用于光腔衰荡光谱技术的连续可调长度测试腔

摘要

本发明公开了一种腔内长度可调节的用于光腔衰荡光谱技术的连续可调长度测试腔，通过精确的测量和反馈，以及精确的进给制动系统，实现测试腔所包含的内腔管和外腔管之间精确的相对位移，从而实现腔体的内部长度调节，从而实现一个腔体测量多种光谱相隔很远、吸收强度不同的气体，针对每种气体，浓度测量范围可覆盖从1×10

说明书

技术领域

本发明涉及一种光腔衰荡光谱技术领域中的测试腔，具体涉 及一种用于光腔衰荡光谱技术的连续可调长度测试腔。

背景技术

光腔衰荡光谱技术(以下简称CRDS技术)是一种高灵敏的吸 收光谱技术，常常用作痕量气体检测以及镜片反射率测量。

CRDS技术的历史起源于1961年，当时Jackson通过通过改 进法布里-珀罗腔增加了测量精度。1973年，Kastler测量到一 束脉冲光进入法布里-珀罗腔后，由于镜面的反射损耗，在腔后 检测到随指数衰减的信号。1980年，随着镀膜技术的革新，镜 面反射率不断的提高，传统技术已经很难达到反射率测量的要 求，Herbelin使用光学腔相移技术精确地得到了镜面反射率。 1984年，Anderson首次提出使用腔衰荡技术测量镜面反射率。 到了1988年，O’Keefe和Deacon首次提出了CRDS技术，并 用脉冲激光器测量了O2在630nm处得吸收线，但是由于脉冲激 光器线宽宽，频率稳定度差，测量得到的分辨率很低。1996年 D.Romanini提出基于连续激光器的CRDS技术，基于连续激 光器的高重复率、高稳定度和低噪声，大大提高了检测灵敏度。

根据朗伯比尔定律，当一束强度为I0的光穿过气体吸收介质 时，强度会由于介质的吸收而衰减，检测到的透射光强度将减 小，而且光程越大，强度减小越明显。吸收光谱技术就是通过 比较初始光强以及透射光强的变化关系从而反演出吸收介质的 浓度。光腔衰荡光谱技术通过使用两片高反镜作为光学腔，将 吸收光程大大增加，从而增加了探测灵敏度，光进入光学腔后 在两个高反镜之间来回反射，每一次反射都会由于吸收介质的 吸收而衰减，腔后的透射光将呈现指数衰减的形式，通过测量 透射光强的衰减时间得到腔内的吸收介质浓度。从以上过程可 以看出，不同于其他光谱技术，光腔衰荡光谱技术测量的是光 强的时间特性，而不是强度特性，所以光强度的起伏对于测量 并没有影响，从而对激光光源稳定性的依赖有所减小。

腔长在光腔衰荡光谱技术中具有重要作用，在设计阶段需要 通过调整腔长以确定适合于特定被测气体的腔长值。现有技术 中大多采用固定长度的测试腔，设计完成后，针对于固定长度 的测试腔其被测气体的种类以及测量的动态范围都会受到选定 的腔长的限制，无法灵活的扩展，而能够调节腔长的测试腔也 存在很多不足之处，尤其是其密封性能达不到使用要求，往往 造成使用效果的不足。

由于上述原因，本发明人对现有的测试腔技术做了深入研 究，以便设计出能够解决上述问题的测试腔。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种 腔内长度可调节的用于光腔衰荡光谱技术的连续可调长度测试 腔，通过精确的测量和反馈，以及精确的进给制动系统，实现 测试腔所包含的内腔管和外腔管之间精确的相对位移，从而实 现腔体的内部长度调节，从而完成本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：

(1)一种用于光腔衰荡光谱技术的连续可调长度测试腔， 其特征在于，该测试腔包括能够相对滑动的内腔管1和外腔管 2。

(2)根据上述(1)所述的用于光腔衰荡光谱技术的连续可 调长度测试腔，其特征在于，所述内腔管1和外腔管2之间保持 密封。

(3)根据上述(1)所述的用于光腔衰荡光谱技术的连续可 调长度测试腔，其特征在于，在所述内腔管1和/或外腔管2上开 设有进气口和/或出气口。

(4)根据上述(1)所述的用于光腔衰荡光谱技术的连续可 调长度测试腔，其特征在于，在内腔管1和/或外腔管2内设置有 用于光腔衰荡光谱技术的光学元件。

(5)根据上述(1)所述的用于光腔衰荡光谱技术的连续可 调长度测试腔，其特征在于，在所述内腔管1和/或外腔管2外部 还设置有用于控制、测量所述内腔管1和/或外腔管2运动的控制 组件。

(6)根据上述(5)所述的用于光腔衰荡光谱技术的连续可 调长度测试腔，其特征在于，所述控制组件包括执行机构4、 驱动单元5、测量单元6、和控制单元7。

(7)根据上述(1)-(6)之一所述的用于光腔衰荡光谱技 术的连续可调长度测试腔，其特征在于，在所述内腔管1和外 腔管2之间设置有密封单元3。

(8)根据上述(7)所述的用于光腔衰荡光谱技术的连续可 调长度测试腔，其特征在于，所述密封单元3包括第一密封圈 31和第二密封圈32，所述第一密封圈31和第二密封圈32都呈环 状，其截面都为一端开口的U型；

