用于光谱法气体检测的机械调谐式柔性光栅分光装置制造方法及图纸

一种用于光谱法气体检测的机械调谐式柔性光栅分光装置，包括：活动平台和通过弹性件与之相连的柔性光栅，其中：活动平台与丝杆滑台及步进电机相连以实现位移驱动，柔性光栅的两侧分别设有光学出光端口和光学探测端口

【技术实现步骤摘要】
用于光谱法气体检测的机械调谐式柔性光栅分光装置


[0001]本专利技术涉及的是一种气体检测领域的技术，具体是一种用于光谱法气体检测的机械调谐式柔性光栅分光装置
。

技术介绍

[0002]现有的使用光谱法进行气体检测的装置通常使用可调谐激光光源作为检测光，或是使用传感器阵列对于光刻硬质光栅分出的光谱进行分别测量
。
然而，无论是使用可调谐激光光源，还是使用光刻硬质光栅分光，均对于光电调制器要求高，数据处理几乎无法进行
。
由于光栅衍射光成分复杂，含有多个不同衍射纹
、
每个衍射纹中同时含有多个波段，事实上无法单纯使用光电调制器得到气体的吸收光谱；同时现有基于光响应的近红外光激励薄膜结构力学线性度差，力学模型构建困难，无法得到坐标准确的吸收光谱
。
由于在近红外光驱动下，事实上光栅发生的是不线性
、
且也不可随时暂停的形变，对于波长的连续变化控制还处在非线性
、
不可时停的阶段，距离气体检测的具体应用还有较大差距
。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于光谱法气体检测的机械调谐式柔性光栅分光装置，通过刚度较低的微型弹簧拉伸强度较高的转印柔性光栅，实现使用机械方法完成对于光的调谐采用机械调谐方法完成对于光栅的调谐，进而实现气体检测的功能，结构简单便捷，且价格低廉
。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术涉及一种机械调谐式柔性光栅分光装置，包括：活动平台和通过弹性件与之相连的柔性光栅，其中：活动平台与丝杆滑台及步进电机相连以实现位移驱动，柔性光栅的两侧分别设有光学出光端口和光学探测端口
。
[0006]所述的步进电机，优选带有伺服系统的可控角度步进电机
。
[0007]所述的丝杆滑台，优选螺距较小
、
阻力较小的丝杆滑台，传动比尽量小的丝杆滑台为佳
。
[0008]所述的活动平台，优选使用铝合金
、
不锈钢等具有一定刚度的材料，通过直线运动模块限定其运动方向为光栅拉伸方向，直线运动模块可以为滑轨滑块
、
光轴与直线轴承等
。
[0009]所述的弹性件采用微型弹簧或厚度较薄的
PDMS、TPU、
水凝胶等柔性材料制成的薄片
。
[0010]所述的柔性光栅，优选使用通过转印法得到的
PDMS、TPU
等柔性材质光栅，也可使用其他方法制成的
、
在拉伸下能够改变其光栅常数的柔性光栅
。
[0011]所述的光学出光端口，优选使用宽频激光出口，也可使用经过准直的宽频平行光，光路需垂直入射光栅，并可以在探测器端得到相互分离的衍射条纹
。
[0012]所述的光学探测端口，优选使用高灵敏度光电探头，也可使用透镜耦合内光纤内，再接入光电探测器测量
。
[0013]本专利技术涉及一种基于上述装置的气体检测方法，通过启动步进电机带动活动平台3，在垂直方向上进行上下扫频运动，得到无物质吸收条件下的原始光信号；在运动参数不改变的情况下，在光线入射柔性光栅前通过一段待测气体，通过光栅的周期调谐，接收到的各个波段的光信号的不同的变化率，通过两端曲线计算变化率实现对于气体浓度的检测
。
附图说明
[0014]图1‑
图3为本专利技术示意图；
[0015]图4为实施例扫频过程中对于有无待测量气体时的时域扫频图；
[0016]图5为实施例不同浓度气体下对于扫频结果进行处理后的吸收谱图；
[0017]图6为实施例同一浓度碘蒸汽在冷却不同时间后的吸收谱图；
[0018]图中：1步进电机
、2
丝杆滑台
、3
活动平台
、4
