CN110470390B - 用于超声声致发光信号检测的抗压光纤 - Google Patents

用于超声声致发光信号检测的抗压光纤 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于超声声致发光信号检测的抗压光纤，包括光纤本体，光纤本体包括光纤束和设置于光纤束外的用于抗压防水的保护层，光纤束包括至少两根单芯光纤，在光纤束与保护层之间的间隙设置有用于密封的密封胶。本发明中的抗压光纤包括至少两根单芯光纤，从而增加了传输芯径，使得超声空化发出的光线很容易耦合进入光纤，且能收集到适用于光谱检测的光线信号，光纤对紫外到可见光区域光线吸收低，透光效果好。本发明中的抗压光纤可将超声换能器产生的声致发光信号有效导出到光学检测装置；抗压光纤可在0～100个标准大气压的静水压力下实现导光至加压罐体外部进行检测。

Description

用于超声声致发光信号检测的抗压光纤
技术领域
本发明属于超声声致发光信号检测技术领域，具体涉及一种用于超声声致发光信号检测的抗压光纤。
背景技术
超声声致发光是超声的空化产生的现象，发光的强度与超声频率、超声换能器的电功率、静水压力、超声水介质或其它液体介质的氧容量等因素有关。对超声声致发光现象的理解，主要是通过检测发光的强度、光谱和发光的周期性来研究。直接在加压罐体外直接测试光信号存在一定难度，只要是因为超声所使用的工作介质为水或其它液体介质，光经过水或其它液体介质和加压罐体上的玻璃观测窗口传输时，会对产生光的损耗，特别是光线中的紫外波段的光线部分会部分或全部被损耗。加之，超声声致发光本身光线强度较弱，超声换能器不能大功率输出条件下长时间工作(单次工作时间小于60s)。因此在检测设备，包括常见的光学检测装置，CCD以及PMT(光电倍增管)等光学设备要在短时间内完成光信号采集工作，会出现检测到光信号很弱，光信号与仪器背景噪声混在一起的情况，给实验研究带来困难，甚至更多的情况下会检测不到任何发光信号。声致发光的光线强度，与静水压力有密切关系，具体表现为静水压力越大，发光强度越大。提升静水压力，也是研究超声声致发光的重点。同时高声压物理极端条件，可以产生新的物理现象，为高能声学的应用展示了广阔的前景。要得到极高的声压，提高静水压力是一个重要的途径。故声致发光、焦域形态、空化云等检测都有必要在加压条件下进行。
另外，超声声致发光光强有相当大部分来自紫外波段的光纤(小于400nm)，普通光纤无法传输紫外光线或者对紫外光线的吸收较严重。普通光纤多为单芯光纤，传输芯径小，超声空化所发出的光线很难耦合进入光纤，即使能耦合进入，也会因为收集和传输的光线较弱，无法满足检测的需求。
所以需要能抗压、能传输波长范围在200-800nm的光线、能最大传输出声致发光的光线的光纤。且要求光纤前端设计尺寸不能过大(一般应该小于或者等于超声波长)，过大会破坏声场的完整性，影响声致发光的光线强度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种用于超声声致发光信号检测的抗压光纤，解决了现有技术中的普通光纤无法传输超声声致发光中的紫外光线或者对紫外光线吸收较严重。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种用于超声声致发光信号检测的抗压光纤，包括光纤本体，光纤本体包括光纤束和设置于光纤束外的用于抗压防水的保护层，光纤束包括至少两根单芯光纤，在光纤束与保护层之间的间隙设置有用于密封的密封胶。单芯光纤的材质是石英。
优选的是，所述的用于超声声致发光信号检测的抗压光纤包括光纤采集段和与光纤采集段连接的光纤接收段，光纤采集段用于采集超声声致发光信号，光纤接收段用于外接输出超声声致发光的光学检测装置。
优选的是，光纤采集段的芯径为0.6λ～λ。
优选的是，光纤采集段的用于采集的采集端面在超声波焦域边界处的立体角为80°～90°。
优选的是，光纤采集段的保护层包括依次设置于光纤采集段的光纤束外的第一不锈钢层、第二不锈钢层。
优选的是，光纤本体包括光纤束中段，光纤束中段设置于光纤采集段的光纤束和光纤接收段的光纤束之间，光纤束中段的每根单芯光纤的两端分别与光纤采集段的每根单芯光纤、光纤接收段的每根单芯光纤连接，光纤束中段设置于光纤座内，光纤座设置有与光纤束中段中的单芯光纤数目相同的光纤座通孔，光纤束中段的每根单芯光纤穿过光纤座通孔，每个光纤座通孔与其内的光纤束中段的单芯光纤之间的空隙设置有用于密封的密封胶。
