圆筒式光程调节方法及装置.doc

发明专利请求书请按照本表背面“填表注意事项”正确填写本表各栏此框内容由专利局填写发名明称圆筒式光程调节方法及装置申请号（发明）分案提交日发明人陈烨、袁小平、仓小金申请日 费减审批 挂号号码申请人第一署名申请人姓名或名称 中国矿业大学单位代码或个人身份证号 466007570国籍或居所地国家或地区 中国电 话 05163885833地址邮 政 221008编 码省、自治区、 江苏省直辖市名称市（县） 徐州市名 称城区（乡）、街道、门牌号 泉山区中国矿业大学第二申请人姓名或名称国籍或居所地国家或地区电 话邮政编码地 址第三申请人姓名或名称国籍或居所地国家或地区电 话邮政编码地 址联 系 人 人姓 名 陈烨电 政编码221008地 址江苏省徐州市中国矿业大学信息与电气工程学院 确定非第一署名申请人为代表人声明 特声明第 署名申请人为申请人的代表人代 理代理机构名 称代 码邮政编码电 话地 址代理人1姓 名代理人2姓 名工作证号工作证号电 话电 话分案申请原申请号：针对的分案申请号：原申请日： 年 月日发名明称圆筒式光程调节方法及装置生物材料样品保藏保藏单位地 址保藏日期年月日保藏编号分类命名本申请涉及的生物材料样品的保藏信息在说明书第 页中要求优先权声明在先申请国别或地区在先申请日在先申请号已在中国政府主办或承认的国际展览会上首次展出已在规定的学术会议或技术会议上首次发表他人未经申请人同意而泄露其内容 不丧失新颖性宽限期声明 保密请求本专利申请可能涉及国家重大利益，请求保密处理是否已提交保密证明材料 申请文件清单 附加文件清单 1.请求书2份 每份2页费用减缓请求书 1 份 每份 1 页 2.说明书摘要2份 每份1页费用减缓请求证明 1 份 每份 1 页 3.摘要附图2份 每份1页提前公开声明 份 每份 页 4.权利要求书2份 每份1页实质审查请求书 份 每份 页 5.说明书2份 每份5页实质审查参考资料 份 每份 页 （其中序列表份 每份页）转让证明 份 每份 页 6.说明书附图2份 每份3页专利代理委托书 份 每份 页 在先申请文件副本 份数 共 页在先申请文件副本首页译文 份 每份页 原申请文件副本 份 每份 页 权利要求的项数 9 项 核苷酸或氨基酸序列表 光盘 软盘 其他证明文件（注明文件名称） 全体申请人或专利代理机构签章 年 月 日 专利局对文件清单的审核 年 月 日2费用减缓请求书请按照本表背面“填表注意事项”正确填写本表各栏专专利或申请利申请号或专利号申请日年月日发明创造名称圆筒式光程调节方法及装置申请人或专利权人中国矿业大学 请求费用减缓的理由（申请人为个人，请求减缓费用必须准确填写每个人年收入状况）: 本单位专利申请经费紧张附件清单上级主管部门出具的关于企业亏损情况的证明上级主管部门出具的关于非企业单位经济困难情况证明全体申请人或专利权人签章专利局处理意见年月日年月日1说 明 书圆筒式光程调节方法及装置技术领域本发明涉及在两个光学元件之间进行光程调节长度的方法和装置，是一种光程增加的方法和装置，特别适应用于通过吸收法测量气体含量和采用光程延长结构的光学图像撷取装置中，广泛用于煤炭、电力、石油、化工、冶金、交通、建筑、军事工业等行业中。背景技术现在气体检测的方法主要有两种，一是利用瓦斯气体的光谱吸收检测浓度；二是利用瓦斯浓度和折射率的关系用干涉法测折射率，目前吸收法是较流行和较可靠的检测方法。吸收法的基本原理是基于光谱吸收，不同的物质具有不同特征吸收谱线。单波长吸收比较型属吸收光谱传感器，根据Lanbert定律：其中，I、I0为吸收后和吸收前射线强度，为吸收系数，L为介质厚度，c为介质的浓度。从上式看出，根据透射和入射光强度之比，可以得知气体的浓度，从而得到待检测的气体浓度。