CN103712925A - 用于采集散射介质中径向扩散反射光的多路光纤锥套装置 - Google Patents

Abstract

一种用于采集散射介质中径向扩散反射光的多路光纤锥套装置，有贯穿入射光纤套管一端连接光源另一端照射样品的入射光纤和接收光纤，入射光纤套管接近于样品的那部分的外部套有光源管，光源管与套在外侧的传动轮螺纹连接，传动轮上设置有套在光源管外侧的推力轴承，推力轴承上设置有圆桶形结构的锥套支架，锥套支架的内周边等间距的固定设置有燕尾槽架，光源管上端固定设置一圆锥台面，圆锥台面与锥套支架底面之间设置有弹簧，圆锥台面的上端面上设置有导向槽，每一个燕尾槽架内都嵌入有一个端头连接一束接收光纤的滑动键，接收光纤的另一端贯穿锥套支架的底面以及接收光纤套连接检测器。本发明结构紧凑，动力源唯一，接收光纤移动同步，拆装简易、操作灵活携带方便。

Description

用于采集散射介质中径向扩散反射光的多路光纤锥套装置

技术领域

本发明涉及一种采集散射介质中径向扩散反射光的装置。特别是涉及一种用于采集散射介质中径向扩散反射光的多路光纤锥套装置。

背景技术

在光谱分析中，经常利用光纤采集强散射性的样品中的扩散反射光，通过检测扩散反射光强信息得出样品组分的浓度信息。根据接收光纤与光源光纤径向距离的固定与否，现有的测量装置可分为两种：

一种是径向距离固定的，接收光纤的径向距离一般是经过理论推导及模拟验证的最佳测量位置，通常在该距离下周向布满接收光纤，以提高该位置处的信号拾取率，但这种形式的测头就只能接收某一径向上的扩散反射光。如果要变换测量半径，就必须更换新的测头。尤其是一些测试样品的最佳测量位置需要实验确定，或是样品中不同组分对应不同的最佳测量位置，此时就需要很多测头。所以这种固定半径的测量方式成本高，测量不便，不能有效采集连续径向上的光强信息，而往往只有一个位置的光强信息对后续的光谱分析是不够的。

另一种是接收光纤的径向距离是可调节的，这种方式可以获取距离光源连续径向上的扩散反射光信息，目前较常用的方法是用可作直线传动的装置搭载单束接收光纤，连续调节它的径向位置来实现，但是单束接收光纤对某一径向位置处的扩散反射光拾取率低，信号弱，对光电检测器的灵敏度和放大电路低噪声性要求很高。为了提高有用信号的拾取效率，也有用多套直线传动装置分别搭载一束接收光纤，围绕着光源排布，控制它们到光源的距离始终相等。然后将各束接收光纤聚拢，其总信号作为某径向位置处的扩散反射光强，。这样的装置结构松散，动力源不唯一，体型重量较大，接收光纤运动一致性不好保证，直接影响径向扩散反射光信息采集的准确性，也给操作和控制带来很大不便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够采集在强散射介质中光源径向上扩散反射光的用于采集散射介质中径向扩散反射光的多路光纤锥套装置。

本发明所采用的技术方案是：一种用于采集散射介质中径向扩散反射光的多路光纤锥套装置，包括有贯穿入射光纤套管一端连接光源另一端照射样品的入射光纤，用于接收样品径向扩散反射光的接收光纤，所述的入射光纤套管接近于样品的那部分的外部套有光源管，所述的光源管通过形成在外周面上的外螺纹与套在外侧的传动轮螺纹连接，所述的传动轮上设置有套在光源管外侧的推力轴承，所述的推力轴承上设置有在传动轮和推力轴承的作用下能够沿所述的光源管上下移动的圆桶形结构的锥套支架，所述锥套支架的内周边等间距的固定设置有5个以上的燕尾槽架，所述的光源管的上端固定设置一位于锥套支架上端口内的圆锥台面，所述圆锥台面与所述的锥套支架底面之间设置有套在光源管外周的弹簧，所述圆锥台面的上端面上设置有与所述的燕尾槽架相对应的5个以上的由中心向外周边沿伸的导向槽，所述的每一个燕尾槽架内都嵌入有一个在锥套支架上下移动时，能够沿所述的圆锥台面上相对应的导向槽水平移动的滑动键，每一个滑动键的端头都连接一束接收光纤，从而使5束以上的接收光纤围绕所述的一束入射光纤设置，所述的5束以上的接收光纤的另一端贯穿所述锥套支架的底面以及接收光纤套连接检测器。