优选的是，所述的用于超声声致发光信号检测的抗压光纤还包括光纤过渡段，光纤过渡段设置于光纤采集段和光纤座之间，光纤过渡段的每根单芯光纤的两端分别与光纤采集段的每根单芯光纤、光纤束中段的每根单芯光纤连接，光纤过渡段的保护层包括依次设置于光纤过渡段的光纤束外的第一不锈钢螺纹管、第一塑料层，在光纤过渡段的光纤束与第一不锈钢螺纹管之间的间隙设置有第一填充层。第一填充层的材质为塑料。
优选的是，所述的用于超声声致发光信号检测的抗压光纤还包括转接件，光纤过渡段与光纤采集段通过转接件连接。
优选的是，光纤接收段的保护层包括依次设置于光纤接收段的光纤束外的第二不锈钢螺纹管、第二塑料层，在光纤接收段的光纤束与第二不锈钢螺纹管之间的间隙设置有第二填充层。第二填充层的材质为塑料。
优选的是，光纤束包括19根单芯光纤，其中1根单芯光纤穿过在光纤座的中心轴设置的1个光纤座通孔，光纤座的中心轴外围依次设置有第一环形区域、第二环形区域，其中6根单芯光纤分别穿过在第一环形区域均匀分布的6个光纤座通孔，其中12根单芯光纤分别穿过在第二环形区域均匀分布的12个光纤座通孔。
优选的是，单芯光纤的芯径为200～600μm。
本发明中用于超声声致发光信号检测的抗压光纤，包括至少两根单芯光纤，从而增加了传输芯径，使得超声空化发出的光线很容易耦合进入光纤，且能收集到适用于光谱检测的光线信号，光纤对紫外到可见光区域光线吸收低，透光效果好。本发明中的抗压光纤可将超声换能器产生的声致发光信号有效导出到光学检测装置；抗压光纤可在0～100个标准大气压的静水压力下实现导光至加压罐体外部进行检测；光纤束中的单芯光纤数量和抗压光纤长度可根据实验需求进行调整，达到检测的有效性和安全性。
附图说明
图1是本发明实施例2中的用于超声声致发光信号检测的抗压光纤的整体结构示意图；
图2是本发明实施例2中的光纤采集段的采集端的结构示意图；
图3是本发明实施例2中的光纤采集段和光纤过渡段的结构示意图；
图4是本发明实施例2中的光纤座的结构示意图；
图5是本发明实施例2中的光纤座的局部剖面图；
图6是本发明实施例2中的光纤接收段的结构示意图；
图7是本发明实施例2中的超声声致发光实验装置的结构示意图。
图中：1-光纤束；2-单芯光纤；3-光纤采集段；4-光纤接收段；5-采集端；6-接收端；7-紧固金属圈；8-定位槽；9-第一不锈钢层；10-第二不锈钢层；11-光纤束中段；12-光纤过渡段；13-第一不锈钢螺纹管；14-第一塑料层；15-第一填充层；16-转接件；17-第二不锈钢螺纹管；18-第二塑料层；19-第二填充层；20-螺母；21-光纤座通孔；22-螺栓；23-头部；24-螺杆；25-凹槽；26-第一不锈钢防水外壳；27-第二不锈钢防水外壳；28-加压罐体；29-超声换能器；30-光纤座；31-抗压光纤；32-光学检测装置；33-超声发光区域；34-不锈钢铠装外壳。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例提供一种用于超声声致发光信号检测的抗压光纤，包括光纤本体，光纤本体包括光纤束和设置于光纤束外的用于抗压防水的保护层，光纤束包括至少两根单芯光纤，在光纤束与保护层之间的间隙设置有用于密封的密封胶。
本实施例中用于超声声致发光信号检测的抗压光纤，包括至少两根单芯光纤，从而增加了传输芯径，使得超声空化发出的光线很容易耦合进入光纤，且能收集到适用于光谱检测的光线信号。本实施例中的抗压光纤可将超声换能器产生的声致发光信号有效导出到光学检测装置；抗压光纤可在0～100个标准大气压的静水压力下实现导光至加压罐体外部进行检测；光纤束中的单芯光纤数量和抗压光纤长度可根据实验需求进行调整，达到检测的有效性和安全性。
实施例2
如图1～6所示，本实施例提供一种用于超声声致发光信号检测的抗压光纤，包括光纤本体，光纤本体包括光纤束1和设置于光纤束1外的用于抗压防水的保护层，光纤束1包括至少两根单芯光纤2，在光纤束1与保护层之间的间隙设置有用于密封的密封胶。单芯光纤2包括光纤芯和设置于光纤芯外的光纤芯保护层，具体的光纤芯的材质为石英，光纤芯保护层的材质为塑料，光纤芯采用石英材质能够增加紫外光线的透过率。在水介质中，每根单芯光纤2均可抗受100个标准大气压(10MPa)的静水压力，静水压力最大值为120个标准大气压(12MPa)，并长时间的稳定工作。