优选地，在第一密封圈31上靠近所述内腔管1或外腔管2的外 壁上设置有梯形凹槽33，在第二密封圈32上靠近所述内腔管1 或外腔管2的外壁上设置有梯形凹槽33。

(9)根据上述(8)所述的用于光腔衰荡光谱技术的连续可 调长度测试腔，其特征在于，在第一密封圈31和第二密封圈32 的开口端内都嵌入有用于向外撑大所述U型开口的支撑部件；

优选地，在第一密封圈31的开口端内嵌入的支撑部件为凸型 压紧环34，在第二密封圈32的开口端内嵌入的支撑部件为V型 弹簧35。

(10)根据上述(7)-(9)之一所述的用于光腔衰荡光谱 技术的连续可调长度测试腔，其特征在于，所述密封单元3安 装在内腔管1和/或外腔管2上；

优选地，所述密封单元有一个或两个或多个；

更优选地，在所述内腔管1和/或外腔管2上开设有用于容纳 所述密封单元的环形槽。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)根据本发明提供的用于光腔衰荡光谱技术的连续可调 长度测试腔具有控制组件，通过控制组件带动内腔管或外腔管， 使得测试腔的腔长可以灵活调节，根据测试的需要增加和缩短 腔长。

(2)根据本发明提供的用于光腔衰荡光谱技术的连续可调 长度测试腔通过调节测试腔的腔长，使得单一测试腔适用于不 同种类气体浓度的测量。

(3)根据本发明提供的用于光腔衰荡光谱技术的连续可调 长度测试腔通过调节测试腔的腔长，增加了测量的动态范围。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的用于光腔衰荡光谱 技术的连续可调长度测试腔结构示意图；

图2示出根据本发明另种优选实施方式的用于光腔衰荡光谱 技术的连续可调长度测试腔结构示意图

图3示出根据本发明另种优选实施方式的用于光腔衰荡光谱 技术的连续可调长度测试腔的密封单元结构示意图

图4示出根据本发明又种优选实施方式的用于光腔衰荡光谱 技术的连续可调长度测试腔结构示意图

图5示出根据本发明一种优选实施方式的用于光腔衰荡光谱 技术的连续可调长度测试腔的具体结构示意图。

附图标号说明：

1-内腔管

2-外腔管

3-密封单元

31-第一密封圈

32-第二密封圈

33-梯形凹槽

34-凸型压紧环

35-V型弹簧

4-执行机构

5-驱动单元

6-测量单元

7-控制单元

8-传动块

9-腔镜

10-压电陶瓷

11-殷钢柱套

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些 说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明 性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于 或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面， 但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明提供的用于光腔衰荡光谱技术的连续可调长度 测试腔，如图1中所示，该测试腔包括能够相对滑动的内腔管1 和外腔管2，所述内腔管1和外腔管2内部都具有足够的预定空 间，以便于放置其他部件，作为优选的实施方式，内腔管1和 外腔管2的外形近似，大小略有不同，内腔管一端嵌入到外腔 管中，二者可以相互滑动，达到长度可调的效果。优选地，所 述内腔管1和外腔管2都采用具有低热胀系数的殷钢材料制备， 在内腔管1和外腔管2的端面上设计置有中空的殷钢柱套11，其 中优选地，在外腔管2的殷钢柱套上镶有压电陶瓷10，用于腔 镜的微调。

在一个优选的实施方式中，所述内腔管和外腔管之间保持密 封，优选地，在内腔管和外腔管之间设置有密封单元3，以实 现内腔管和外腔管之间的密封，另外，为了内腔管和外腔管之 间滑动方便，在二者之间还放置有润滑系统和润滑材料。

在一个优选的实施方式中，如图2、3、4中所示，所述密封 单元3包括第一密封圈31和第二密封圈32，所述第一密封圈31 和第二密封圈32都呈环状，其截面都为一端开口的U型；

进一步优选地，如图2在所示，所述密封圈的U型开口内部 尺寸是不均匀的，其由内向外逐渐增大，具有一定的坡度；本 发明中所述的密封圈是指第一密封圈31和第二密封圈32。

优选地，在第一密封圈31上靠近所述内腔管1或外腔管2的外 壁上设置有梯形凹槽33，在第二密封圈32上靠近所述内腔管1 或外腔管2的外壁上设置有梯形凹槽33，所述梯形凹槽的深度 能够随着密封圈的变形大小而改变。所述密封圈是聚四氟乙烯 密封圈，即该密封圈是由聚四氟乙烯制成的，具有一定的弹性。

