動態光散射可變角度光纖探頭檢測裝置及檢測方法
【專利摘要】動態光散射可變角度光纖探頭檢測裝置及檢測方法，屬于動態光散射納米顆粒檢測裝置領域。包括光纖探頭和樣品池（7），光纖探頭一端與樣品池（7）連接，且在連接處設有通孔，其特征在于：所述的光纖探頭包括外殼體（1）、光纖、透鏡和角度調整機構，發射透鏡（5）和接收透鏡（9）一端對應連接發射光纖（4）和接收光纖（10），發射透鏡（5）和接收透鏡（9）之間設有調整兩透鏡之間夾角的角度調整機構，角度調整機構固定端固定連接外殼體（1）。本發明簡化了檢測裝置的結構，減小了體積，并通過角度調整機構對發射光路和接收光路之間的夾角進行調整，以最優散射角接收散射光，提高了檢測數據的準確性。
【專利說明】動態光散射可變角度光纖探頭檢測裝置及檢測方法
【技術領域】
[0001]動態光散射可變角度光纖探頭檢測裝置及檢測方法，屬于動態光散射納米顆粒檢測裝置領域。
【背景技術】
[0002]亞微米與納米顆粒的粒度及分布是表征其性能的主要參數，而動態光散射技術是進行亞微米及納米顆粒粒度測量的有效方法。在動態光散射顆粒測量技術中，廣泛采用的是光子相關光譜法，該方法在某一固定的空間位置，使用光電探測器接收散射光。由于散射光極其微弱，光電探測器只能接收到離散的光子脈沖，同時在輸出端輸出相應的電脈沖，并將脈沖信號送入光子相關器，光子相關器對脈沖信號做自相關運算后，將得到的自相關函數數據送入計算機進行處理，來獲取顆粒的平均粒徑及其粒度分布。光子相關光譜技術由于具有測量速度快、重復性好、對樣品無損傷等優點而被廣泛采用，成為納米顆粒表征的標準手段，目前該技術已經深入到了物理、化學、醫學和生物學等各個領域。
[0003]但傳統的動態光散射裝置光路復雜，導致整個測量裝置體積較大，且由于散射光在空氣中傳輸，容易受灰塵、外界光線以及振動的干擾，導致系統的信噪比較低，光子相關器輸出的相關函數品質下降，從而得不到可信的測量結果，致使傳統的動態光散射裝置僅適用于實驗室，不能用于工業在線測量。并且，現有的動態光散射裝置的光路，探頭位置固定，不能根據需要進行調節，在檢測試驗過程中帶來許多不便。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是:克服現有技術的不足，提供一種體積小、系統信噪比高、適用于工業在線測量，且探頭角度可調的動態光散射可變角度光纖探頭檢測裝置及檢測方法。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:該動態光散射可變角度光纖探頭檢測裝置，包括光纖探頭和樣品池，光纖探頭一端與樣品池連接，且在連接處設有連通孔，其特征在于:所述的光纖探頭包括外殼體、光纖、透鏡和角度調整機構，外殼體內并排安裝發射透鏡和接收透鏡，發射透鏡和接收透鏡一端對應連接發射光纖和接收光纖，發射透鏡和接收透鏡之間設有調整兩透鏡之間夾角的角度調整機構，角度調整機構固定端固定連接外殼體。
[0006]光纖和透鏡形成的光路傳播路徑都密閉地安裝在外殼體內，簡化了動態光散射裝置的光路結構，同時又避免了散射光在空氣中傳輸，容易受灰塵、外界光線以及振動的干擾，導致系統的信噪比較低的問題；且在透鏡之間增設角度調整機構，通過角度調整機構對發射光路和接收光路之間的夾角進行調整，以最優散射角接收散射光，提高了檢測數據的準確性。
[0007]優選的，所述的發射透鏡和接收透鏡為自聚焦透鏡，發射透鏡和接收透鏡一端分別通過轉動軸承安裝在外殼體內一側，發射透鏡和接收透鏡平行安裝。
[0008]進一步的，所述的角度調整機構為轉輪機構，包括調節轉輪、轉軸和拉簧，轉軸兩端固定在外殼體上，在轉軸中部固定套裝調節轉輪，調節轉輪邊緣穿插在發射透鏡和接收透鏡之間的空間內，并在發射透鏡和接收透鏡中部之間固定連接拉簧。
