程，减少了人们的工作量。
附图说明
11.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简单地介绍，显而易见地，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。
12.图1是本发明实施例提供的一种在线式光学谐振腔腔镜反射率自动测量装置的结构示意图；
13.图2是本发明实施例提供的一种在线式光学谐振腔腔镜反射率自动测量装置的滤光轮结构图；
14.图3是本发明实施例提供的一种在线式光学谐振腔腔镜反射率自动测量装置的结构框图；
15.图中：1光源、2滤光片、3透镜一、4入射端光阑、5腔体、6过滤器、8气泵、10出射端光阑、11透镜二、12光纤分束器、13气瓶一、14气瓶二、15流量阀一、16流量阀三、17流量阀二、18滤光轮、19光谱仪、20压力计、21干燥器、22质量流量计一、23质量流量计二、24质量流量计三、25计算机、26步进电机、27光电倍增管、28采集卡、501腔镜一、502腔镜二、503进气口、504出气口、1201探测光纤一、1202探测光纤二、1501第一气路、1502大气输入口、1601第三气路、1701第二气路、2501驱动装置、2502控制装置、1801带通滤光片。
具体实施方式
16.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，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。
17.如图1和图3所示，图1是本实施例提供的一种在线式光学谐振腔腔镜反射率自动测量装置的结构示意图，图3是本发明实施例提供的一种在线式光学谐振腔腔镜反射率自动测量装置的结构框图，包括光源模块、气路模块、光学谐振腔模块、探测采集模块、控制模块和滤光轮。
18.具体地，光源模块1，用于提供测量用光束；光学谐振腔模块，所述光学谐振腔模块用于提供高反射率以使光线在腔体内持续反射，使光程增加；气路模块，用于对所述光学谐振腔模块提供测量用气体，所述气路模块包括输送待测气体的第一气路1501、用于输送标准气体的第二气路1701以及用于输送标准气体的第三气路1601，所述第一气路包括流量阀一15和监测大气输入气体流量的质量流量计一22，所述第二气路1701包括存储标准气体的气瓶13、流量阀二17以及用于监测标准气体流量的质量流量计二23，所述第三气路1601包
括存储标准气体的气瓶14、流量阀三16以及用于监测标准气体流量的质量流量计三24；探测采集模块，所述探测采集模块包括经光纤分束器12分束的探测光纤一1201连接的光谱仪19，经探测光纤二1202连接的滤光轮18、光电倍增管27和采集卡28；控制驱动模块，所述控制驱动模块包括控制装置2502、驱动装置2501、步进电机26以及计算机25；
19.具体地，在进行腔镜反射率自动测量时，所述气瓶13存放的标准气体为氮气，所述气瓶14存放的标准气体是二氧化氮，由计算机25驱动气路模块的控制装置2501，进而控制流量阀二17以及流量阀三16向进气口503输送标准气体氮气和二氧化氮，氮气和二氧化氮标准气体分别由质量流量计三24以及质量流量计二23记录流量，气体经过滤器6和干燥器21后由进气口503进入腔体5。光源1经过滤光片2滤光后，由透镜一3聚焦耦合进入腔体5，入射端光阑4用于限制入射光束大小和抑制杂散光进入腔内，出射端光阑10用于限制出射光束大小，经透镜二11收集，光纤分束器12的分光比例为1：99，第一出射光的光能量占99％连接光谱仪19，第二出射光占1％连接到滤光轮18；计算机25通过驱动装置2501，进而控制步进电机26动作；如图2所示，滤光轮18转动，进而通过上面的带通滤光片1801选择特定波段的光使其通过，经光电倍增管27后由采集卡28将信息传入计算机25。
20.具体地，滤光轮18通过带通滤光片1801选择不同波长，根据不同波长下氮气的瑞利散射截面，通过所述氮气的瑞利散射截面计算氮气的瑞利散射消光系数的表达式为：
[0021][0022]
在表达式1-1中，为氮气瑞利散射消光系数，为氮气瑞利散射截面，为氮气分子数浓度，对应其纯度。
[0023]
进一步地，滤光轮18上的带通滤光片1801选择特定波段的光使其通过后，通过的光经光电倍增管27被转变成电信号，计算机25通过采集卡28获取的信息并结合滤光轮18上带通滤光片1801的位置确定氮气和二氧化氮这两种标准气体所通过波段的光谱强度，分别为和
[0024]
光源1发射出光束，入射光在腔体5内形成多次反射，每反射一次入射光就会从出射端出射一次，累加得到出射光的光强并且根据腔体5内有无被测气体时出射光的光强变化，就能测量出腔内被测气体的吸收系数，表达式为：
[0025][0026]
在表达式1-2中，α
abs
(λ)为所测气体的总吸收系数，σi(λ)为被测气体i的吸收截面，ni为被测气体的分子数浓度，r(λ)为腔镜反射率，α
ray
(λ)为腔内瑞利散射消光系数，i(λ)为腔内含被测气体时的出射光光强，i0(λ)为腔内仅有空气或氮气时的出射光光强。
[0027]
具体地，对表达式1-2作简单变换，于是就可以得到计算光学谐振腔腔镜反射率的表达式为：
[0028][0029]
在表达式1-3中，r(λ)为腔镜反射率，d为腔体5的长度，是二氧化氮标准气体
的分子数浓度，是二氧化氮标准气体吸收截面，为氮气瑞利散射消光系数，为氮气光谱强度，为二氧化氮标准气体光谱强度，通过表达式1-3可以对不同波长时的镜片反射率进行自动标定。
[0030]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。