一种用于积分腔光谱技术同位素分析的温度精确控制装置。包括：有光学路径系统的一次密封和温度稳定精确控制的二次密封系统。光学路径系统安装于一次密封壳体内部，其特征在于光学路径系统内集成有激光器，DFB激光器光源，光束汇聚准直透镜组，激光光路，光学腔，激光光束汇聚透镜，InGaAs探测器，以上部件均处于氮气氛围中避免外界气体的干扰。温度稳定精确控制的二次密封系统包括二次密封壳体，铂电阻温度传感器，刚性支架，半导体制冷堆，网状热交换器，风扇，减震泡沫，以及置于二次密封壳体外的温度控制器，驱动电路模块，各种控制命令及电信号均通过电缆进行密封连接。本发明专利技术具有结构简单、操作方便、响应快速、抗震性好、温度控制精度高、稳定性好的优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种温度精确控制装置，更具体的说是一种应用于积分腔光谱技术气体同位素分析领域的温度精确控制的装置。
技术介绍
近年来稳定同位素分析在环境科学和环保领域的应用日益受到重视，尤其在大气、土壤、水质及生态环境研究中均发挥了重要作用。如应用稳定性同位素丰度变化，研究和指示环境污染源和污染程度；利用稳定同位素的示踪作用，可辨别温室气体的排放来源，分析人类活动如化石燃料燃烧、水泥生产、养殖畜牧以及农业生产对温室气体排放的贡献，不仅可以准确估算各排放源的排放总量对工厂、城市实施“节能减排”工作也具有一定的指导意义；通过测定甲烷同位素有助于了解大气中甲烷源汇的物理和化学变化机制，用于稻田、湿地等甲烷排放机理和氧化率的定量研究。此外稳定同位素分析在地质学、核工业、考古学、生态环境科学研究、生物学和化学研究、水资源开发、农业生产、食品安全、临床医学等多个学科也已得到了广泛的应用。积分腔光谱技术是通过测量透过光腔的时间积分光强，与入射光强的差值，计算待测气体浓度，这种方法更接近于传统的直接吸收光谱，更符合Beer-Lambert定律。该技术具有极高的测量频率、光谱分辨率及测量灵敏度，测量设备结构简单且结果无需复杂标定，而且可以做成小型化便携式，辅助其他物理手段同一台激光同位素分析仪可以实现对气、液、固三态样品进行分析，因此相较基于质谱技术的同位素分析仪有诸多优势。在积分腔光谱技术同位素测量分析过程中，为了使仪器系统本身发挥最大的性能除了选择独立的激光光源外，保持一个单一、恒定的温度和最小的环境振动也是必不可少的。温度调控速度是所有电学系统，激光光源，仪器尺寸，声速等在内的主要影响因素。通常情况下这些参数会随着每Kelvin的变化有10_，10_5的变化量。如果测量目标是固体或者液体，温度的变化将会造成系统较大的漂移甚至测量结果的极大不准确。当采用积分腔光谱技术测量气体同位素分析时，如=C14O2, C13O2, C12O2，温度的变化将会影响不同同位素的Boltzman分布情况，甚至加剧测量已知固定组分情况的同位素比值的不准确。并且，气体同位素真正浓度的测量和超精密光路的稳定性在很大程度上依赖于温度稳定性，否则无法获得准确的测量结果，而准确、快速且稳定的温度精确控制，也恰恰是使仪器零漂移最小的重要指标之一。因此精确的温度控制装置对于拓展积分腔光谱技术同位素分析仪的适用环境，提高检测的实效性和准确性都具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题:克服现有技术的不足，提供一种用于积分腔光谱技术同位素分析的温度精确控制装置，以解决现有的积分腔光谱技术同位素分析在测量过程中受温度影响的准确性、稳定性和零漂移问题。本专利技术的技术方案如下:一种用于积分腔光谱技术同位素分析的温度精确控制装置，其特征在于包括:光学路径系统1、一次密封壳体2、四个钼电阻温度传感器3、二次密封壳体5、两个热控装置、氮气9氛围、温度控制器10、驱动电路模块11、刚性支架13和减震泡沫14 ;所述两个热控装置分别安装于二次密封壳体5对称的壳体两端，每个热控装置由半导体制冷堆6，网状热交换器7和风扇8组成，网状热交换器7的1/3部分安装于半导体制冷堆6的内部并与半导体制冷堆6紧密无缝相连，使网状热交换器7和半导体制冷堆6之间的热量交换达到最充分的情况，风扇8安装于网状热交换器7的同一侧，安装位置应保持一致同左或同右，使风扇8作用下的热交换气流形成顺时针或者逆时针的层流4方向；光学路径系统I安装于一次密封壳体2内部，一次密封壳体2通过减震泡沫14进行热隔离和减振，然后再通过刚性支架13固定在二次密封壳体5内部；所述一次密封壳体2内部和二次密封壳体5内部均需充满氮气9氛围；四个钼电阻温度传感器3中的两个钼电阻温度传感器分别安装嵌入在一次密封壳体2的对角两端壳体内，另外两个钼电阻温度传感器分别安装在网状热交换器7远离风扇8的一端；所有的钼电阻温度传感器3均与安装于二次密封壳体5外部的温度控制器10相连，并实时获取一次密封壳体2内部和二次密封壳体5内部的温度情况；温度控制器10根据不同的钼电阻温度传感器3的反馈信息，通过PID控制输出控制安装于二次密封壳体5外部的驱动电路模块11进行温度精确控制工作，当温度控制器3的PID控制发出温度控制命令时，驱动电路模块11开始正常工作，驱动半导体制冷堆6进行加热或者制冷控制，并启动风扇8加速热量循环，极大的缩短了温度控制的时间和提高了热交换的效率，从而保证温度的稳定性，且驱动电路模块11在运行过程中实时根据接收到的温度控制器10指令实时循环控制直至达到指定温度；同时在工作过程中实时处理温度变化情况，进行循环控制直至达到指定温度。所述的光学路径系统I包括DFB激光器301、光束汇聚准直透镜组302、准直光束303、光学腔304、激光光束汇聚透镜306、InGaAs探测器307。DFB激光器301受到安装于一次密封壳体2和二次密封壳体5外部的激光器驱动源308驱动产生调制激光，激光光束经过光束汇聚准直透镜组302形成(光斑直径< Imm)准直光束303，准直光束303经过光学腔304内部的待测气体305吸收以后，经过激光光束汇聚透镜306汇聚到InGaAs探测器307的光敏面上，其汇聚光斑大小< 1mm2。然后经过光电转后的信号通过电缆12送入安装于一次密封壳体2和二次密封壳体5外部的信号后续处理单兀309进行后续的信号处理和气体同位素丰度的反演 ，该系统所有部件均处于氮气9氛围。所述的激光器驱动源308安装于一次密封壳体2和二次密封壳体5外部，包括 激光器驱动的温度控制器、电流控制器和产生三角波扫描信号、正弦波调制信号的信号发生器单元；温度控制器、电流控制器驱动DFB激光器(301)正常工作，信号发生器单元使DFB激光器301产生调制激光。所述的DFB激光器301为可调谐半导体激光器。所述后续处理单兀309安装于一次密封壳体2和二次密封壳体5外部,包括:光电信号放大电路，锁相放大器，数据采集卡和计算机；InGaAs探测器308的输出信号送入光电信号放大电路，经过放大电路放大以后的信号送入锁相放大器进行解调获得相应的谐波信号，谐波信号通过安装于计算机内部的数据采集卡进行采集然后进行后续的信号处理和气体同位素丰度的反演。所述的光学腔304为离轴积分腔，腔体侧面连接进出气口，同时使入射到腔内的激光光束303来回多次反射，极大地增加测量气体的吸收光程长度，从而提高检测气体的灵敏度。所述PID控制采用为模糊自适应PID控制算法，工作内容有温度设定、数据采集、PID控制输出，通过比较实时温度、设定温度之间的差异，通过PID输出控制半导体制冷堆6制冷或制热，使光学路径系统I在某一温度保持稳定。所述系统所有供电电源均采用DC-24V供电。本专利技术与现有技术相比的优点在于:(I)现行的积分腔光谱同位素分析技术测量普遍的要求是具有高灵敏度、高精度，且装置本身应该坚固、便携、应用范围广。例如，当仪器暴露在某些外界环境温度变化频繁，存在震动的环境中，积分腔光谱同位素分析的温度精确控制装置就必须不受热环境和震动环境的干扰，保持高度的稳定性和精确性，而本专利技术解决了现有的积分腔光谱技术同位素分析在测量过程中的温度稳定性问本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于积分腔光谱技术同位素分析的温度精确控制装置，其特征在于包括：光学路径系统（1）、一次密封壳体（2）、四个铂电阻温度传感器（3）、二次密封壳体（5）、两个热控装置、氮气（9）氛围、温度控制器（10）、驱动电路模块（11）、刚性支架（13）和减震泡沫（14）；所述两个热控装置分别安装于二次密封壳体（5）对称的壳体两端，每个热控装置由半导体制冷堆（6），网状热交换器（7）和风扇（8）组成，网状热交换器（7）的1/3部分安装于半导体制冷堆（6）的内部并与半导体制冷堆（6）紧密无缝相连，使网状热交换器（7）和半导体制冷堆（6）之间的热量交换达到最充分的情况