[0009]優選的，所述的調節轉輪為邊緣設有凸邊、中部為薄片的圓盤，調節轉輪邊緣的凸邊頂部呈斜面設置，形成連續的弧形凸邊，且凸邊邊緣的縱截面呈側立的梯形截面設計。
[0010]凸邊邊緣的縱截面呈側立的梯形截面設計，是為了防止在轉動過程中與透鏡發生摩擦，凸邊沿中部薄片形輪輻左右對稱，凸邊總寬度是漸變的，沿調節轉輪邊緣，寬度由小到大的變化，寬度最大的位置轉動到兩個透鏡之間時，透鏡末端被分開的距離越大，寬度最小的位置轉動到兩個透鏡之間時，透鏡末端分開的距離是最小，由于透鏡前端通過軸承固定，只能轉動不能移動，因此，兩個透鏡就指向不同的角度，從而實現角度的調整，刻度標注在邊緣的頂端，最大角度標注值對應著最寬位置，并且處在兩個透鏡之間位置。
[0011]優選的，所述的調節轉輪的外邊緣設有刻度線。
[0012]優選的，所述的外殼體內設有安裝支架，光纖、透鏡和角度調整機構通過安裝支架安裝在外殼體內，在外殼體與安裝支架之間設有隔離樣品池和光纖探頭的工字型結構設置的隔膜。
[0013]一種利用上述的動態光散射可變角度光纖探頭檢測裝置的檢測方法，其特征在于:包括以下步驟:
a、發射光纖穿出外殼體通過光纖耦合器連接激光器，接收光纖連接光電倍增管，光電倍增管的信號輸出給光子相關器，光子相關器連接計算機；
b、發射光纖和接收光纖的尾端連接透鏡，透鏡均靠近樣品池的容器壁上，通過角度調整機構調整發射透鏡和接收透鏡之間的夾角；
C、由激光器提供垂直偏振光進入發射光纖，激光通過發射光纖到達發射透鏡，激光再經過發射透鏡準直后射入被測介質，散射介質形成的散射光通過接收透鏡進入接收光纖中，進而通過接收光纖進入光電倍增管，光電倍增管輸出電脈沖送入光子相關器；
d、光子相關器進行自相關運算，得到光強自相關函數曲線，并送入計算機，使用累積分析法處理相關函數數據，獲得所測顆粒的平均粒徑。
[0014]有現有技術相比，本發明所具有的有益效果是:
1、光纖和透鏡形成的光路傳播路徑都密閉的安裝在外殼體內，簡化了動態光散射裝置的光路的結構，改變傳統動態光散射裝置的光路，將光纖引入到動態光散射技術中，利用光纖將發射光路和接收光路集成在一起，形成一體式的光纖探頭，使動態光散射測量裝置的體積小型化，克服了傳統動態光散射實驗裝置體積大的缺點。
[0015]2、在兩組透鏡之間增設角度調整機構，通過角度調整機構對發射光路和接收光路之間的夾角進行自由調整，以最優散射角接收散射光，提高了檢測數據的準確性。
[0016]3、利用光纖傳輸散射光信號，散射光不易受灰塵和外界雜散光的干擾，從而可以有效地提高信噪比，并且光路可以任意彎曲，測量裝置的設置比較靈活，更重要的是動態光散射測量一體式光纖探頭的檢測端可以直接插入樣品溶液中，能夠測量高濃度的樣品，可以實現工業生產的在線監測。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為動態光散射可變角度光纖探頭檢測裝置剖視示意圖。
[0018]圖2為動態光散射可變角度光纖探頭檢測裝置立體圖示意圖。
[0019]圖3為不同散射角度下光強自相關函數曲線圖。
[0020]其中:1、外殼體2、調節轉輪3、轉軸4、發射光纖5、發射透鏡6、拉簧7、樣品池8、轉動軸承9、接收透鏡10、接收光纖11、通孔。
【具體實施方式】
[0021]圖f 3是本發明的最佳實施例，下面結合附圖f 3對本發明做進一步說明。
[0022]參照附圖廣2:動態光散射可變角度光纖探頭檢測裝置，包括光纖探頭和樣品池7，光纖探頭一端與樣品池7連接，且在連接處設有連通孔，光纖探頭包括外殼體1、光纖、透鏡和角度調整機構，外殼體I內并排安裝發射透鏡5和接收透鏡9，發射透鏡5和接收透鏡9 一端對應連接發射光纖4和接收光纖10，發射透鏡5和接收透鏡9之間設有調整兩透鏡之間夾角的角度調整機構，角度調整機構固定端固定連接外殼體I。