下面所述的文献1讲述了矿井瓦斯光纤传感器检测的原理和主要方法。在该文献中示出了以下方法：现在瓦斯检测主要利用瓦斯气体的光谱吸收检测浓度，根据Lanbert定律得到待检测的瓦斯气体浓度。为了实现光纤瓦斯传感器系统的长期稳定性和成本下降，小型化和集成化成为光纤瓦斯传感器发展的目标，目前采用的气室需一定长度，因为光与待测气体作用距离越长变化越明显，Mhite等人提出了如图1所示的Mhite气室，使气室小型化有了方向。它利用两片弯曲的镜片，待测气体从C点吹至D点，入射光线从A点射入气室，经过两片弯曲的镜片多次反射后，从D点射出，由于光在气室中往返反射传输，有效地增加了气体与光的作用距离，此距离即为Lanbert定律中的介质厚度。在光纤瓦斯传感器向小型化集成化方向，与光纤成一体的Mhite气室的研制是瓦斯传感器重要的发展方向。下面所述的专利文献2中也提出了一种采用吸收法测量大气气体成分和含量进行检测的气体分析仪器，在该文献中示出了以下方法：为了测量大气成分，要求的有效测量长度为200米至1000米，为达到这一长度，文献中指出的光学部分发射器设置有复数个棱镜，光线光路上也对应的设置复数个棱镜，依靠棱镜的增加来增加光路的长度。专利文献3和4中针对一些图像撷取装置例如扫描机、复印机及部分具高解析扫描功能的传真机或甚至照相机及摄影机等装置，其进行扫描的原理主要是藉由一光源对着一待扫描对象发出一束光线，该光线在先经过该待扫描的对象的反射或透射后，再经过一镜头的聚焦，可将待扫描的对象成像于成像装置上。对于此类光学装置通常由一光程装置将该光线加以适当反射或折射后将光线行进的距离达到适当的长度后，再聚焦成像于成像装置上，从而得到清晰的图像。在该文献中提出了利用入射角与出射角的相等的原理，并因此求得的入射点与出射点可交会于一点的现象，将一次反射与多次反射皆为相同的结果应用于具有复数个反射组件的单一模块。对于各种不同的光程长度设计成的各种模块，在各光学图像撷取装置中易于置换，以快速抽换各模块。文献1：蒋继平，“光纤瓦斯气体传感器的发展”，常州信息职业技术学院学报J2003.2。文献2：中国专利“一种长光程大气监测仪”，专利号200710142535.2。文献3：中国专利“一种光程增加模块”，专利号02101860.X。文献4：中国专利“可变化光程长导光装置及方法”，专利号01136284.7。通过采用上述的构成，可以增加光线经过的路径，但这些方法都基于单纯的靠增加复数个反射组件的方式来达到增加光程的目的，可看出，这种方法在反射组件的安装和生产上要求的成本和精度较高，尤其是由于有效的反射区域较小，所以同时也造成了较大的浪费，当系统要求增加指定长度的光程时，上述方法一方面仅限定在增加反射模块数量方面延长光程，这样测量机构的重量、体积和成本上都相应增加，另一方面从上述方法中还可看出光程的增加是阶段性的，无法实现任意长度光程的调节。发明内容本发明鉴于上述问题而提出，目的在于提供一种光程增加的方法和结构，通过圆筒型反光管将入射光线的路径转变为螺旋型，从而达到增加光程的目的，由于其光线路径完全在封闭的空间内反射，故外界干扰小，从而达到抗干扰能力强的目的。为达到上述目的，首先给出本发明采用的圆筒式增加光程的数学原理：首先给一光反射圆筒，其管内设有光反射层，一束光线从入射管口沿切线方向射入管内，由于光的不断反射，光线一边绕z轴作圆周运动，一边沿z轴作匀速直线运动，其轨迹为螺旋线，如图1所示，光线走过的路程S就是螺旋线的长度。对于推导过程各变量说明如下： 光反射圆筒截面圆半径 光线行进方向速度光线行进方向线速度在截面圆的线速度分量 光线行进方向线速度在光反射圆筒径向的线速度分量 光线行进方向线速度在截面圆的角速度分量 光反射圆筒长度 光线在光反射圆筒传输所用的时间 入射光线与入射口的XY平面夹角光反射圆筒中的光线螺旋线的运动方程为，,其中R、，是常量，则光线在反射管中走过的路程S可进行推导。