專利名稱：一種光學(xué)多通道分析設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)分析測量儀器領(lǐng)域，特別是一種用于多通道測量的光學(xué)分析設(shè)備。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有光學(xué)分析測量儀器的光路系統(tǒng)的設(shè)計比較傳統(tǒng)，為了拍攝參考光和樣品光的對比，基本都是用雙光路結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是采用精密的步進(jìn)電機(jī)來轉(zhuǎn)動透射孔和反射鏡，以達(dá)到分別測量參考光和樣品光光強(qiáng)的目的。但是由于步進(jìn)電機(jī)自身存在的回程誤差，所以無法將透射孔和反射鏡轉(zhuǎn)動到與光線相應(yīng)的位置。為此很多廠家都不惜成本的提高步進(jìn)馬達(dá)的精度，減少回程差，這不僅大大的增加了儀器的制造成本，而且還無法完全克服這種誤差的存在。
目前所有的光學(xué)分析測量儀器，包括最先進(jìn)得測量儀器，都只是單次測量，如日本島津高精度分光光度計和美國EG&GPARC公司的OMA等設(shè)備。不能自動多次測量，更不能進(jìn)行相應(yīng)的誤差分析，而對于科學(xué)試驗或監(jiān)測來說，多次測量是不可缺少的環(huán)節(jié)。由于試驗或監(jiān)測的環(huán)境條件不能夠絕對的理想化，如電壓絕對穩(wěn)定、無干擾等等，所以測量的結(jié)果必然與真實值有一定的誤差，甚至出現(xiàn)偏差很大的結(jié)果，所以為了減少誤差，現(xiàn)有的很多先進(jìn)設(shè)備對機(jī)器的制造和使用的要求非常高，導(dǎo)致了成本的提高?，F(xiàn)有的光學(xué)分析測量儀器還存在一個缺點就是功能單一，只能完成測量和收集數(shù)據(jù)等簡單的工作，無法對收集的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析，科研人員只能在測量的結(jié)果上再做進(jìn)一步的分析計算，才能得出最終的目標(biāo)數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種克服現(xiàn)有技術(shù)中不足的多通道光學(xué)分析設(shè)備，本發(fā)明采用不同于現(xiàn)有技術(shù)的光路設(shè)計，可以完全避免步進(jìn)電機(jī)的回程誤差。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種可以進(jìn)行多次測量和誤差計算的多通道光學(xué)分析設(shè)備。
本發(fā)明還有一個目的是提供一種可以測量絕對吸光系數(shù)的多通道光學(xué)分析設(shè)備。
本發(fā)明提供了一種多通道光學(xué)分析設(shè)備，包括光譜測量儀和計算分析儀，光譜測量儀包括光源、待測樣品座、光柵和多通道光學(xué)探測器，光譜測量儀通過多通道光學(xué)探測器與計算分析儀連接；所述光源、待測樣品座和光柵依次放置于同一直線上，光線由光源經(jīng)待測樣品座后在光柵上衍射至多通道光學(xué)探測器形成光路，衍射后的光線由多通道光學(xué)探測器接收并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送到計算分析儀。本發(fā)明采用上述的全新的光路設(shè)計，只要各個構(gòu)件的選用和位置確定，那么光線通過的距離和光強(qiáng)就是一個絕對確定的數(shù)值，使得機(jī)械運動的誤差不會對測量的結(jié)果產(chǎn)生影響，或者是產(chǎn)生誤測的結(jié)果。本發(fā)明采用的光源是白色光源，多通道光學(xué)探測器的探測頭是可以感應(yīng)多通道光強(qiáng)的CCD傳感器，計算分析儀可以是一部計算機(jī)或是專門制作的具有中心數(shù)據(jù)處理功能的計算分析設(shè)備，如單片機(jī)等。
本發(fā)明的待測樣品座可以通過多種方式來驅(qū)動，如機(jī)械驅(qū)動或電磁驅(qū)動等。采用機(jī)械驅(qū)動方式時，所述的待測樣品座包括動力傳動設(shè)備和若干樣品池，動力傳動設(shè)備用于驅(qū)動樣品池交替位于光路上。樣品池可以采用高精密度的石英皿或其他容器，用于盛裝待測樣品和參考樣品的溶液，也可以是高精度的固定機(jī)構(gòu)，用于固定固體的待測樣品。