所述的圆锥台面的上面覆盖有环形盖，所述环形盖的中心形成有能够对滑动键起到限位作用的中心环孔。

所述的锥套支架的内周面等间隔且轴向形成有5个以上的用于嵌入和固定所述燕尾槽架的矩形凹槽，所述锥套支架底面的中心形成有用于贯穿光源管的贯通孔，所述的贯通孔上形成有键槽。

所述的燕尾槽架包括有外底面为平面结构的底面和对称的一体形成在所述底面两侧的梯形侧面，所述的底面和两个梯形侧面共同构成深度相等的用于推动滑动键水平移动的燕尾槽。

所述的圆锥台面上在与覆盖在上面的环形盖上所形成的中心环孔相对应处形成有用于定位环形盖的定位凸起，所述的圆锥台面的中心还形成有用于插入光源管上端的通孔。

所述的滑动键为L型结构，所述L型结构的短边嵌入在燕尾槽架的燕尾槽内，所述L型结构的长边嵌入在圆锥台面上的导向槽内，并在燕尾槽架的作用下沿所述导向槽水平移动，所述的L型结构的长边的前端向上凸出的形成有用于通过环形盖进行限位的限位凸起，所述L型结构的短边上还形成有盲孔，所述的该盲孔内设置有能够使滑动键与所述的燕尾槽架保持弹性接触的弹性元件。

所述的弹性元件包括有一个U形套和设置在U形套内的弹簧。

所述的光源管的外侧面上轴向形成有用于嵌入在形成于锥套支架底面的贯通孔上的键槽内对锥套支架进行导向的平键。

所述的入射光纤套管的顶端设置有开口导正销，所述开口导正销的上端口的直径大于下端口的直径，并插入到所述光源管上端口内，在开口导正销内轴向形成有贯穿入射光纤的贯通孔，在开口导正销上端口上沿轴线开有具有一定宽度的用于对入射光纤进行定位加紧的半通口。

本发明的用于采集散射介质中径向扩散反射光的多路光纤锥套装置，可同时调节多路接收光纤径向距离，采取锥套结构实现接收光纤位置的连续变化，使其结构紧凑，动力源唯一，小型化，接收光纤移动同步化，具有拆装简易、操作灵活和携带方便等特点，可适应连续径向扩散反射光的采集要求，同时又具有较高的信号拾取效率和准确性。

附图说明

图1是本发明整体结构等轴测剖视图；

图2是图1中弹簧的张力对装置的作用效果图；

图3是环形盖内圈作为滑动键离心运动限位处的示意；

图4是锥套支架、燕尾槽架、滑动键和圆锥台面之间的结构示意图；

图5是锥套支架与燕尾槽架之间的结构示意图；

图6是滑动键分别与燕尾槽架和圆锥台面结合做径向移动时的受力作用示意图；

图7是圆锥台面的等轴测剖视以及其与光源管过盈装配的示意图；

图8是滑动键的结构示意图；

图9是滑动键与燕尾槽架连接的结构示意图；

图10是弹性元件的结构示意图；

图11是光源管与开口导正销结合的外部结构示意图；

图12是光源管与开口导正销结合的内部结构示意图。

图中

1：环形盖            2：弹性元件

3：圆锥台面          4：燕尾槽架

5：推力轴承          6：光源管

7：传动轮            8：锥套支架

9：平键              10：弹簧

11：滑动键           12：开口导正销

13：入射光纤         14：接收光纤

15：入射光纤套管     16：导向槽

17：接收光纤套       18：中心环孔

19：矩形凹槽         20：燕尾槽

21：定位凸起         22：限位凸起

23：U形套            24：弹簧

25：半通口           26：螺孔

27：接收光纤出孔     28：螺孔

29：盲孔             30：外螺纹

31：光源贯通孔       32：键槽

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的用于采集散射介质中径向扩散反射光的多路光纤锥套装置做出详细说明。