在图2中，设t时刻光线在点开始反射，t+dt时刻后光线到达b点，从到b光线走过的路程为，p和q点为点和b点在光反射圆筒截面圆上的位置，o点为光管截面圆心，角为op和oq的夹角。因趋近于0，由图2可知 （1）= （2）其中=，带入（2）得：（3）对ds进行积分便可得到光线在光反射圆筒的总螺旋路径长度：（4） （5） （6） （7）将、t代入（4）得= （8）由此可见，光程和光反射圆筒的半径R没有关系，只和入射光线与XY平面夹角及光反射圆筒长度有关。如果光管长度正好为螺距的整数倍，光反射圆筒长度L、沿光管截面旋转一周的时间T、在时间T内沿光管径向光线走过的螺距h、光反射圆筒的半径R和入射光线与XY平面夹角的关系推导如下： （9） （10）将（6）代入（10）得 （11）将（11）代入（9）得到螺距值 （12）设n为光线在光管内反射路径经过的螺数，可得可知若光管长度L为螺距h的整数倍时，即n近似为整数时，则可确定入射光线的入射点和出射点的连线和z轴平行，且出射点正好位于光管出射口边沿，且出射光线与入射光线同向。图4示出了光管长度L为螺距h的整数倍时入射光线在光反射圆筒内运行的轨迹和出射光线的方向。以上所述为本发明光反射圆筒进行光程改变的数学原理，下面继续对本发明的装置进行描述：本发明首先提供一圆筒式光程调节装置，采用的技术方案是该调节装置包括旋转式反射组件、动力齿轮和调固装置。所述的旋转式反射组件，安装一光反射圆筒组件，其管内设有光反射层，并固定在一旋转台，旋转台以旋转枢轴为轴心，可作0度至90度的旋转，以供入射光线按预定方向和预定路径的光反射；光反射圆筒中轴线于扇形面从扇心出发的与另一侧呈90度夹角的半径线重合，并指向扇形面扇心，且入射口一侧边沿与旋转台枢轴轴心重合。所述的动力齿轮接步进电机，以精确控制旋转台旋转角度；所述的调固装置，其是固定入射光发生器，连接旋转台枢轴，用以定位旋转台枢轴；调固装置包括入射光发生器固定台，其是固定入射光发生器，呈90度扇形面，扇形面一侧边缘突出，设有两环形固定架将入射光发生器固定；光发生器固定台设有圆筒形轴套，其是供旋转台枢轴在其中转动，轴套中心孔径与旋转台枢轴相同；其中入射光发生器固定台和圆筒形轴套间通过螺栓相固定；入射光发生器中轴线于扇形面一侧边沿重合，并指向扇形面扇心。1、在上述方案中，入射光发生器固定台与该旋转式反射组件中旋转台保持同一平面，入射光发生器发出的光线沿光反射圆筒圆形入口的切线方向并与光反射圆筒径线方向呈0度至90度的夹角射入光反射圆筒。2、在上述方案中，旋转式反射组件中使用的光反射圆筒使用的材料为石英或紫外光学石英玻璃材料，其反射面镀金或银或其它耐高温的反射材料，同时镀耐腐蚀的保护膜。由于上述技术方案的应用，本发明与现有技术相比具有下列优点：1、本发明采用一体化设计，所设计的光反射圆筒使光在封闭的环境传输，减少了损耗，使整个系统的寿命得到大幅度，从而降低了生产成本，同时也提高了灵敏度，提高了系统的可靠性。2、本发明实现了任意长度光程调节，所设计的光反射圆筒体积小，制造简单，成本小。3、本发明结构简单，制造方便。附图说明下面基于附图来详细描述本发明的实施方式，附图中：附图1是Mhite气室剖面图。附图2是本发明的入射光线在光反射圆筒内形成的螺线原理图。附图3是本发明的入射光线在光反射圆筒入射口的方向图。附图4是本发明的入射光线在光反射圆筒内形成的螺线俯视图。附图5是本发明的圆筒式光程调节装置俯视图。附图6是本发明的圆筒式光程调节装置零件装配图。