專利名稱：一種腔增強式空氣中重金屬含量檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光學技術領域，涉及一種檢測空氣中重金屬含量的裝置，特別是一種腔增強式空氣中重金屬含量檢測裝置，主要環(huán)境監(jiān)測、節(jié)能減排、工業(yè)過程控制等領域中的空氣中懸浮重金屬的含量檢測。
背景技術：
重金屬一般指原子密度大于或等于5X 10_3kg/m3的金屬元素，如汞、鉛、鎘、鉻、金、 銀、銅等，約有45種。有毒重金屬是指某些重金屬通過食物進入人體，干擾人體正常生理功能，危害人體健康。這類重金屬主要有汞、鉻、鎘、鉛、鋅、錫等。例如，鉛是人體非必需的物質，而且很容易在人體內富集，而不易排出。重金屬污染是“十一五”凸顯的重大環(huán)境問題， 《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》得到國務院批復，成為第一個“十二五”國家規(guī)劃。重金屬含量檢測需求廣泛存在于環(huán)境監(jiān)測、節(jié)能減排、工業(yè)過程控制等領域中。在先技術中，對重金屬的檢測方法主要有原子吸收光譜法、原子發(fā)射光譜法和原子熒光光譜法。原子吸收光譜法具有靈敏度高、選擇性好、穩(wěn)定性好等特點，但是受化學干擾嚴重，重復性和準確性差，要做樣品的預先處理，測試完成后要除去殘留物質。原子發(fā)射光譜法，具有分析速度快、重復性好、可同時檢測多種元素等優(yōu)點，但同樣易受化學干擾，一般多用于固體金屬的分析，而基于等離子體的發(fā)射光譜分析可以檢測液體，但是分析速度慢。原子熒光光譜法具有分析精確，選擇性好，檢出限低，線性范圍寬，干擾少等優(yōu)點，但是原子熒光光譜分析儀結構復雜，需要原子化裝置，要對樣品進行預處理。以上方法都不能夠連續(xù)在位地檢測空氣中重金屬含量。另外，在先技術中還存在一種空氣中重金屬含量檢測裝置，參見發(fā)明專利一種檢測空氣中懸浮鉛含量的裝置，專利號為ZL200910097973. 0，此發(fā)明雖然具有一定的優(yōu)點，但是存在本質不足激光束單次經(jīng)過被測空間，光能利用率低；能被激光誘導的熒光的被測區(qū)域小，系統(tǒng)測試結果波動性有限；激光誘導的熒光信號弱，并且由雙面反射鏡反射后再收集熒光信號，熒光信號進一步減弱。所以，此發(fā)明在本質上無法實現(xiàn)空氣中重金屬含量的高靈敏度檢測。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對上述技術的不足，提供一種腔增強式空氣中重金屬含量檢測裝置，具有光能利用率高、穩(wěn)定性好、可靠性高、在線原位監(jiān)測，不需要預處理和原子化部件，激光誘導的熒光信號強，可以實現(xiàn)高靈敏度空氣中重金屬含量檢測等特點。本發(fā)明的基本構思是利用激光斜入射腔增強原理，由兩個球面反射鏡構成光學穩(wěn)定腔，其中一個球面反射鏡的離軸位置上設置有透光孔，激光束經(jīng)過小孔斜入射到光學穩(wěn)定腔中，在光學穩(wěn)定腔中多次反射，激光束經(jīng)過區(qū)域中的重金屬樣品在受激吸收光子后釋放出熒光，熒光經(jīng)濾波后，被光學穩(wěn)定腔側面設置的光束會聚元件收集，輸入到光譜檢測儀器中，光譜檢測儀器檢測重金屬的特征譜線強度，得到空氣中重金屬的含量。此方法無需原子化、系統(tǒng)簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高、在線原位檢測，檢測靈敏度高。