如图1、图2图3、图4所示，本发明的用于采集散射介质中径向扩散反射光的多路光纤锥套装置，是用于强散射介质中采集光源径向上扩散反射光的多路光纤测头，包括有贯穿入射光纤套管15一端连接光源另一端照射样品的入射光纤13，用于接收样品径向扩散反射光的接收光纤14，所述的入射光纤套管15接近于样品的那部分的外部套有光源管6，所述的光源管6通过形成在外周面上的外螺纹30与套在外侧的传动轮7螺纹连接，所述的传动轮7上设置有套在光源管6外侧的推力轴承5，所述的推力轴承5上设置有在传动轮7和推力轴承5的作用下能够沿所述的光源管6上下移动的圆桶形结构的锥套支架8，所述锥套支架8的内周边等间距的固定设置有5个以上的燕尾槽架4，所述的光源管6的上端固定设置一位于锥套支架8上端口内的圆锥台面3，所述圆锥台面3与所述的锥套支架8底面之间设置有套在光源管6外周的弹簧10，所述圆锥台面3的上端面上设置有与所述的燕尾槽架4相对应的5个以上的由中心向外周边沿伸的导向槽16，所述的每一个燕尾槽架4内都嵌入有一个在锥套支架8上下移动时，能够沿所述的圆锥台面3上相对应的导向槽16水平移动的滑动键11，每一个滑动键11的端头都连接一束接收光纤14，从而使5束以上的接收光纤14围绕所述的一束入射光纤13设置，所述的5束以上的接收光纤14的另一端贯穿所述锥套支架8的底面以及接收光纤套17连接检测器，本例设置有8束光纤，从而也就设置有8个燕尾槽架4。所述的圆锥台面3的上面覆盖有环形盖1，所述环形盖1的中心形成有能够对滑动键11起到限位作用的中心环孔18。

入射光纤13装在测头的中心，它通过一个接头将光源引入到待测样品中，接收光纤14被设计成八合一的形式，末端分成八束分别粘在八个滑动键11上，如图3所示，每个单束接收光纤到入射光纤的距离相等，所以接收到的是距离入射光纤同一径向半径处的扩散反射光，八个单束接收光纤后经聚拢送入检测器，检测器收到的是八束的总光强。

从图1可以看出该装置动力源是传动轮7。传动轮7与光源管6是螺纹配合，当传动轮绕着光源管转动时通过传动轮上方的推力轴承5（轴圈与传动轮配合并随之转动、座圈与锥套支架配合，不随轴承转动）推动锥套支架8沿着光源管6向上或向下（向下时，弹簧10提供回复力）运动，依靠锥套支架上燕尾槽架4的斜面的推力或拉力带动各路滑动键11（其前端面上粘接有接收光纤）一齐向心或离心运动，由此带动接收光纤采集样品中不同径向距离上的扩散反射光。

如图1、图2、图5所示，所述的锥套支架8的内周面等间隔且轴向形成有5个以上的用于嵌入和固定所述燕尾槽架4的矩形凹槽19，所述锥套支架8底面的中心形成有用于贯穿光源管6的光源贯通孔31，所述的贯通孔上形成有键槽32。

如图1、图2、图6所示，所述的燕尾槽架4包括有外底面为平面结构的底面和对称的一体形成在所述底面两侧的梯形侧面，所述的底面和两个梯形侧面共同构成深度相等的用于推动滑动键11水平移动的燕尾槽20。

锥套支架8上均布着矩形槽，每个矩形槽内通过锥套支架外侧（铣成平面处）的螺钉装有一个燕尾槽架4，这个整体构成了一个“内锥面”，如图5所示，二者合称为锥套，锥套兼顾了在不同高度上连续取得不同圆半径的功能要求及其机械加工工艺的可实现性，因为直接在内锥面上加工燕尾槽几乎是不可能的，所以用均布的梯形块上的斜面来代替内锥面，而梯形块却是可以被分离出来再加工出燕尾槽的。

如图6、图7所示，所述的圆锥台面3上在与覆盖在上面的环形盖1上所形成的中心环孔18相对应处形成有用于定位环形盖1的定位凸起21，所述的圆锥台面3的中心还形成有用于插入光源管6上端的通孔。

以其中的单路运动传递为例，锥套支架8和嵌入在其内的多个燕尾槽架4所构成的锥套的上下移动会通过形成在燕尾槽架4上的燕尾槽20给滑动键11一个垂直于两者接触面的作用力，但是由于圆锥台面上矩形槽和覆盖环1（通过螺钉固定在圆锥台面上）的作用分别抵消滑动键受到的竖直方向上的向下或向上的分力，如图6所示。滑动键11的综合受力只剩下了水平分量，所以它只能沿着圆锥台面3上的矩形导向槽16移动，指向圆锥台面的几何中心，而圆锥台面的中心孔与光源管过盈装配（图7），使两者的中心轴线重合，由此也就使得滑动键的移动方向指向光源管径向。由于入射光纤13置于光源管中心线上，接收光纤14粘接在滑动键前端面上且过其中轴线，并将这种结构以光源管为中心周向均布，所有的接收光纤到入射光纤的距离都相等，就能采集光源连续变化的不同径向位置上的光谱信号了。

