具有兩個(gè)角自由度的對(duì)準(zhǔn)設(shè)備與發(fā)射器/接收器系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于對(duì)準(zhǔn)信息源與接收器的裝置與方法。特別地，本發(fā)明可應(yīng)用在用于成功發(fā)射的對(duì)準(zhǔn)公差相對(duì)小的環(huán)境中，尤其例如應(yīng)用于激光光譜分析中。
【背景技術(shù)】
[0002]在多種系統(tǒng)中，有必要使發(fā)射器與接收器相對(duì)于彼此對(duì)準(zhǔn)，以使得在接收器處成功地探測(cè)到發(fā)射器的輸出。例如，可以提供機(jī)構(gòu)或設(shè)備以沿著視線將系統(tǒng)部件對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)設(shè)備可以聯(lián)接到發(fā)射器或者聯(lián)接到接收器，或者在一些情形中提供多個(gè)相互配合的對(duì)準(zhǔn)設(shè)備，為每個(gè)發(fā)射器與接收器提供一個(gè)對(duì)準(zhǔn)設(shè)備。與發(fā)射器相關(guān)的對(duì)準(zhǔn)設(shè)備使視線對(duì)準(zhǔn)通過(guò)該對(duì)準(zhǔn)設(shè)備并且對(duì)準(zhǔn)到給定的目標(biāo)點(diǎn)、區(qū)域或穿孔上以由接收器接收。接收器可以定位在距離源的固定距離處，該源被限定為沿著視線的起始視點(diǎn)，即發(fā)射器的發(fā)射點(diǎn)。發(fā)射器朝向接收器發(fā)射材料、電磁波以及聲波中的一個(gè)或多個(gè)。接收器包括能夠探測(cè)所發(fā)射的材料、電磁波和/或聲波的探測(cè)器。探測(cè)器產(chǎn)生與入射的發(fā)射物的至少一個(gè)特性如強(qiáng)度成比例的信號(hào)。然而，許多探測(cè)器具有有限的視野并且不會(huì)探測(cè)到落到視野外的任何材料、電磁波和/或聲波。此發(fā)射物呈現(xiàn)信號(hào)損失。信號(hào)損失是不期望的，因此在許多系統(tǒng)中期望的是使落入探測(cè)器視野內(nèi)的發(fā)射物的數(shù)量最大化。在探測(cè)器視野內(nèi)的區(qū)域可以稱(chēng)作為“目標(biāo)”或“目標(biāo)區(qū)域”。
[0003]要求精確對(duì)準(zhǔn)的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例是用于執(zhí)行激光吸收光譜分析的工業(yè)氣體分析器系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，激光束源(發(fā)射器)可以安裝在工業(yè)處理氣體管(或?qū)Ч芑蚴?的一側(cè)以指向該管(導(dǎo)管或室)的另一部分上的接收器孔(目標(biāo))，使得激光束穿過(guò)處理管(導(dǎo)管或室)(因此也穿過(guò)處理氣體)并且進(jìn)入接收器孔。包括光探測(cè)器的接收器產(chǎn)生可用于處理氣體的內(nèi)容物的分析目的的信號(hào)。利用掃過(guò)氣體吸收線以獲得諸如相關(guān)氣體的組成部分等有用參數(shù)信息或者處理溫度信息的可調(diào)諧激光器來(lái)進(jìn)行氣體測(cè)量，對(duì)于連續(xù)發(fā)射監(jiān)控系統(tǒng)(CEMS)而言通?？梢杂糜趦?yōu)化與控制生產(chǎn)處理、燃燒處理，或者監(jiān)控污染物，并且由此對(duì)于使來(lái)自工業(yè)處理的污染最小化以及有限自然資源的最佳使用是重要的。
[0004]在此示例性文本中，可以另選地或另外地在視線的接收器端使用對(duì)準(zhǔn)設(shè)備，以使接收器和探測(cè)裝置與激光光源對(duì)準(zhǔn)。此外，也可以使用一個(gè)或多個(gè)對(duì)準(zhǔn)設(shè)備以使激光光源和/或接收器，或光源與探測(cè)器結(jié)合單元與定位在導(dǎo)管內(nèi)的另一個(gè)位置處的向后反射器對(duì)準(zhǔn)。