以上附图中：1、动力齿轮；2、光反射圆筒；3、旋转台；4、旋转台枢轴；5、6、9环形固定架；7、入射光发生器固定台；8、入射光发生器；10、螺栓；11、圆筒形轴套；具体实施方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步详述：参照附图，本实施方式在为实现上述目的，所采用的技术方案在于首先提供一圆筒式光程调节装置，该调节装置包括旋转式反射组件、动力齿轮(1)和调固装置，所述的旋转式反射组件，安装一光反射圆筒(2)组件，其管内设有光反射层，并固定在一旋转台(3)，旋转台(3)以旋转台枢轴(4)为轴心，可作0度至90度的旋转；所述的动力齿轮(1)接步进电机，以精确控制旋转台(3)旋转角度；所述的调固装置，其是固定入射光发生器(8)，连接旋转台枢轴(4)，定位旋转台(3)；较佳的，所述的调固装置包括入射光发生器固定台(7)，其是固定入射光发生器(8)，呈90度扇形面，扇形面一侧边缘突出，设有两环形固定架将入射光发生器(8)固定；光发生器固定台设有圆筒形轴套(11)，其是供旋转台枢轴(4)在其中转动，轴套中心孔径与旋转台枢轴(4)相同；较佳的，所述的调固装置中入射光发生器固定台(7)和圆筒形轴套(11)间通过螺栓(10)相固定；入射光发生器(8)中轴线于扇形面一侧边沿重合，并指向扇形面扇心。较佳的，该旋转式反射组件中光反射圆筒(2)中轴线于扇形面从扇心出发的与另一侧呈90度夹角的半径线重合，并指向扇形面扇心，且入射口一侧边沿与旋转台枢轴(4)轴心重合。较佳的，入射光发生器固定台(7)与该旋转式反射组件中旋转台(3)保持同一平面，入射光发生器(8)发出的光线沿光反射圆筒(2)圆形入口的切线方向并与光反射圆筒径线方向呈0度至90度的夹角射入光反射圆筒(2)。较佳的，该旋转式反射组件中使用的光反射圆筒(2)使用的材料为石英或紫外光学石英玻璃材料，其反射面镀金或银或其它耐高温的反射材料，同时镀耐腐蚀的保护膜。较佳的，当要求出射光线和入射光线同向时，该旋转式反射组件中使用的光筒长度L满足关系式式中：R光管的半径；入射光线与光反射圆筒(2)入射口平面夹角；n整数。上述实施例只为说明本发明的技术构思和特点，其目的是让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能因此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都涵盖在本发明的保护范围之内。6说 明 书 附 图3权 利 要 求 书1、 一种圆筒式光程调节装置，其特征是可将一光源的入射光线在光反射圆筒内进行多次反射后按一定方向射出，该调节装置包括：至少一旋转式反射组件，安装一光反射圆筒组件，其管内设有光反射层，并固定在一旋转台，旋转台以旋转枢轴为轴心，可作0度至90度的旋转；一动力齿轮，动力齿轮接步进电机，以精确控制旋转台旋转角度；一调固装置，其是固定入射光发生器，连接旋转台枢轴，定位旋转台；2、 如权利要求1所述的圆筒式光程调节装置，其特征是其中该调固装置包括：一入射光发生器固定台，其是固定入射光发生器，呈90度扇形面，扇形面一侧边缘突出，设有两环形固定架将入射光发生器固定；一圆筒形轴套，其是供旋转台枢轴在其中转动，轴套中心孔径与旋转台枢轴相同；3、 如权利要求2所述的圆筒式光程调节装置，其特征是该调固装置中入射光发生器固定台和圆筒形轴套间通过螺栓相固定。4、 如权利要求2所述的圆筒式光程调节装置，其特征是该调固装置中入射光发生器固定台上的入射光发生器中轴线于扇形面一侧边沿重合，并指向扇形面扇心。5、 如权利要求1所述的圆筒式光程调节装置，其特征是该旋转式反射组件中光反射圆筒中轴线于扇形面从扇心出发的与另一侧呈90度夹角的半径线重合，并指向扇形面扇心，且入射口一侧边沿与旋转台枢轴轴心重合。6、 如权利要求1所述的