為了簡化本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明在待測樣品座上一般只設(shè)有兩個樣品池。一個用于盛裝或固定待測樣品，一個用于盛裝或固定參考樣品，由此待測樣品和參考樣品便可以在動力傳動設(shè)備的驅(qū)動下交替位于光路上。動力傳動設(shè)備的運作完全可以由電腦或其他控制儀器控制，無需人工干預(yù)，所以使得本發(fā)明更具有可操控性。
本發(fā)明是針對白色光的多通道光學(xué)分析設(shè)備，由于白色光的方向性較差，所以為了使白色光具有一定的方向性，便于測量，本發(fā)明在光源與待測樣品座之間、待測樣品座與光柵之間或光柵與多通道光學(xué)探測器之間中的一個或多個位置設(shè)置有用于調(diào)整光線入射角度的透鏡，一般采用凸透鏡。比如在光源與待測樣品座之間設(shè)有兩個透鏡，均為凸透鏡。調(diào)節(jié)透鏡的適當(dāng)位置，可以使光線的在通過第一個透鏡后形成平行光，在通過第二個透鏡后聚焦在樣品池的運動路線的軸線上。再如為了使衍射后的光線能夠較為集中的透射在多通道光學(xué)探測器上，可以在光柵與多通道光學(xué)探測器之間設(shè)一個透鏡。
所述計算分析儀主要包括用于數(shù)據(jù)計算和處理的中心處理器和用于顯示和輸出結(jié)果的顯示設(shè)備。多通道光學(xué)探測器可以將其探測頭感應(yīng)到的光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后傳送到計算分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，中心處理器對接受的數(shù)字信號進(jìn)行計算處理，并將最終的結(jié)果通過顯示設(shè)備顯示出來。
由于本發(fā)明光路的特點，避免了測量過程中電機(jī)的回程誤差對測量結(jié)果精度影響，提高了多次測量的可靠性，使得采用均值誤差計算來降低測量誤差成為可能。所以本發(fā)明可以設(shè)有用于控制測量次數(shù)和驅(qū)動動力傳動設(shè)備運作的測量控制器，測量控制器的控制端與動力傳動設(shè)備聯(lián)接。測量控制器可以用于控制動力傳動設(shè)備的運行，從而實現(xiàn)對樣品池運動的控制，可以人為的控制多個樣品池在垂直于光路的方向上交替和多次的測量，或控制某個特定的樣品池進(jìn)行多次測量。多通道光學(xué)探測器可以將多次測量的結(jié)果傳送到計算分析儀并由中心處理器進(jìn)行誤差計算，從而提高了測量的精度。
由于樣品池測量的可控制性，所以本發(fā)明還可以在計算分析儀上設(shè)有絕對吸光系數(shù)計算器。絕對吸光系數(shù)計算器可以通過對同一種物質(zhì)的不同濃度溶液的測量，通過以下原理計算出此物質(zhì)的絕對吸光系數(shù)朗伯—比爾定律是光吸收的基本定律，此定律揭示了當(dāng)一束光穿過透明介質(zhì)時，光強(qiáng)度的降低，同入射光的強(qiáng)度、吸收介質(zhì)的厚度、光路中吸光微粒的數(shù)目成正比。
用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為II0=e-abc]]>或者lnII0=abc.]]>這里的I0是指入射光的強(qiáng)度；I是透射光的強(qiáng)度；a是吸光吸數(shù)；b是光通過透明介質(zhì)的距離；c是指被測物質(zhì)的濃度。
由此可見絕對吸光系數(shù)a=lnII0bc.]]>由于I0、b、c是已知系數(shù)，因此只要測得透射光的強(qiáng)度I便可以計算出a。