本發(fā)明包括激光光源、入射球面反射鏡、出射球面反射鏡、側面反射鏡、濾光片、光束會聚元件、光譜檢測儀器。入射球面反射鏡和出射球面反射鏡的對稱軸重合設置，入射球面反射鏡和出射球面反射鏡均位于球面內側，入射球面反射鏡反射率和出射球面反射鏡反射率均高于90% ；入射球面反射鏡的球面曲率半徑為R1，射球面反射鏡的球面曲率半徑為 R2,入射球面反射鏡和出射球面反射鏡的反射球面中心點間距為d，R1^R2和d三者滿足關系為0<(1-(1/%) (l_d/R2)<l，入射球面反射鏡和出射球面反射鏡構成光學穩(wěn)定腔；入射球面反射鏡的離軸位置上設置有透光孔，入射球面反射鏡的與出射球面反射鏡一側相對的另一側設置有激光光源，激光光源出射光束經(jīng)過入射球面反射鏡的透光孔斜入射到由入射球面反射鏡和出射球面反射鏡構成的光學穩(wěn)定腔中，入射球面反射鏡上的透光孔與入射球面反射鏡和出射球面反射鏡的對稱軸構成切向平面，激光光源出射光束方向與切向平面存在夾角；入射球面反射鏡和出射球面反射鏡構成光學穩(wěn)定腔的側面一方同軸地依次設置有濾光片、光束會聚元件和光譜檢測儀器，濾光片、光束會聚元件和光譜檢測儀器所在的對稱軸與光學穩(wěn)定腔的對稱軸相交；在濾光片、光束會聚元件和光譜檢測儀器所在的對稱軸與光學穩(wěn)定腔的對稱軸決定的平面上，光學穩(wěn)定腔的側面另一方向設置有側面反射鏡。所述的入射球面反射鏡上的透光孔直徑大于激光光源出射光束直徑。所述的入射球面反射鏡和出射球面反射鏡的外徑尺寸均大于光束直徑的20倍。所述的激光光源為氣體激光器、固態(tài)激光器、染料激光器中的一種。所述的側面反射鏡為平面反射鏡、球面反射鏡、柱面反射鏡、回返棱鏡中的一種。所述的光束會聚元件為單透鏡、透鏡陣列、菲涅爾透鏡中的一種。所述的光譜檢測儀器是棱鏡光譜儀、光柵光譜儀、單色儀、線陣光電傳感光譜儀的一種。本發(fā)明一種腔增強式空氣中重金屬含量檢測裝置的工作過程為激光光源出射光束經(jīng)過入射球面反射鏡上的透光孔斜入射到由入射球面反射鏡和出射球面反射鏡構成的光學穩(wěn)定腔中。入射球面反射鏡上的透光孔與入射球面反射鏡和出射球面反射鏡的對稱軸構成切向平面，激光光源出射光束方向與切向平面存在夾角，并且入射球面反射鏡反射率和出射球面反射鏡反射率均高于90%，激光束在光學穩(wěn)定腔進行往復傳播，激光束經(jīng)過區(qū)域中的重金屬樣品在受激吸收光子后釋放出熒光。入射球面反射鏡和出射球面反射鏡構成光學穩(wěn)定腔的側面一方同軸地依次設置有濾光片、光束會聚元件和光譜檢測儀器，熒光依次經(jīng)過濾光片、光束會聚元件后，被光譜檢測儀器檢測接收。在濾光片、光束會聚元件和光譜檢測儀器所在的對稱軸與光學穩(wěn)定腔的對稱軸決定的平面上，光學穩(wěn)定腔的側面另一方向設置有側面反射鏡，向光學穩(wěn)定腔反射鏡一側傳播的部分熒光被反射鏡反射后，橫向穿過光學穩(wěn)定腔后，依次經(jīng)過濾光片、光束會聚元件后，也被光譜檢測儀器檢測接收。光譜檢測儀器通過重金屬的熒光特征譜線強度，得到被測區(qū)域空氣中重金屬的含量。本發(fā)明中激光熒光光譜原理以及光譜檢測儀器檢測特征譜線強度分析物質含量的技術均為成熟技術。本發(fā)明的發(fā)明點在于利用激光斜入射腔增強原理，由兩個球面反射鏡構成光學穩(wěn)定腔，激光斜入射光學穩(wěn)定腔，給出一個光能利用率高、穩(wěn)定性好、可靠性高、 在線原位監(jiān)測、無需要預處理和原子化部件、激光誘導的熒光信號強、靈敏度高的空氣中重金屬含量檢測裝置。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點1)利用激光斜入射腔增強原理，由兩個球面反射鏡構成光學穩(wěn)定腔，激光束經(jīng)過小孔斜入射到光學穩(wěn)定腔中，在光學穩(wěn)定腔中多次反射，誘導熒光的激光束路徑長，本發(fā)明激光具有光能利用率高、激光誘導的熒光信號強，可以實現(xiàn)高靈敏度空氣中重金屬含量檢測。2)激光誘導熒光區(qū)域大，并且位于光學穩(wěn)定腔中，本發(fā)明測試系統(tǒng)的結構簡單穩(wěn)定、系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性高、可操作性強、不需要原子化部件，實現(xiàn)了在線原位檢測。3)本發(fā)明采用側面反射鏡反射背向熒光探測方向傳播的熒光光束，使這部分熒光也可以被經(jīng)過濾光片、光束會聚元件，被光譜檢測儀器檢測接收，增加了收集到的熒光光強，進一步提高了重金屬含量檢測靈敏度。


圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖1所示，腔增強式空氣中重金屬含量檢測裝置包括激光光源1、入射球面反射鏡2、出射球面反射鏡7、側面反射鏡3、濾光片6、光束會聚元件5、光譜檢測儀器4。入射球面反射鏡2和出射球面反射鏡7的對稱軸重合設置，入射球面反射鏡2和出射球面反射鏡 7均位于球面內側，入射球面反射鏡2反射率和出射球面反射鏡7反射率均高于85% ；入射球面反射鏡2的球面曲率半徑為R1,出射球面反射鏡7的球面曲率半徑為R2,入射球面反射鏡2和出射球面反射鏡7的反射球面中心點間距為d，R1, R2和d三者滿足關系為0< (1-d/ R1) (l-d/R2) <1，入射球面反射鏡2和出射球面反射鏡7構成光學穩(wěn)定腔；入射球面反射鏡2 的離軸位置上設置有透光孔，入射球面反射鏡2的與出射球面反射鏡7 —側相對的另一側設置有激光光源1，激光光源1出射光束經(jīng)過入射球面反射鏡2的透光孔斜入射到由入射球面反射鏡2和出射球面反射鏡7構成的光學穩(wěn)定腔中，入射球面反射鏡2上的透光孔與入射球面反射鏡2和出射球面反射鏡7的對稱軸構成切向平面，激光光源1出射光束方向與切向平面存在夾角；入射球面反射鏡2和出射球面反射鏡7構成光學穩(wěn)定腔的側面一方同軸地依次設置有濾光片6、光束會聚元件5和光譜檢測儀器4，濾光片6、光束會聚元件5和光譜檢測儀器4所在的對稱軸與光學穩(wěn)定腔的對稱軸相交；在濾光片6、光束會聚元件5和光譜檢測儀器4所在的對稱軸與光學穩(wěn)定腔的對稱軸決定的平面上，光學穩(wěn)定腔的側面另一方向設置有側面反射鏡3。濾光片6對激光光源1出射光束為低透過率的，透過率小于 10%，濾光片6對激光誘導的熒光為高透過率的，透過率大于80%。激光光源1采用固態(tài)激光光源，激光出1射光束直徑為2毫米，側面反射鏡3為平面反射鏡，光束會聚元件5為單透鏡，光譜檢測儀器4采用線陣光電傳感光譜儀。入射球面反射鏡2的球面曲率半徑為100厘米，射球面反射鏡7的球面曲率半徑為100厘米，入射球面反射鏡2和出射球面反射鏡7的反射球面中心點間距為50厘米。入射球面反射鏡2和出射球面反射鏡7的外徑尺寸均為7厘米，入射球面反射鏡2和出射球面反射鏡7反射率均為95%。激光光源1出射光束經(jīng)過入射球面反射鏡2上的透光孔斜入射到由入射球面反射鏡2和出射球面反射鏡7構成的光學穩(wěn)定腔中。入射球面反射鏡2上的透光孔與入射球面反射鏡2和出射球面反射鏡7的對稱軸構成切向平面，激光光源1出射光束方向與切向平面存在夾角，并且入射球面反射鏡2反射率和出射球面反射鏡7反射率均高于90%，激光束在光學穩(wěn)定腔進行往復傳播，激光束經(jīng)過區(qū)域中的重金屬樣品在受激吸收光子后釋放出熒光。入射球面反射鏡2和出射球面反射鏡7構成光學穩(wěn)定腔的側面一方同軸地依次設置有濾光片6、光束會聚元件5和光譜檢測儀器4，熒光依次經(jīng)過濾光片6、光束會聚元件5后，被光譜檢測儀器4檢測接收。在濾光片6、光束會聚元件5和光譜檢測儀器4所在的對稱軸與光學穩(wěn)定腔的對稱軸決定的平面上，光學穩(wěn)定腔的側面另一方向設置有側面反射鏡3，向光學穩(wěn)定腔反射鏡3 —側傳播的部分熒光被反射鏡3反射后，橫向穿過光學穩(wěn)定腔后，依次經(jīng)過濾光片6、光束會聚元件5后，也被光譜檢測儀器4檢測接收。光譜檢測儀器4通過重金屬的熒光特征譜線強度，得到被測區(qū)域空氣中重金屬的含量。本實施例成功完成了汞、鉛、 鉻3種重金屬含量檢測。本發(fā)明具有光能利用率高、穩(wěn)定性好、可靠性高、在線原位監(jiān)測、無需要預處理和原子化部件、激光誘導的熒光信號強、靈敏度高等優(yōu)點。
