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CN111896110B - 一种水质光谱测量装置 - Google Patents

一种水质光谱测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水质光谱测量装置，由平行光源、分光装置、光电传感器组成，分光装置包含组件外壳、入射腔、三棱镜、出射腔。平行光源为紫外平行光源，平行光出光方向沿圆柱的轴线方向；组件外壳为带折角的不透光黑色圆筒外壳，两个圆筒口分别带有水平狭缝、竖直展宽狭缝；入射腔、三棱镜、出射腔为熔铸一体JGS1型石英装置，入射腔、出射腔外壁均为圆筒结构，圆筒内部真空，平行光源由电流源、LED芯片组、封装透镜组成，LED芯片组由基板、漩涡式共阳极电源线、LED发光芯片、阴极电源飞线组成。本发明采用基于UV‑LED连续光谱的微型紫外光源，整个组件结构固定，通过波长率定后不用再对波长进行校准，具有简单、易用、适用性广等特点。

Description

一种水质光谱测量装置
技术领域
本发明涉及一种水质光谱测量装置。
背景技术
光谱是复色光经过色散系统分光后，被色散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。色散系统分光通常采用棱镜、光栅两种装置，光栅分光是利用光的衍射，其光谱随波长的分布比较均匀，方便光谱测量，因此，在光谱测量领域，光栅分光得到了广泛的应用，但由于光栅分光的光源能量损耗比较大，在弱光测量领域，光栅分光的测量精度不高，紫外光源由于本身的发光效率较可见光普遍偏低、介质中传输损耗又非常大，因此，光栅分光不适用于紫外光。三棱镜分光是利用光的折射，虽然对紫外光能量损耗比光栅小，但其分光谱线是不均匀的，每次测量前均需要对设备进行校准，比较繁琐。上述种种原因，导致了紫外光谱的测量十分困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水质光谱测量装置，采用基于UV-LED连续光谱的微型紫外光源，通过分光系统与探测器阵列，实现紫外光谱的简便、快捷测量。
本发明采用的技术方案为：一种水质光谱测量装置，由平行光源、分光装置和光电传感器组成，其特征在于：所述分光装置包含组件外壳、入射腔、三棱镜和出射腔，所述组件外壳为带折角的不透光圆筒外壳；所述入射腔、三棱镜、出射腔设置于不透光圆筒外壳内，为熔铸一体的石英装置，入射腔、出射腔外壁均为圆筒结构，圆筒内部真空，入射腔、出射腔分别设置在三棱镜的两侧；所述不透光圆筒外壳的一端设有水平狭缝，供平行光源的光平行射入到入射腔中，不透光圆筒外壳的另一端设有竖直展宽狭缝，供出射腔内的光射出；所述光电传感器为紫外线性阵列探测器，设置在竖直展宽狭缝内，用于探测从竖直展宽狭缝中出射的光；
所述平行光源由电流源、LED芯片组、封装透镜三个部分组成；所述LED芯片组由基板、漩涡式共阳极电源线、LED发光芯片、阴极电源飞线组成，漩涡式共阳极电源线被固定在基板正面并穿过基板与电流源相连，LED发光芯片固定在基板的正面，所有LED发光芯片的阳极均与漩涡式共阳极电源线连接，阴极分别通过阴极电源飞线与电流源连接，封装透镜覆盖在基板正面，将全部LED发光芯片罩住，电流源固定在基板背面。。
优选的，平行光源为紫外平行光源，外形为圆柱型，平行光出光方向沿圆柱的轴线方向，发光波长范围为250nm-365nm。
优选的，所述光电传感器由N个AlGaN探测器沿竖直展宽狭缝的一维方向排列而成，每个探测器对应的波长通过标准单色仪率定，探测器芯片材质为AlxGa1-xN三元合金材料，x为Al组分，取值根据平行光源的最大波长W来设定，具体关系满足x＝(1240/W-3.397)/2.8。
优选的，所述光电传感器有M个，M个光电传感器并排放置在竖直展宽狭缝内，形成M*N的矩阵阵列紫外探测器。
优选的，矩阵阵列紫外探测器中每个AlGaN探测器的波长标定方式为：采用波长为Ei的标准单色平行光源作为入射光源，i＝1、2、…、N，Ei在250nm-365nm之间，每隔1-10nm取一个值，再测量M*N矩阵阵列紫外探测器的输出响应，找到M个光电传感器对应的每个最大输出矩阵点Fi1、Fi2、…、FiM，则矩阵点Fi1、Fi2、…、FiM对应的波长即为Ei(i＝1、2、…、N)。