[0005]已經(jīng)存在允許調(diào)節(jié)視線的指向方向的多個(gè)對(duì)準(zhǔn)設(shè)備。為了討論這些設(shè)備，將視線顯現(xiàn)為與對(duì)準(zhǔn)設(shè)備的給定參考平面正交的單位向量η的方向是方便的。圖1示出了此原理:由于參照平面100在空間中圍繞容納在參考平面100內(nèi)的兩個(gè)正交軸x、y中的任一個(gè)旋轉(zhuǎn)，視線將改變其在空間中沿著方位或俯仰的指向方向。通過(guò)使參考平面100圍繞視線自身旋轉(zhuǎn)來(lái)給出第三旋轉(zhuǎn)自由度。這不會(huì)導(dǎo)致視線改變其在空間中的指向方向，除非視線不與第一實(shí)例中的旋轉(zhuǎn)平面正交。然而，在實(shí)踐中此理想對(duì)于現(xiàn)有對(duì)準(zhǔn)設(shè)備無(wú)效，因?yàn)橹赶蚍较虻恼{(diào)節(jié)造成視線相對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心的一些平移，在此情形中當(dāng)平面旋轉(zhuǎn)時(shí)視線將描述錐形，這是不期望的。由于機(jī)械公差這在任何現(xiàn)實(shí)世界系統(tǒng)中都是不可避免的。
[0006]在光學(xué)領(lǐng)域中，通常使用動(dòng)態(tài)安裝件來(lái)改變光束轉(zhuǎn)向鏡或者其它光學(xué)部件的角度。這些安裝件具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，并且動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)意味著它們未在過(guò)度約束下或者約束不足，給出了高度確定且可重復(fù)移動(dòng)。然而，此動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求光學(xué)部件不能?chē)@其中心旋轉(zhuǎn)，意味著旋轉(zhuǎn)中的任何調(diào)節(jié)還產(chǎn)生平移，從而有效地移動(dòng)光束的明顯的源。實(shí)際上，動(dòng)態(tài)安裝件通常成對(duì)使用以提供光束的角度與平移控制。
[0007]動(dòng)態(tài)安裝件的另一個(gè)問(wèn)題是由于它們的精確屬性因此難以將它們鎖定在適當(dāng)位置處。對(duì)于為它們所設(shè)計(jì)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，主要地是實(shí)驗(yàn)室情形，這是可接受的，但是它們不適于通常存在高等級(jí)振動(dòng)與大的溫度變化的工業(yè)應(yīng)用。
[0008]如圖2中所示，一些工業(yè)氣體分析器利用諸如0形環(huán)200的大橫截面彈性部件來(lái)提供彈性與密封?？梢岳迷诎惭b凸緣210與固定基部凸緣215之間的例如四個(gè)螺母與螺栓205的調(diào)節(jié)裝置來(lái)差動(dòng)地壓緊0形環(huán)200，使得可以相對(duì)于固定基部凸緣215的平面改變安裝凸緣210的平面的角度。此裝置可以利用例如抵靠基部凸緣215驅(qū)動(dòng)的其它四個(gè)螺釘(未示出)鎖定在期望構(gòu)造中，以為工業(yè)用途提供一個(gè)優(yōu)勢(shì)。對(duì)于技術(shù)人員來(lái)說(shuō)用于調(diào)節(jié)裝置的其它適當(dāng)構(gòu)造具有本公開(kāi)的利益是顯而易見(jiàn)的。
[0009]圖2的對(duì)準(zhǔn)設(shè)備的缺點(diǎn)是安裝凸緣210的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)是不確定的。當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)裝置時(shí)，由于零件之間的多個(gè)可變機(jī)械應(yīng)力與摩擦，因此不能確保旋轉(zhuǎn)中心處于對(duì)準(zhǔn)設(shè)備的軸上。此外，如果四個(gè)螺母與螺栓205全部都沿著相同方向同樣地驅(qū)動(dòng)，那么不發(fā)生旋轉(zhuǎn)并且0形環(huán)200僅被一致地壓緊或釋放。這改變了圖2的對(duì)準(zhǔn)設(shè)備如何隨后地響應(yīng)于任何給定的調(diào)節(jié)。根據(jù)0形環(huán)的壓緊的當(dāng)前狀態(tài)的此響應(yīng)的改變使得難以利用諸如圖2中示出的對(duì)準(zhǔn)設(shè)備來(lái)恒定地實(shí)現(xiàn)可靠對(duì)準(zhǔn)。
[0010]圖2的對(duì)準(zhǔn)設(shè)備的另一個(gè)缺點(diǎn)是，隨著時(shí)間的推移，調(diào)節(jié)設(shè)備可能在0形環(huán)壓緊的末端處變硬或者松弛。在對(duì)準(zhǔn)設(shè)備布置為處理氣體分析器的一部分之處，松弛0形環(huán)可能造成氣體泄漏。此外，彈性部件隨著時(shí)間的推移而受到蠕變，這可能導(dǎo)致視線中的逐漸改變并且由此致使系統(tǒng)變得未對(duì)準(zhǔn)。