[0023]發射透鏡5和接收透鏡9為自聚焦透鏡，自聚焦透鏡的節距為0.25，發射透鏡5和接收透鏡9 一端分別通過轉動軸承8安裝在外殼體I內一側，發射透鏡5和接收透鏡9平行安裝。
[0024]角度調整機構為轉輪機構，包括調節轉輪2、轉軸3和拉簧6，轉軸3兩端固定在外殼體I上，在轉軸3中部固定套裝調節轉輪2，調節轉輪2邊緣穿插在發射透鏡5和接收透鏡9之間的空間內，并在發射透鏡5和接收透鏡9中部之間固定連接拉簧6。
[0025]調節轉輪2為邊緣設有形狀不規則凸邊、中部為薄片的圓盤，調節轉輪2邊緣的凸邊頂部呈斜面設置，形成連續的弧形凸邊，且凸邊邊緣的縱截面呈側立的梯形截面設計。通過不規則、不等高的凸邊來實現對發射透鏡5和接收透鏡9之間間隔距離的調整，從而實現發射透鏡5和接收透鏡9之間的轉動夾角的調節。
[0026]凸邊邊緣的縱截面呈側立的梯形截面設計，是為了防止在轉動過程中與透鏡發生摩擦，凸邊沿中部薄片形輪輻左右對稱，凸邊總寬度是漸變的，沿調節轉輪邊緣，寬度由小到大的變化，寬度最大的位置轉動到兩個透鏡之間時，透鏡末端被分開的距離越大，寬度最小的位置轉動到兩個透鏡之間時，透鏡末端分開的距離是最小，由于透鏡前端通過軸承固定，只能轉動不能移動，因此，兩個透鏡就指向不同的角度，從而實現角度的調整，刻度標注在邊緣的頂端，最大角度標注值對應著最寬位置，并且處在兩個透鏡之間位置。
[0027]調節轉輪2的外邊緣還可設有刻度線，通過刻度線來判斷發射透鏡5和接收透鏡9之間的轉動夾角的大小。
[0028]還可在外殼體I內設有安裝支架，光纖、透鏡和角度調整機構通過安裝支架安裝在外殼體I內，在外殼體I與安裝支架之間設有隔離樣品池7和光纖探頭的隔膜。
[0029]一種利用上述的動態光散射可變角度光纖探頭檢測裝置的檢測方法，包括以下步驟:
a、發射光纖4通過外殼體I 一端設置的通孔11穿出外殼體I通過光纖耦合器連接激光器，接收光纖10連接光電倍增管，光電倍增管的信號輸出給光子相關器，光子相關器連接計算機。
[0030]、發射光纖4和接收光纖10的尾端連接發射透鏡5和接收透鏡9，透鏡均靠近樣品池7的容器壁上，通過角度調整機構調整發射透鏡5和接收透鏡9之間的夾角；
給轉軸3提供動力,通過轉軸3帶動調節轉輪2發生轉動,依靠調節轉輪2邊緣不規則設置的凸邊不斷增加或減小發射透鏡5和接收透鏡9之間的間距，從而調整發射透鏡5和接收透鏡9之間的夾角，并通過調節轉輪2的外邊緣設有的刻度線來判斷轉動夾角的大小。
[0031]、由激光器提供垂直偏振光進入發射光纖4,激光通過發射光纖4到達發射透鏡5,激光再經過發射透鏡5準直后射入被測介質，散射介質形成的散射光通過接收透鏡9進入接收光纖10中，進而通過接收光纖10進入光電倍增管。
[0032]d、接收光纖10的另一端通過連接器連接光電倍增管，將散射光傳輸到光電倍增管陰極表面。光電倍增管將光子脈沖信號轉換成電脈沖信號，并將電脈沖信號送入光子相關器，光子相關器對脈沖信號做自相關運算后，將光強自相關函數送入計算機進行處理，進而使用累積分析法處理實驗數據，獲取顆粒的平均粒徑及其粒度分布。
[0033]使用標準聚苯乙烯球形顆粒的水溶液，來檢驗測量裝置的準確性。光源為632.Snm波長的垂直偏振激光器，激光束從發射光纖末端射入樣品池，入射光束與接收光束的夾角為α，因此散射角為J1-α。。使用Hamamatsu H8259型光電倍增管接收散射光，使用Brookhaven TurboCorr光子相關器計算光強自相關函數,然后將相關函數送入計算機進行數據處理。實驗溫度為21° C。α角分別為18?22°時，通過實驗獲得的光強自相關函數曲線如附圖3所示，由此可見，調整入射光束與接收光束的夾角，以最優的夾角α=20°接收散射光時，獲得的相關函數截距最大為0.68，此時信號的信噪比最高，因此提高了檢測數據的準確性。