本發(fā)明所述的計算分析儀也可以為通用的計算機(jī)，測量控制器和絕對吸光系數(shù)計算器為計算機(jī)中的計算模塊，也可以是專門制作的控制裝置，如各種單片機(jī)等。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下突出的實質(zhì)性特點和顯著的進(jìn)步1.采用全新的光路設(shè)計，使得機(jī)械運動的誤差不會對測量的結(jié)果產(chǎn)生影響，或者是產(chǎn)生誤測的結(jié)果；2.設(shè)有用于提高測量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的測量控制器，方便了測量的人工控制，減少了測量的誤差，符合新一代科學(xué)測量儀器的標(biāo)準(zhǔn)；3.設(shè)有絕對吸光系數(shù)計算器，進(jìn)一步提高測量儀器的應(yīng)用能力，能夠直接給出所測量物質(zhì)的絕對吸光系數(shù)，簡化了科學(xué)測量的過程，提高了產(chǎn)品的易用性；4.結(jié)構(gòu)簡單，且在同等測量精度的條件下對設(shè)備加工制造工藝要求較現(xiàn)有通用儀器低，所以克服了現(xiàn)有商用儀器價格昂貴的特點，降低了生產(chǎn)制造成本，提高了市場競爭力。
說明書附1為現(xiàn)有技術(shù)中測量設(shè)備采用的光路結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的工作流程圖；圖4為實施例中測量透過率的相對誤差分布圖；圖5A為本發(fā)明進(jìn)行定標(biāo)時拍攝的參考樣品光譜圖像；圖5B為本發(fā)明進(jìn)行定標(biāo)時拍攝的待測樣品光譜圖像；圖6為圖5的標(biāo)準(zhǔn)分立光譜圖像的強(qiáng)度-位置關(guān)系圖；圖7顯示的是圖6擬合后的波長-位置的關(guān)系；圖8顯示的是圖6擬合后的波長-強(qiáng)度的關(guān)系；圖9為本發(fā)明實施例1進(jìn)行測量發(fā)射譜時拍攝的光譜圖像；

圖10為圖9的波長-強(qiáng)度的關(guān)系；圖11為本發(fā)明實施例2進(jìn)行測量吸收譜時不同濃度液體透過率的分布；圖12是圖11對應(yīng)的吸光度的分布圖；圖13是本發(fā)明測量結(jié)果與現(xiàn)有高精度測量儀器的結(jié)果比較圖；圖14是本發(fā)明測量絕對吸光系數(shù)的結(jié)果圖；圖15為圖14的平均值與現(xiàn)有高精度測量儀器的計算結(jié)果比較圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
現(xiàn)有光學(xué)分析測量儀器的光路系統(tǒng)的設(shè)計比較偏傳統(tǒng)，為了拍攝參考光和樣品光的對比，基本都是用雙光路結(jié)構(gòu)，如圖1現(xiàn)有技術(shù)光路圖所示，這樣對設(shè)備的加工和制造工藝的要求相對更高了。而且大多數(shù)儀器，特別是分光光度計一類產(chǎn)品，要不是轉(zhuǎn)動反射鏡A1和光柵A2，就是轉(zhuǎn)動探測頭來實現(xiàn)對光譜的掃描，這樣很難完全避免步進(jìn)馬達(dá)的回程差，從而影響了反射鏡A1或光柵A2的反射或透射的光強(qiáng)，由此造成的誤差在很大程度上影響了結(jié)果，為此很多廠家都不惜成本的提高步進(jìn)馬達(dá)的精度，減少回程差。
本發(fā)明的目的在于提供一種可以避免電機(jī)的回程誤差對測量結(jié)果產(chǎn)生影響的多通道光學(xué)分析設(shè)備，且同時具備均值誤差計算和絕對吸光系數(shù)計算的功能。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括光譜測量儀1和計算分析儀2，其特征是光譜測量儀1包括光源11、待測樣品座12、光柵13和多通道光學(xué)探測器14，光譜測量儀1通過多通道光學(xué)探測器14與計算分析儀2連接；所述光源11、待測樣品座12和光柵13依次放置于同一直線上，光線由光源11經(jīng)待測樣品座12后在光柵13上衍射至多通道光學(xué)探測器14形成光路，衍射后的光線由多通道光學(xué)探測器14接收并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送到計算分析儀2。待測樣品座12包括動力傳動設(shè)備121和兩個樣品池122，動力傳動設(shè)備121用于驅(qū)動樣品池122交替位于光路上。光源11與待測樣品座12之間設(shè)有兩個透鏡15，光柵13與多通道光學(xué)探測器14之間設(shè)有一個透鏡15。計算分析儀2包括用于數(shù)據(jù)計算和處理的中心處理器21和用于顯示和輸出結(jié)果的顯示設(shè)備22。還包括用于控制測量次數(shù)和驅(qū)動動力傳動設(shè)備121運作的測量控制器23和絕對吸光系數(shù)計算器24，測量控制器23的控制端與動力傳動設(shè)備121聯(lián)接。本設(shè)備的各項參數(shù)為CCD探測器15的感光窗口大小為1/3’，感應(yīng)分辨率為510*492像素；光柵14的參數(shù)刻痕密度600線/毫米，曲率半徑1200mm；光譜測量范圍380nm～670nm；分辨率為汞譜線576nm和578nm清晰可辨；最小可分辨的波長間隔為0.67nm；測量誤差強(qiáng)度相對誤差＜0.02％，透過率、吸收率相對誤差＜0.04％，吸光度相對誤差＜4％。