[0011]此外，圖2的對(duì)準(zhǔn)設(shè)備的設(shè)計(jì)中的幾個(gè)因素固有地限制了調(diào)節(jié)的范圍。即使在具有大橫截面的0形環(huán)的情形中，彈性部件(0形環(huán)200)的使用也趨于提供限制量的行進(jìn)。此外，由于安裝凸緣210與基部凸緣215之間的角度增加，因此螺母與螺栓調(diào)節(jié)件布置變得不能使用。在實(shí)踐中，這些因素將視線的角度調(diào)節(jié)限制在當(dāng)利用諸如圖2中所示的對(duì)準(zhǔn)設(shè)備時(shí)而具有大約1度的半角的錐體內(nèi)。還有必要使用大橫截面彈性部件以提供調(diào)節(jié)的可接受范圍，并且從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這加重了與上述彈性體相關(guān)的蠕變問(wèn)題，潛在地導(dǎo)致穩(wěn)定性的迀移。
[0012]在工業(yè)氣體分析器上使用的另一種已知的對(duì)準(zhǔn)設(shè)備是圖3中示出的波紋管布置。此布置包括波紋管300、調(diào)節(jié)與鎖定螺母305、安裝凸緣310與基部凸緣315。標(biāo)準(zhǔn)凸緣密封件320設(shè)置為密封安裝凸緣310與基部凸緣315之間的界面。凸緣密封件320可以例如是0形環(huán)或者墊圈。
[0013]波紋管300可以被用于負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)軸之間聯(lián)接的未對(duì)準(zhǔn)并且波紋管構(gòu)思已經(jīng)被改良以用于調(diào)節(jié)光學(xué)設(shè)備的視線。波紋管300不具有彈性，或者實(shí)際上不具有任何彈性件，因此一旦調(diào)節(jié)與鎖定螺母305松弛，此系統(tǒng)就不受約束直到重新鎖定在給定位置中。這意味著在與此同時(shí)不改變其位置的情況下鎖定它是困難的。出于如上概括的相同原因，圖3的波紋管布置受到與圖2中示出的彈性彈簧設(shè)計(jì)相同的旋轉(zhuǎn)中心的不確定性。再次，如果全部調(diào)節(jié)與鎖定螺母305同等地沿著一個(gè)方向移動(dòng)，那么波紋管300在不旋轉(zhuǎn)的情況下僅僅壓緊或者延伸，以改變其響應(yīng)特征。波紋管300內(nèi)在地提供比彈性彈簧狀的0形環(huán)200更大的調(diào)節(jié)范圍，但是這被以下事實(shí)限制:波紋管300支撐在其上的間柱僅能夠以安裝凸緣310與基部凸緣315之間的限制角度工作。
[0014]波紋管構(gòu)思的另一個(gè)缺點(diǎn)在于，由于波紋管自身不是結(jié)構(gòu)元件，因此承載調(diào)節(jié)與鎖定螺釘305的間柱還必須是足夠強(qiáng)的懸臂以承載附接到對(duì)準(zhǔn)設(shè)備上的任何東西的重量。這趨于使整個(gè)設(shè)備相對(duì)大并且笨重。
[0015]鑒于此，顯然仍然需要一種可以可預(yù)計(jì)地并且可重復(fù)地對(duì)準(zhǔn)發(fā)射器與接收器系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]在所附權(quán)利要求中闡述了本發(fā)明的方面。
[0017]第一方面提供了對(duì)準(zhǔn)設(shè)備，其包括:
[0018]安裝件，其用于容納發(fā)射或接收裝置；
[0019]殼體，其用于安裝件，所述殼體布置為允許安裝件在所述殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)，其中殼體包括用于在安裝件旋轉(zhuǎn)過(guò)程中限制安裝件平移的平移限制設(shè)備；以及
[0020]調(diào)節(jié)設(shè)備，其用于調(diào)節(jié)安裝件在殼體內(nèi)的對(duì)準(zhǔn)，以使所容納的發(fā)射或接收裝置與期望的發(fā)射方向?qū)?zhǔn)。
[0021]本發(fā)明的第二方面提供了系統(tǒng)，其包括:
[0022]發(fā)射器；
[0023]接收器；以及
[0024]根據(jù)本發(fā)明的第一方面的對(duì)準(zhǔn)設(shè)備，其中將發(fā)射器與接收器中的一個(gè)固定在對(duì)準(zhǔn)設(shè)備的安裝件中。
[0025]本發(fā)明的第三方面提供了相對(duì)于第二裝置對(duì)準(zhǔn)第一裝置的方法，其包括:
[0026]a)將根據(jù)本發(fā)明的第一方面的第一對(duì)準(zhǔn)設(shè)備固定到物體的第一表面；
[0027]b)將第一裝置或第二裝置固定在第一對(duì)準(zhǔn)設(shè)備的安裝件中；
[0028]c)利用檢驗(yàn)裝置檢查第一裝置與第二裝置之間的對(duì)準(zhǔn)；