，风扇（8）安装于网状热交换器（7）的同一侧，安装位置应保持一致同左或同右，使风扇（8）作用下的热交换气流形成顺时针或者逆时针的层流（4）方向；光学路径系统（1）安装于一次密封壳体（2）内部，一次密封壳体（2）通过减震泡沫（14）进行热隔离和减振，然后再通过刚性支架（13）固定在二次密封壳体（5）内部；所述一次密封壳体（2）内部和二次密封壳体（5）内部均需充满氮气（9）氛围；四个铂电阻温度传感器（3）中的两个铂电阻温度传感器分别安装嵌入在一次密封壳体（2）的对角两端壳体内，另外两个铂电阻温度传感器分别安装在网状热交换器（7）远离风扇（8）的一端；所有的铂电阻温度传感器（3）均与安装于二次密封壳体（5）外部的温度控制器（10）相连，并实时获取一次密封壳体（2）内部和二次密封壳体（5）内部的温度情况；温度控制器（10）根据不同的铂电阻温度传感器（3）的反馈信息，通过PID控制输出控制安装于二次密封壳体（5）外部的驱动电路模块（11）进行温度精确控制工作，当温度控制器（3）的PID控制发出温度控制命令时，驱动电路模块（11）开始正常工作，驱动半导体制冷堆（6）进行加热或者制冷控制，并启动风扇（8）加速热量循环，极大的缩短了温度控制的时间和提高了热交换的效率，从而保证温度的稳定性，且驱动电路模块（11）在运行过程中实时根据接收到的温度控制器（10）指令实时循环控制直至达到指定温度；同时在工作过程中实时处理温度变化情况，进行循环控制直至达到指定温度。...
【技术特征摘要】
1.一种用于积分腔光谱技术同位素分析的温度精确控制装置，其特征在于包括:光学路径系统(I)、一次密封壳体(2)、四个钼电阻温度传感器(3)、二次密封壳体(5)、两个热控装置、氮气(9)氛围、温度控制器(10)、驱动电路模块(11)、刚性支架(13)和减震泡沫(14);所述两个热控装置分别安装于二次密封壳体(5)对称的壳体两端，每个热控装置由半导体制冷堆(6)，网状热交换器(7)和风扇(8)组成，网状热交换器(7)的1/3部分安装于半导体制冷堆(6)的内部并与半导体制冷堆(6)紧密无缝相连，使网状热交换器(7)和半导体制冷堆(6)之间的热量交换达到最充分的情况，风扇(8)安装于网状热交换器(7)的同一侧，安装位置应保持一致同左或同右，使风扇(8)作用下的热交换气流形成顺时针或者逆时针的层流(4)方向；光学路径系统(I)安装于一次密封壳体(2)内部，一次密封壳体(2)通过减震泡沫(14)进行热隔离和减振，然后再通过刚性支架(13)固定在二次密封壳体(5)内部；所述一次密封壳体(2)内部和二次密封壳体(5)内部均需充满氮气(9)氛围；四个钼电阻温度传感器(3)中的两个钼电阻温度传感器分别安装嵌入在一次密封壳体(2)的对角两端壳体内，另外两个钼电阻温度传感器分别安装在网状热交换器(7)远离风扇(8)的一端；所有的钼电阻温度传感器(3)均与安装于二次密封壳体(5)外部的温度控制器(10)相连，并实时获取一次密封壳体(2)内部和二次密封壳体(5)内部的温度情况；温度控制器(10)根据不同的钼电阻温度传感器(3)的反馈信息，通过PID控制输出控制安装于二次密封壳体(5)外部的驱动电路模块(11)进行温度精确控制工作，当温度控制器(3)的PID控制发出温度控制命令时，驱动电路模块(11)开始正常工作，驱动半导体制冷堆(6)进行加热或者制冷控制，并启动风扇(8)加速热量循环，极大的缩短了温度控制的时间和提高了热交换的效率，从而保证温度的稳定性，且驱动电路模块(11)在运行过程中实时根据接收到的温度控制器(10)指令实时循环控制直至达到指定温度；同时在工作过程中实时处理温度变化情况，进行循环控制直至达到指定温度。2.根据权利要求1所述的用于积分腔光谱技术同位素分析的温度精确控制装置，其特征在于:所述的光学路径系统(I)包括DFB激光器(301)、光束汇聚准直透镜组(302)、准直光束(303)、光学腔(304)、激光光束汇聚透镜(306)、InGaAs探测器(307) ;DFB激光器(301)受到安装于一次密封 壳...
【专利技术属性】
技术研发人员：张志荣，董凤忠，夏滑，庞涛，吴边，王高璇，崔小娟，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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