由于本發(fā)明在測量過程中動力傳動設(shè)備121的回程誤差會對測量的結(jié)果構(gòu)成影響，可以保證在同一運行環(huán)境中進(jìn)行重復(fù)的多次測量，所以本設(shè)備最大的優(yōu)點是克服了現(xiàn)有的商用光譜儀起都不具有多次測量求平均和誤差分析的不足。圖4是我們的誤差分析模塊的界面圖。從上可以看到，測量中，對每個圖像拍攝了五次，求出的強(qiáng)度的最大相對誤差為0.01％，透過率和吸收率的最大相對誤差為0.02％，而顯示的曲線是選取的透過率的相對誤差分布情況。
本發(fā)明的工作流程如圖3所示，首先進(jìn)行設(shè)備的初始化，如動力傳動設(shè)備121的復(fù)位，樣品池122的定位，計數(shù)器的清零等等。然后選擇采用人工的單步測量或者是采用多次誤差測量，如果是采用多次誤差測量則設(shè)定測量的次數(shù)，在此測量采樣數(shù)設(shè)定為5次。進(jìn)一步判斷是否進(jìn)行定標(biāo)，無需定標(biāo)的直接接入測量程序。選擇進(jìn)行定標(biāo)則拍攝標(biāo)準(zhǔn)分立光譜圖像，如圖5A和圖5B所示，并顯示出強(qiáng)度分布，如圖6所示，但此時我們得到的只是強(qiáng)度關(guān)于空間的分布，我們要得到強(qiáng)度關(guān)于波長的分布，才可以繼續(xù)更精確的測量。進(jìn)一步進(jìn)行定標(biāo)和擬合，圖7顯示的是擬合后的波長-位置關(guān)系，并且顯示擬合誤差大小，比如這里的是最大誤差為0.21nm，而方差和約為0.1088nm2，圖8顯示的是波長-強(qiáng)度的關(guān)系，有了圖8便可以進(jìn)一步的拍攝其他圖像并進(jìn)行分析了。分別調(diào)用測量參考物圖像模塊和測量待測物圖像模塊對盛裝待測樣品和參考樣品的樣品池122進(jìn)行5次測量，待測樣品和參考樣品在動力傳動設(shè)備121的帶動下垂直于光路做往復(fù)運動進(jìn)行測量，并進(jìn)行誤差運算，最后繪出所測圖像波長-強(qiáng)度關(guān)系圖。
以下分別以本設(shè)備拍攝發(fā)射譜和吸收譜的例子進(jìn)行說明。
實施例1拍攝發(fā)射譜所采用的光源為藍(lán)光LED，如圖9所示，可以得出光源是以468.4nm為中心的一個范圍內(nèi)的光譜，它的半高寬為59.4nm。
實施例2拍攝吸收譜中采用幾種不同濃度的高錳酸鉀溶液作為介質(zhì)，濃度分別為6.33×10-4mol/L、5.38×10-4mol/L、4.75×10-4mol/L、4.43×10-4mol/L、3.80×10-4mol/L和3.16×10-4mol/L。圖11是他們的透過率的比較，圖12是對應(yīng)的吸光度的比較，從上可以看出它們是符合比爾定律的。圖13是選擇其中4.43×10-4mol/L的溶液，本發(fā)明測量的結(jié)果和用日本島津UV-3101PC高精度分光光度計的測量結(jié)果的比較，從上可以看到，本設(shè)備準(zhǔn)確性是相當(dāng)好的。這幾個圖表都是5次測量后進(jìn)行誤差計算的結(jié)果，這也是現(xiàn)有技術(shù)的測量設(shè)備不具有的功能。而圖14反映的是另一個本系統(tǒng)所特有的功能能直接測量物質(zhì)的絕對吸光吸數(shù)，從圖上可以看出，除了其中的一條曲線在峰值處有點偏差外，其它的都是非常地一致的。而15圖是圖14平均值曲線與島津分光光度計的結(jié)果，島津分光光度計不能測量絕對吸光吸數(shù)，這里是處理后的結(jié)果的比較。
權(quán)利要求