微型弹簧
、5
柔性光栅
、6
光学出光端口
、7
光学探测端口
。
具体实施方式
[0019]如图1所示，为本实施例涉及一种机械调谐式柔性光栅分光装置，包括：活动平台3和通过微型弹簧4与之相连的柔性光栅5，其中：活动平台3与丝杆滑台2及步进电机1相连以实现位移驱动，柔性光栅5的两侧分别设有光学出光端口6和光学探测端口
7。
[0020]所述的柔性光栅
5、
光学出光端口
6、
光学探测端口7设置于同一竖直面内，光学出光端口6的出射光线垂直入射到柔性光栅5上，并通过衍射为相互分离的多级衍射纹
、
光学探测端口7设置于一级或一级以上的衍射纹区域，以探测衍射出的某一衍射角上的波长
。
[0021]所述的柔性光栅5通过一对使用
M3
螺丝及防松螺母夹紧的夹板固定，该夹板的下端与机座固连，上端通过一对微型弹簧4与活动平台3固连
。
[0022]所述的活动平台3，通过四组法兰直线轴承及镀铬光轴组成直线运动模组，当步进电机1驱动丝杆滑台2转动时，带动活动平台3上下运动，进而完成对于柔性光栅5的可控调谐
。
[0023]所述的柔性光栅5采用对于传统矩形光栅上使用
PMDS
倒模转印的方法，所制备得到的光栅价格低廉，且具有9倍的良好拉伸率，有一定抗冲击
、
抗碰撞的能力
。
所得到光栅的光栅常数为
10
μ
m
，在使用平行光衍射后能够产生互不交叠的光斑
。
[0024]所述的微型弹簧采用
PDMS
压制成的厚度为
100
μ
m
，宽
8mm
，长
8cm
的薄片构成
。
在拉伸时
PDMS
薄片能够产生较大的形变，提高机械调谐的精度
。
[0025]本实施例涉及一种基于上述装置的气体检测方法，通过启动步进电机1带动活动平台3，在垂直方向上进行上下扫频运动，得到如图4中浅色曲线所示的光强变化图，为一周期波形，在运动的同时通过光电探测器所接收到的光强随衍射到探测器上光强波长的变化而变化，该过程测量到的光信号即为无物质吸收条件下的原始光信号
。
[0026]在运动参数不改变的情况下，在光线入射柔性光栅5前通过一段待测气体，通过光栅的周期调谐得到如图4中深色曲线所示的光强变化，由于待测气体对于不同波段的光有不同的吸收率，因此所接收到的各个波段的光信号的变化率是不同的，通过两端曲线计算变化率，即可以完成对于气体浓度的检测
。
[0027]经过具体实际实验，以碘蒸汽来作为待测气体，令光线通过不同浓度的气体，所得
到的结果如图5所示：在相同的扫频条件下，碘蒸汽在所调频范围的宽带光源成分较弱的波段内表现出较强的吸收，在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于光谱法气体检测的机械调谐式柔性光栅分光装置，其特征在于，包括：活动平台和通过弹性件与之相连的柔性光栅，其中：活动平台与丝杆滑台及步进电机相连以实现位移驱动，柔性光栅的两侧分别设有光学出光端口和光学探测端口
。2.
根据权利要求1所述的用于光谱法气体检测的机械调谐式柔性光栅分光装置，其特征是，所述的步进电机，带有伺服系统的可控角度步进电机
。3.
根据权利要求1所述的用于光谱法气体检测的机械调谐式柔性光栅分光装置，其特征是，所述的活动平台，通过直线运动模块限定其运动方向为光栅拉伸方向，其中：直线运动模块为滑轨滑块或光轴与直线轴承
。4.
根据权利要求1所述的用于光谱法气体检测的机械调谐式柔性光栅分光装置，其特征是，所述的弹性件采用微型弹簧或厚度较薄的
PDMS、TPU、
水凝胶制成的薄片
。5.
根据权利要求1所述的用于光谱法气体检测的机械调谐式柔性光栅分光装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵天予，胡开明，张文明，李修璇，董芷淇，周峻峰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：