權利要求
1.一種腔增強式空氣中重金屬含量檢測裝置，包括激光光源、入射球面反射鏡、出射球面反射鏡、側面反射鏡、濾光片、光束會聚元件、光譜檢測儀器，其特征在于入射球面反射鏡和出射球面反射鏡的對稱軸重合設置，入射球面反射鏡和出射球面反射鏡均位于球面內側，入射球面反射鏡反射率和出射球面反射鏡反射率均高于90% ；入射球面反射鏡的球面曲率半徑為札，射球面反射鏡的球面曲率半徑為&，入射球面反射鏡和出射球面反射鏡的反射球面中心點間距為d，R1^R2和d三者滿足關系為0< (I-(VR1) (l-d/R2) <1，入射球面反射鏡和出射球面反射鏡構成光學穩(wěn)定腔；入射球面反射鏡的離軸位置上設置有透光孔，入射球面反射鏡的與出射球面反射鏡一側相對的另一側設置有激光光源，激光光源出射光束經(jīng)過入射球面反射鏡的透光孔斜入射到由入射球面反射鏡和出射球面反射鏡構成的光學穩(wěn)定腔中，入射球面反射鏡上的透光孔與入射球面反射鏡和出射球面反射鏡的對稱軸構成切向平面，激光光源出射光束方向與切向平面存在夾角；入射球面反射鏡和出射球面反射鏡構成光學穩(wěn)定腔的側面一方同軸地依次設置有濾光片、光束會聚元件和光譜檢測儀器，濾光片、光束會聚元件和光譜檢測儀器所在的對稱軸與光學穩(wěn)定腔的對稱軸相交；在濾光片、光束會聚元件和光譜檢測儀器所在的對稱軸與光學穩(wěn)定腔的對稱軸決定的平面上，光學穩(wěn)定腔的側面另一方向設置有側面反射鏡。
2.如權利要求1所述的腔增強式空氣中重金屬含量檢測裝置，其特征在于所述的入射球面反射鏡上的透光孔直徑大于激光光源出射光束直徑。
3.如權利要求1所述的腔增強式空氣中重金屬含量檢測裝置，其特征在于所述的入射球面反射鏡和出射球面反射鏡的外徑尺寸均大于光束直徑的20倍。
4.如權利要求1所述的腔增強式空氣中重金屬含量檢測裝置，其特征在于所述的激光光源為氣體激光器、固態(tài)激光器、染料激光器中的一種。
5.如權利要求1所述的腔增強式空氣中重金屬含量檢測裝置，其特征在于所述的側面反射鏡為平面反射鏡、球面反射鏡、柱面反射鏡、回返棱鏡中的一種。
6.如權利要求1所述的腔增強式空氣中重金屬含量檢測裝置，其特征在于所述的光束會聚元件為單透鏡、透鏡陣列、菲涅爾透鏡中的一種。
7.如權利要求1所述的腔增強式空氣中重金屬含量檢測裝置，其特征在于所述的光譜檢測儀器是棱鏡光譜儀、光柵光譜儀、單色儀、線陣光電傳感光譜儀的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種腔增強式空氣中重金屬含量檢測裝置?，F(xiàn)有技術需要原子化部件、結構復雜、激光誘導的熒光信號弱、檢測靈敏度低。本發(fā)明利用激光斜入射腔增強原理，由兩個球面反射鏡構成光學穩(wěn)定腔，其中一個球面反射鏡的離軸位置上設置有透光孔，激光束經(jīng)過小孔斜入射到光學穩(wěn)定腔中，在光學穩(wěn)定腔中多次反射，激光束經(jīng)過區(qū)域中的重金屬樣品在受激吸收光子后釋放出熒光，熒光經(jīng)濾波后，被光學穩(wěn)定腔側面設置的光束會聚元件收集，輸入到光譜檢測儀器中，光譜檢測儀器檢測重金屬的特征譜線強度，得到空氣中重金屬的含量。本發(fā)明無需原子化、系統(tǒng)簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高、在線原位檢測，檢測靈敏度高。
文檔編號G01N21/25GK102253020SQ201110111698
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月3日 優(yōu)先權日2011年5月3日
發(fā)明者周吉, 辛青, 高秀敏 申請人:杭州電子科技大學