1.一種多通道光學(xué)分析設(shè)備，包括光譜測量儀(1)和計算分析儀(2)，其特征是光譜測量儀(1)包括光源(11)、待測樣品座(12)、光柵(13)和多通道光學(xué)探測器(14)，光譜測量儀(1)通過多通道光學(xué)探測器(14)與計算分析儀(2)連接；所述光源(11)、待測樣品座(12)和光柵(13)依次放置于同一直線上，光線由光源(11)經(jīng)待測樣品座(12)后在光柵(13)上衍射至多通道光學(xué)探測器(14)形成光路，衍射后的光線由多通道光學(xué)探測器(14)接收并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送到計算分析儀(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道光學(xué)分析設(shè)備，其特征是待測樣品座(12)包括動力傳動設(shè)備(121)和若干樣品池(122)，動力傳動設(shè)備(121)用于驅(qū)動樣品池(122)交替位于光路上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多通道光學(xué)分析設(shè)備，其特征是待測樣品座(12)上設(shè)有兩個樣品池(122)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道光學(xué)分析設(shè)備，其特征是在光源(11)與待測樣品座(12)之間、待測樣品座(12)與光柵(13)之間或光柵(13)與多通道光學(xué)探測器(14)之間中的一個或多個位置設(shè)置有用于調(diào)整光線入射角度的透鏡(15)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多通道光學(xué)分析設(shè)備，其特征是光源(11)與待測樣品座(12)之間設(shè)有兩個透鏡(15)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多通道光學(xué)分析設(shè)備，其特征是光柵(13)與多通道光學(xué)探測器(14)之間設(shè)有一個透鏡(15)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5或6所述的多通道光學(xué)分析設(shè)備，其特征是所述計算分析儀(2)包括用于數(shù)據(jù)計算和處理的中心處理器(21)；和用于顯示和輸出結(jié)果的顯示設(shè)備(22)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多通道光學(xué)分析設(shè)備，其特征是所述計算分析儀(2)還包括用于控制測量次數(shù)和驅(qū)動動力傳動設(shè)備(121)運作的測量控制器(23)，測量控制器(23)的控制端與動力傳動設(shè)備(121)聯(lián)接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多通道光學(xué)分析設(shè)備，其特征是所述計算分析儀(2)還設(shè)有絕對吸光系數(shù)計算器(24)。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學(xué)分析測量儀器領(lǐng)域，提供了一種多通道光學(xué)分析設(shè)備，包括光譜測量儀和計算分析儀，光譜測量儀包括光源、待測樣品座、光柵和多通道光學(xué)探測器，光譜測量儀通過多通道光學(xué)探測器與計算分析儀連接；所述光源、待測樣品座和光柵依次放置于同一直線上，光線由光源經(jīng)待測樣品座后在光柵上衍射至多通道光學(xué)探測器形成光路，衍射后的光線由多通道光學(xué)探測器接收并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送到計算分析儀。其目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中不足的多通道光學(xué)分析設(shè)備，本發(fā)明采用不同于現(xiàn)有技術(shù)的光路設(shè)計，可以完全避免步進(jìn)電機(jī)的回程誤差。
文檔編號G01N21/31GK1873393SQ200510101270
公開日2006年12月6日 申請日期2005年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月17日
發(fā)明者王勇 申請人:王勇