优选的，所述LED发光芯片包括A种规格的单色LED发光芯片，每种规格的单色LED发光芯片的数量分别为b1、b2、…bA，且按照波长从短到长的顺序沿圆心依次往外排列在漩涡式共阳极电源线的外侧，A种规格的单色LED发光芯片的主发光波长范围均在255-365nm范围内，且相邻规格的主发光波长间隔不超过10nm，单色LED发光芯片的总数为B个，B＝b1+b2+…+bA。
优选的，所述电流源内置N个单独的恒流驱动模块，每个恒流驱动模块单独驱动一个单色LED发光芯片，每个恒流驱动模块的电流可调范围为1-100mA。
优选的，所述封装透镜为石英平行光透镜。
本发明整个组件结构固定，通过波长率定后不用再对波长进行校准，具有简单、易用、适用性广等特点。熔铸一体的真空分光组件可以减少紫外光在传输过程中的损耗；遮光的组件外壳可以提高环境光的屏蔽效果；M*N矩阵阵列紫外探测器可以实现高灵敏度的紫外光谱测量；通过标准单色仪事先对矩阵探测器波长进行率定可以提高探测器波长的测量精准度。
采用的微型紫外光源具有响应快、体积小、功耗低、维护简单、使用方便等优点，所述微型紫外光源的发光波长在250-380nm范围内(单个芯片的波长范围在255-365nm内，再加上LED展宽，实际输出波长范围为250-380nm)连续可调，解决了LED发光单一问题；N个模块电流可调的恒流驱动模块单独驱动N个不同数量的LED芯片，解决了深紫外发光效率低、发光不强以及对光谱有特殊需求的问题；芯片按照波长从短到长顺序沿圆心环绕式依次排列成漩涡形，可以解决传统深紫外光源弱、透镜损耗大与紫外光源强、透镜损耗小的问题；通过石英平行光透镜准直的光源可以直接外接光纤耦合装置，方便微型紫外光源在光纤光路中应用。
附图说明
图1为实施例1的水质光谱测量装置的结构示意图。
图2为微型紫外光源背面的结构示意图。
图3为微型紫外光源正面的结构示意图。
具体实施方式
以下是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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。
实施例1
一种水质光谱测量装置，由平行光源1、分光装置2和光电传感器3组成，其特征在于：所述分光装置包含组件外壳4、入射腔5、三棱镜6和出射腔7，所述组件外壳为带折角的不透光圆筒外壳；所述入射腔、三棱镜、出射腔设置于不透光圆筒外壳内，为熔铸一体的石英装置，入射腔、出射腔外壁均为圆筒结构，圆筒内部真空，入射腔、出射腔分别设置在三棱镜的两侧；所述不透光圆筒外壳的一端设有水平狭缝8，供平行光源的光平行射入到入射腔中，不透光圆筒外壳的另一端设有竖直展宽狭缝9，供出射腔内的光射出；所述光电传感器为紫外线性阵列探测器，设置在竖直展宽狭缝内，用于探测从竖直展宽狭缝中出射的光。
其中平行光源为紫外平行光源，外形为圆柱型，平行光出光方向沿圆柱的轴线方向，发光波长范围为250nm-365nm。
所述光电传感器由N个AlGaN探测器沿竖直展宽狭缝的一维方向排列而成，每个探测器对应的波长通过标准单色仪率定，探测器芯片材质为AlxGa1-xN三元合金材料，x为Al组分，取值根据平行光源的最大波长W来设定，具体关系满足x＝(1240/W-3.397)/2.8。
其中平行光源为微型紫外光源，由电流源10、LED芯片组11、封装透镜12三个部分组成；LED芯片组11由基板13、漩涡式共阳极电源线14、LED发光芯片15、阴极电源飞线16组成；漩涡式共阳极电源线14被固定在基板13正面并穿过基板13与电流源10相连，LED发光芯片15通过贴片固定在基板13的正面，LED发光芯片15的阳极焊接在环绕式共阳极电源线14上；基板13正面上覆盖封装透镜12，封装透镜12把全部LED发光芯片15罩住；电流源10固定在基板13背面，LED发光芯片15的阴极通过飞线连接电流源10，封装透镜选择石英平行光透镜。
所述LED发光芯片包括M种规格的单色LED发光芯片，每种规格的单色LED发光芯片的数量分别为n1、n2、…nM，且按照波长从短到长的顺序沿圆心依次往外排列在漩涡式共阳极电源线的外侧，M种规格的单色LED发光芯片的主发光波长范围均在255-365nm范围内，且相邻规格的主发光波长间隔不超过10nm，单色LED发光芯片的总数为N个，N＝n1+n2+…+nM。