如图1、图2、图8、图9、图10所示，所述的滑动键11为L型结构，所述L型结构的短边嵌入在燕尾槽架4的燕尾槽内，所述L型结构的长边嵌入在圆锥台面3上的导向槽16内，并在燕尾槽架4的作用下沿所述导向槽16水平移动，所述的L型结构的长边的前端向上凸出的形成有用于通过环形盖1进行限位的限位凸起22，所述L型结构的短边上还形成有盲孔29，所述的该盲孔29内设置有能够使滑动键11与所述的燕尾槽架4保持弹性接触的弹性元件2，所述的弹性元件2包括有一个U形套23和设置在U形套23内的弹簧24。

滑动键的斜面上钻有一个盲孔29，内置一个弹性元件，弹性元件结构如图10，是一个圆顶空心柱面包含一个小弹簧。滑动键要在燕尾槽中移动，两者就必然有间隙，从而使得锥套在换向动作时滑动键的反向移动有回程误差，弹性元件的作用就是保证锥套在由下向上的换向中，指向入射光纤的合外力能立刻传递到滑动键上，而不是先“走过”回程间隙，再作用到滑动键上，弹性元件的圆顶设计是为了减小滑动摩擦。

同理，图1中的弹簧10也可以起到消除回程间隙的作用，但它是在由上向下的换向中发挥作用，并且弹簧10的作用不仅限于此：弹簧被压在圆锥台面与锥套之间，如图2所示，在两者距离的伸缩行程中起支撑作用，使力的传递具有实时性；推力轴承是一种分离型轴承，轴圈、座圈和保持架并不是装成一体的，弹簧10使推力轴承分别与锥套支架和传动轮紧密联接。

滑动键沿光源管径向作连续离心运动时，其上的凸台会顶到环形盖上，如图3所示，此时环形盖兼有限位的作用，可以以此处为光谱采集的起点，各路滑动键归零于此，然后再共同做向心运动，由远及近测量径向光强。

如图11所示，所述的光源管6的外侧面上轴向形成有用于嵌入在形成于锥套支架8底面的贯通孔上的键槽32内对锥套支架8进行导向的平键9。

光源管上的平键9是在锥套沿着其轴线上下运动时，起到限制锥套绕光源管做周转运动的自由度的作用。传动轮与光源管以细牙螺纹（螺距P）联接，加上燕尾槽架的斜度K（图6、图9）和传动轮的转角细分度数γ可以实现滑动键位移的精确传递，传动轮每转过γ角，锥套沿光源管轴线移动γ/360°倍的螺距，而滑动键的位移在此基础上再除以K：

滑动键位移分辨率s=P/(360°/γ×K)

以螺距P=0.75mm、传动轮最小转角γ=1.8°、斜度K=3:1为例，分辨率s可达0.00125mm，并且传动轮的转角如果可以更进一步细分以及燕尾槽架的斜度再增大均可以提高分辨率。

如图11、图12所示，所述的入射光纤套管15的顶端设置有开口导正销12，所述开口导正销12的上端口的直径大于下端口的直径，并插入到所述光源管6上端口内，在开口导正销12内轴向形成有贯穿入射光纤13的贯通孔，使得入射光纤13穿过，在开口导正销12上端口上沿轴线开有具有一定宽度的用于对入射光纤13进行定位加紧的半通口25。

入射光纤13插入光源管6的阶梯孔中，入射光纤套管15与其主体轴线之间不重合，开口导正销12因为内孔比细钢管大一些，所以无法把入射光纤“扶正”到系统的中心，所以：首先把开口导正销12设计成了带有小锥度的圆柱体，在其圆形截面上沿着轴线切出一个一定宽度的半通口25，如图11、图12所示，这样让入射光纤的细钢管穿过其中心孔，然后再将开口导正销12插入光源管中，在向下摁压开口导正销12的过程中，其开口处收缩加紧细钢管，在最大限度上保证入射光纤与光源管的同轴度，即处于整个装置的理想中心基准上。

Claims (9)