[0029]d)調(diào)節(jié)第一對(duì)準(zhǔn)設(shè)備的對(duì)準(zhǔn)；
[0030]e)重復(fù)步驟c)與d)直到實(shí)現(xiàn)第一裝置與第二裝置的令人滿(mǎn)意的對(duì)準(zhǔn)；以及
[0031]f) 一旦實(shí)現(xiàn)令人滿(mǎn)意對(duì)準(zhǔn)就將第一對(duì)準(zhǔn)設(shè)備鎖定在適當(dāng)位置處。
【附圖說(shuō)明】
[0032]下面僅通過(guò)實(shí)例的方式參照附圖描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，在附圖中:
[0033]圖1是調(diào)節(jié)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度以改變光學(xué)路徑在方位與俯仰中的方向的示意圖；
[0034]圖2是使用彈性彈簧的現(xiàn)有技術(shù)對(duì)準(zhǔn)設(shè)備的示意圖；
[0035]圖3是使用波紋管的現(xiàn)有技術(shù)對(duì)準(zhǔn)設(shè)備的示意圖；
[0036]圖4(a)示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的第一對(duì)準(zhǔn)設(shè)備的示意圖；
[0037]圖4(b)示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的第二對(duì)準(zhǔn)設(shè)備的示意圖；
[0038]圖4(c)示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的第三對(duì)準(zhǔn)設(shè)備的示意圖；
[0039]圖5為可能是根據(jù)實(shí)施方式的對(duì)準(zhǔn)設(shè)備的一部分的典型可調(diào)諧激光橫向塔吸收系統(tǒng)的不意圖；以及
[0040]圖6是根據(jù)實(shí)施方式的調(diào)節(jié)方法的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041]圖4(a)、圖4(b)和圖4(c)中示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的對(duì)準(zhǔn)設(shè)備400、400’和400”。圖4(a)示出了第一實(shí)施方式，并且圖4(b)和圖4(c)相應(yīng)地示出了第二實(shí)施方式400’與第三實(shí)施方式400”的橫截面示意圖。在全部三個(gè)實(shí)施方式中的共同特征被給予相同的附圖標(biāo)記，并且為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，僅在下面詳細(xì)的描述中詳細(xì)地描述一次。除非另外明確地指出，否則在下面的詳細(xì)描述中參照對(duì)準(zhǔn)設(shè)備400’應(yīng)該理解為同樣地適用于對(duì)準(zhǔn)設(shè)備400’ 和 400”。
[0042]在發(fā)射器與接收器的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)的背景下在下面的大體描述中論述了對(duì)準(zhǔn)設(shè)備400。在一些實(shí)施方式中，這是直接“視線”光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，但是應(yīng)該理解的是光學(xué)路徑可以包括反射表面，因此直接視線不是必不可少的。在對(duì)準(zhǔn)控制能夠有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)通過(guò)介質(zhì)的傳輸進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的系統(tǒng)中，對(duì)準(zhǔn)設(shè)備具有諸多應(yīng)用，諸如用于工業(yè)氣體分析器系統(tǒng)中的激光光譜分析。然而，應(yīng)該理解的是對(duì)準(zhǔn)設(shè)備400不限于用于激光光譜氣體分析系統(tǒng)。特別地，對(duì)準(zhǔn)設(shè)備400將在其中期望使一個(gè)裝置相對(duì)于另一個(gè)裝置對(duì)準(zhǔn)的任何系統(tǒng)中找到實(shí)用性，以使兩個(gè)裝置之間的發(fā)射成為可能。此外，發(fā)射不限于光學(xué)輻射；電磁輻射、聲音與物質(zhì)發(fā)射也是預(yù)期的。發(fā)射器可以構(gòu)造為發(fā)