在一个优选的实施方式中，在第一密封圈31和第二密封圈32 的开口端内都嵌入有用于向外撑大所述U型开口的支撑部件；

优选地，在第一密封圈31的开口端内嵌入的支撑部件为凸型 压紧环34，在第二密封圈32的开口端内嵌入的支撑部件为V型 弹簧35。其中，所述凸型压紧环34不易发生形变，可以由刚性 更强的材料制成，所述凸型压紧环34的外形与密封圈的U型开 口形状相匹配，进一步地，所述凸型压紧环34可以左右移动； 具体来说，凸型压紧环34能够嵌入到所述密封圈的U型开口内， 并且可以在密封圈的U型开口被压迫时由于具有预定的坡度而 被压出一段距离，即凸型压紧环34可以在有外界压力的时候向 外伸出一段距离，同样，在外界压力的作用下，所述凸型压紧 环34也可以向内移动，即被压入到密封圈的U型开口内；

所述V型弹簧35具有较大的弹力，能够最大限度地向外支撑 所述密封圈的U型开口。

优选地，如图2中所示，所述第一密封圈31和第二密封圈32 串联布置，即第一密封圈31和第二密封圈32的开口方向一致， 都朝向右侧，且所述第一密封圈在左，第二密封圈在右。

在一个优选的实施方式中，所述密封单元3安装在内腔管1 和/或外腔管2上；优选地，所述密封单元有一个或两个或多个；

更优选地，如图4中所示，在所述内腔管1和/或外腔管2上开 设有用于容纳所述密封单元的环形槽。

根据本发明提供的密封单元使得介质压力越高，密封峰值应 力越大，实现高压密封。

在一个优选的实施方式中，在所述内腔管和/或外腔管上开 设有进气口和/或出气口，以便于调节测试腔中的气压，所述进 气口和出气口上分别连接有进气管和出气管，以便于控制腔内 的气体成分。

在一个优选的实施方式中，在内腔管和/或外腔管内设置有 用于光腔衰荡光谱技术的光学元件，所述光学元件包括腔镜等 能够用在腔管中的光学元件，以便实现光腔衰荡光谱的测量等 实验操作。优先地，如图5中所示，所述腔镜9设置在内腔管的 端部，进一步地设置在中空的殷钢柱套上，所述腔镜为具有高 反射率的平凹球面反射镜，反射率大于99.9％。

在一个优选的实施方式中，在所述内腔管和/或外腔管外部 还设置有用于控制、测量所述内腔管和/或外腔管运动的控制组 件，所述控制组件包括执行机构4、驱动单元5、测量单元6、 和控制单元7，根据被测气体的吸收谱线位置、吸收强度以及 所需的测量范围，内腔管和/或外腔管在控制组件的带动下精确 地运动至指定位置。优先地，所述执行机构4包括气浮导轨， 在该导轨两面间有气腔，当气体进入气腔后，在两导轨面之间 形成一层极薄的气模，且气模厚度基本保持恒定不变。气浮导 轨可以使腔体得到无摩擦和无振动的平滑移动，同时具有误差 均化作用，可以保证腔体之间高精度的相对运动。

进一步优选地，将内腔管或外腔管之一固定，另外一个通过 传动块8与执行机构上的滑块连接在一起，执行机构4可以采用 高精度导轨丝杠，测量单元6可以采用高精度光栅尺，驱动单 元5由步进电机配合精密减速机和压电陶瓷两部分组成可以采 用步进电机配合精密减速机，步进电机配合精密减速机用于实 现位移量粗调，压电陶瓷用于实现微位移，可以补偿和修正材 质和机理缺陷以及系统的非线性；控制单元7可以采用嵌入式 ARM微处理器；导轨丝杠的传动结构可保证内腔管1和外腔管2 运动的同轴度；高精度光栅尺可准确测量位移的长度从而计算 出调整后的测量腔长度；步进电机配合精密减速机和压电陶瓷 10相结合的驱动设计可以对位移进行细微的控制调节；嵌入式 ARM微处理器通过测量光栅尺反馈的位置数据控制步进电机 转动；作为优选的实施方式，可以使内腔管固定，控制外腔管 移动，也可以使外腔管固定，控制内腔管移动，还可以控制两 个腔管同时移动。

本发明提供的用于光腔衰荡光谱技术的连续可调长度测试 腔能够通过使用一个腔体测量多种不同的气体，这些气体的光 谱相隔很远，并且吸收强度不同，针对每种气体，浓度测量范 围可覆盖从1×10^-8到2％。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)根据本发明提供的用于光腔衰荡光谱技术的连续可调 长度测试腔具有控制组件，通过控制组件带动内腔管或外腔管， 使得测试腔的腔长可以灵活调节，根据测试的需要增加和缩短 腔长。

(2)根据本发明提供的用于光腔衰荡光谱技术的连续可调 长度测试腔通过调节测试腔的腔长，使得单一测试腔适用于不 同种类气体浓度的测量。

(3)根据本发明提供的用于光腔衰荡光谱技术的连续可调 长度测试腔通过调节测试腔的腔长，增加了测量的动态范围。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些 实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上， 可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护 范围内。