[0034]以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非是對本發明作其它形式的限制，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發明技術方案的保護范圍。
【權利要求】
1.動態光散射可變角度光纖探頭檢測裝置，包括光纖探頭和樣品池(7)，光纖探頭一端與樣品池(7)連接，且在連接處設有連通孔，其特征在于:所述的光纖探頭包括外殼體(I)、光纖、透鏡和角度調整機構，外殼體(I)內并排安裝發射透鏡(5 )和接收透鏡(9 )，發射透鏡(5 )和接收透鏡(9 ) 一端對應連接發射光纖(4)和接收光纖(10 )，發射透鏡(5 )和接收透鏡(9)之間設有調整兩透鏡之間夾角的角度調整機構，角度調整機構固定端固定連接外殼體(I)。
2.根據權利要求1所述的動態光散射可變角度光纖探頭檢測裝置，其特征在于:所述的發射透鏡(5)和接收透鏡(9)為自聚焦透鏡，發射透鏡(5)和接收透鏡(9) 一端分別通過轉動軸承(8 )安裝在外殼體(I)內一側。
3.根據權利要求1所述的動態光散射可變角度光纖探頭檢測裝置，其特征在于:所述的角度調整機構為轉輪機構，包括調節轉輪(2)、轉軸(3)和拉簧(6)，轉軸(3)兩端固定在外殼體(I)上，在轉軸(3 )中部固定套裝調節轉輪(2 )，調節轉輪(2 )邊緣穿插在發射透鏡(5)和接收透鏡(9)之間的空間內，并在發射透鏡(5)和接收透鏡(9)中部之間固定連接拉簧(6)。
4.根據權利要求3所述的動態光散射可變角度光纖探頭檢測裝置，其特征在于:所述的調節轉輪(2)為邊緣設有凸邊、中部為薄片的圓盤，調節轉輪(2)邊緣的凸邊頂部呈斜面設置，形成連續的弧形凸邊，且凸邊邊緣的縱截面呈側立的梯形截面設計。
5.根據權利要求3所述的動態光散射可變角度光纖探頭檢測裝置，其特征在于:所述的調節轉輪(2)的外邊緣設有刻度線。
6.根據權利要求1所述的動態光散射可變角度光纖探頭檢測裝置，其特征在于:所述的外殼體(I)內設有安裝支架，光線、透鏡和角度調整機構通過安裝支架安裝在外殼體(I)內，在外殼體(I)與安裝支架之間設有隔離樣品池(7)和光纖探頭的工字型結構設置的隔膜。
7.一種利用權利要求1飛任一項所述的動態光散射可變角度光纖探頭檢測裝置的檢測方法，其特征在于:包括以下步驟: a、發射光纖(4)穿出外殼體(I)通過光纖耦合器連接激光器，接收光纖(10)連接光電倍增管，光電倍增管的信號輸出給光子相關器，光子相關器連接計算機； b、發射光纖(4)和接收光纖(10)的尾端連接透鏡，透鏡均靠近樣品池(7)的容器壁上，通過角度調整機構調整發射透鏡(5)和接收透鏡(9)之間的夾角； C、由激光器提供垂直偏振光進入發射光纖(4)，激光通過發射光纖(4)到達發射透鏡(5)，激光再經過發射透鏡(5)準直后射入被測介質，散射介質形成的散射光通過接收透鏡(9)進入接收光纖(10)中，進而通過接收光纖(10)進入光電倍增管，光電倍增管輸出電脈沖送入光子相關器； d、光子相關器進行自相關運算，得到光強自相關函數曲線，并送入計算機，使用累積分析法處理相關函數數據，獲得所測顆粒的平均粒徑。
【文檔編號】G01N15/02GK104237086SQ201410561692
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月18日 優先權日:2014年10月18日
【發明者】劉偉, 馬立修, 陳文鋼, 楊林 申請人:山東理工大學