1.一种用于采集散射介质中径向扩散反射光的多路光纤锥套装置，包括有贯穿入射光纤套管（15）一端连接光源另一端照射样品的入射光纤（13），用于接收样品径向扩散反射光的接收光纤（14），其特征在于，所述的入射光纤套管（15）接近于样品的那部分的外部套有光源管（6），所述的光源管（6）通过形成在外周面上的外螺纹与套在外侧的传动轮（7）螺纹连接，所述的传动轮（7）上设置有套在光源管（6）外侧的推力轴承（5），所述的推力轴承（5）上设置有在传动轮（7）和推力轴承（5）的作用下能够沿所述的光源管（6）上下移动的圆桶形结构的锥套支架（8），所述锥套支架（8）的内周边等间距的固定设置有5个以上的燕尾槽架（4），所述的光源管（6）的上端固定设置一位于锥套支架（8）上端口内的圆锥台面（3），所述圆锥台面（3）与所述的锥套支架（8）底面之间设置有套在光源管（6）外周的弹簧（10），所述圆锥台面（3）的上端面上设置有与所述的燕尾槽架（4）相对应的5个以上的由中心向外周边沿伸的导向槽（16），所述的每一个燕尾槽架（4）内都嵌入有一个在锥套支架（8）上下移动时，能够沿所述的圆锥台面（3）上相对应的导向槽（16）水平移动的滑动键（11），每一个滑动键（11）的端头都连接一束接收光纤（14），从而使5束以上的接收光纤（14）围绕所述的一束入射光纤（13）设置，所述的5束以上的接收光纤（14）的另一端贯穿所述锥套支架（8）的底面以及接收光纤套（17）连接检测器。

2.根据权利要求1所述的用于采集散射介质中径向扩散反射光的多路光纤锥套装置，其特征在于，所述的圆锥台面（3）的上面覆盖有环形盖（1），所述环形盖（1）的中心形成有能够对滑动键（11）起到限位作用的中心环孔（18）。

3.根据权利要求1所述的用于采集散射介质中径向扩散反射光的多路光纤锥套装置，其特征在于，所述的锥套支架（8）的内周面等间隔且轴向形成有5个以上的用于嵌入和固定所述燕尾槽架（4）的矩形凹槽（19），所述锥套支架（8）底面的中心形成有用于贯穿光源管（6）的贯通孔（31），所述的贯通孔上形成有键槽（32）。

4.根据权利要求1所述的用于采集散射介质中径向扩散反射光的多路光纤锥套装置，其特征在于，所述的燕尾槽架（4）包括有外底面为平面结构的底面和对称的一体形成在所述底面两侧的梯形侧面，所述的底面和两个梯形侧面共同构成深度相等的用于推动滑动键（11）水平移动的燕尾槽（20）。

5.根据权利要求1或2所述的用于采集散射介质中径向扩散反射光的多路光纤锥套装置，其特征在于，所述的圆锥台面（3）上在与覆盖在上面的环形盖（1）上所形成的中心环孔（18）相对应处形成有用于定位环形盖（1）的定位凸起（21），所述的圆锥台面（3）的中心还形成有用于插入光源管（6）上端的通孔。

6.根据权利要求1或2所述的用于采集散射介质中径向扩散反射光的多路光纤锥套装置，其特征在于，所述的滑动键（11）为L型结构，所述L型结构的短边嵌入在燕尾槽架（4）的燕尾槽内，所述L型结构的长边嵌入在圆锥台面（3）上的导向槽（16）内，并在燕尾槽架（4）的作用下沿所述导向槽（16）水平移动，所述的L型结构的长边的前端向上凸出的形成有用于通过环形盖（1）进行限位的限位凸起（22），所述L型结构的短边上还形成有盲孔（29），所述的该盲孔（29）内设置有能够使滑动键（11）与所述的燕尾槽架（4）保持弹性接触的弹性元件（2）。

7.根据权利要求6所述的用于采集散射介质中径向扩散反射光的多路光纤锥套装置，其特征在于，所述的弹性元件（2）包括有一个U形套（23）和设置在U形套（23）内的弹簧（24）。

8.根据权利要求1所述的用于采集散射介质中径向扩散反射光的多路光纤锥套装置，其特征在于，所述的光源管（6）的外侧面上轴向形成有用于嵌入在形成于锥套支架（8）底面的贯通孔上的键槽（32）内对锥套支架（8）进行导向的平键（9）。

9.根据权利要求1所述的用于采集散射介质中径向扩散反射光的多路光纤锥套装置，其特征在于，所述的入射光纤套管（15）的顶端设置有开口导正销（12），所述开口导正销（12）的上端口的直径大于下端口的直径，并插入到所述光源管（6）上端口内，在开口导正销（12）内轴向形成有贯穿入射光纤（13）的贯通孔，在开口导正销（12）上端口上沿轴线开有具有一定宽度的用于对入射光纤（13）进行定位加紧的半通口（25）。

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