所述电流源内置N个单独的恒流驱动模块，每个恒流驱动模块单独驱动一个单色LED发光芯片，每个恒流驱动模块的电流可调范围为1-100mA。
实施例2
本实施例结构与实施例1基本一致，区别在于：所述光电传感器有M个，M个光电传感器并排放置在竖直展宽狭缝内，形成M*N的矩阵阵列紫外探测器，矩阵阵列紫外探测器中每个AlGaN探测器的波长标定方式为：采用波长为Ei的标准单色平行光源作为入射光源，i＝1、2、…、N，Ei在250nm-365nm之间，每隔1-10nm取一个值，再测量M*N矩阵阵列紫外探测器的输出响应，找到M个光电传感器对应的每个最大输出矩阵点Fi1、Fi2、…、FiM，则矩阵点Fi1、Fi2、…、FiM对应的波长即为Ei(i＝1、2、…、N)。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水质光谱测量装置，由平行光源、分光装置和光电传感器组成，其特征在于：所述分光装置包含组件外壳、入射腔、三棱镜和出射腔，所述组件外壳为带折角的不透光圆筒外壳；所述入射腔、三棱镜、出射腔设置于不透光圆筒外壳内，为熔铸一体的石英装置，入射腔、出射腔外壁均为圆筒结构，圆筒内部真空，入射腔、出射腔分别设置在三棱镜的两侧；所述不透光圆筒外壳的一端设有水平狭缝，供平行光源的光平行射入到入射腔中，不透光圆筒外壳的另一端设有竖直展宽狭缝，供出射腔内的光射出；所述光电传感器为紫外线性阵列探测器，设置在竖直展宽狭缝内，用于探测从竖直展宽狭缝中出射的光；
所述平行光源由电流源、LED芯片组、封装透镜三个部分组成；所述LED芯片组由基板、漩涡式共阳极电源线、LED发光芯片、阴极电源飞线组成，漩涡式共阳极电源线被固定在基板正面并穿过基板与电流源相连，LED发光芯片固定在基板的正面，所有LED发光芯片的阳极均与漩涡式共阳极电源线连接，阴极分别通过阴极电源飞线与电流源连接，封装透镜覆盖在基板正面，将全部LED发光芯片罩住，电流源固定在基板背面；
所述LED发光芯片包括A种规格的单色LED发光芯片，每种规格的单色LED发光芯片的数量分别为b1、b2、…bA，且按照波长从短到长的顺序沿圆心依次往外排列在漩涡式共阳极电源线的外侧，A种规格的单色LED发光芯片的主发光波长范围均在255-365 nm范围内，且相邻规格的主发光波长间隔不超过10nm，单色LED发光芯片的总数为B个，B=b1+b2+…+bA。
2.根据权利要求1所述的水质光谱测量装置，其特征在于：平行光源为紫外平行光源，外形为圆柱型，平行光出光方向沿圆柱的轴线方向，发光波长范围为250nm-365nm。
3.根据权利要求2所述的水质光谱测量装置，其特征在于：所述光电传感器由N个AlGaN探测器沿竖直展宽狭缝的一维方向排列而成，每个探测器对应的波长通过标准单色仪率定，探测器芯片材质为AlxGa1-xN三元合金材料，x为Al组分，取值根据平行光源的最大波长W来设定，具体关系满足x=（1240/W-3.397）/2.8。
4.根据权利要求3所述的水质光谱测量装置，其特征在于：所述光电传感器有M个， M个光电传感器并排放置在竖直展宽狭缝内，形成M*N的矩阵阵列紫外探测器。
5.根据权利要求4所述的水质光谱测量装置，其特征在于：矩阵阵列紫外探测器中每个AlGaN探测器的波长标定方式为：采用波长为Ei的标准单色平行光源作为入射光源，i=1、2、…、N，Ei在250nm-365nm之间，每隔1-10nm取一个值，再测量M*N矩阵阵列紫外探测器的输出响应，找到M个光电传感器对应的每个最大输出矩阵点Fi1、Fi2、…、FiM，则矩阵点Fi1、Fi2、…、FiM对应的波长即为Ei(i=1、2、…、N)。
6.根据权利要求5所述的水质光谱测量装置，其特征在于：所述电流源内置N个单独的恒流驱动模块，每个恒流驱动模块单独驱动一个单色LED发光芯片，每个恒流驱动模块的电流可调范围为1-100 mA。
7.根据权利要求6所述的水质光谱测量装置，其特征在于：所述封装透镜为石英平行光透镜。
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