本实施例中用于超声声致发光信号检测的抗压光纤，包括至少两根单芯光纤2，从而增加了传输芯径，使得超声空化发出的光线很容易耦合进入光纤，且能收集到适用于光谱检测的光线信号。
如图1所示，需要说明的是，本实施例中用于超声声致发光信号检测的抗压光纤包括光纤采集段3和与光纤采集段3连接的光纤接收段4，光纤采集段3用于采集超声声致发光信号，光纤接收段4用于外接输出超声声致发光的光学检测装置32。具体的，光纤采集段3的采集端5为准直，可配合收光透镜使用。光纤接收段4可配合光谱仪使用，光纤接收段4的接收端6中的多根单芯光纤2呈直线排列，排列长度不超过光谱仪本身光纤接口的直径，与光谱仪的狭缝相匹配，从而增大了导入光谱仪的光线强度，减少导入到的光学检测装置32中的光纤强度的损耗。具体的，本实施例中的光纤接收段4的接收端6中的多根单芯光纤2的排列长度为4.5mm。
在超声声致发光实验中，将光纤采集段3的采集端5尽可能靠近发光焦点。通过调节光纤接收段4和发光焦点的角度，在光纤接收段4可以在较暗环境中可判断发光焦点所发出光线是否耦合进入了抗压光纤或者用光学检测装置32检测固定波长的光信号。当声致发光信号耦合进入光纤采集段3的采集端5，经抗压光纤将光信号传到光纤接收段4的接收端6，接收端6与光谱检测装置、PMT(光电倍增管)等光学检测装置32连接，进行光信号数据采集和分析，接收端6能够直接匹配光学检测装置32，采用直插式的方式，方便装卸。光纤接收段4的接收端6上设置有卡环锁紧机构，光纤接收段4的接收端6通过卡环锁紧机构与采集仪器稳定连接。具体的，卡环锁紧机构为设置于光纤接收段4的接收端6外的紧固金属圈7，光纤接收段4的接收端6外设置有不锈钢铠装外壳34，接收端6中的多根单芯光纤2在不锈钢铠装外壳34内呈线性排列，不锈钢铠装外壳34上设置有用于定位的定位槽8，定位槽8用于限制抗压光纤旋转。抗压光纤总长度可根据实验需求进行加工，在使用过程中，实验对象和光学检测装置32之间的位置可以灵活多变。光学检测装置32可以远离加压罐体28，防止加压罐体28中超声工作介质水和其他液体溅到光学检测装置32上，有利于光学检测装置32的保护和操作人员的安全防护。
优选的是，光纤采集段3的芯径为0.6λ～λ。本实施例中的光纤采集段3的芯径为0.8λ。超声波波长λ＝2.33mm。具体单芯光纤2数量应该满足以下条件，光纤采集段3的芯径(包括保护层)不超过超声波波长λ，超声声致发光区域半径大小应该接近衍射极限尺寸0.61λ。
如图2所示，优选的是，光纤采集段3的用于采集的采集端面在超声波焦域边界处的立体角为80°～90°。本实施例中光纤采集段3的用于采集的采集端面在超声波焦域边界处的立体角为85°。光纤采集段3的芯径(包括保护层)应等于超声的焦域大小，设计保证光纤采集段3的用于采集的采集端面在焦域边界处的立体角为90°，光纤能够采集焦域发光总量的1/8。光纤采集段3的用于采集的采集端面的面积大，容易耦合超声声致发光，增强了光学检测装置32所接收到的光线强度。
如图3所示，需要说明的是，本实施例中光纤采集段3的保护层包括依次设置于光纤采集段3的光纤束外的第一不锈钢层9、第二不锈钢层10。第一不锈钢层9、第二不锈钢层10两层金属层，既保证光纤采集段3吸收光面积，又保证光纤采集段3为刚性且其外围尺寸最小化，减少抗压光纤进入声场对声场的干扰作用。具体的，本实施例中的第一不锈钢层9为铠装，第二不锈钢层10为铠装。光纤束1中的每根单芯光纤2相互之间保持严格平行，由第一不锈钢层9紧固，提高光线进入抗压光纤的效率。当需要提高抗压光纤的收光效果，可在光纤采集段3外安装光纤准直镜或聚焦透镜。
如图4所示，需要说明的是，本实施例中光纤本体包括光纤束中段11，光纤束中段11设置于光纤采集段3的光纤束和光纤接收段4的光纤束之间，光纤束中段11的每根单芯光纤的两端分别与光纤采集段3的每根单芯光纤、光纤接收段4的每根单芯光纤连接，光纤束中段11设置于光纤座30内，光纤座30设置有与光纤束中段11中的单芯光纤数目相同的光纤座通孔21，光纤束中段11的每根单芯光纤穿过光纤座通孔21，每个光纤座通孔21与其内的光纤束中段11的单芯光纤之间的空隙设置有用于密封的密封胶。
需要说明的是，本实施例中用于超声声致发光信号检测的抗压光纤还包括光纤过渡段12，光纤过渡段12设置于光纤采集段3和光纤座30之间，光纤过渡段12的每根单芯光纤的两端分别与光纤采集段3的每根单芯光纤、光纤束中段11的每根单芯光纤连接，光纤过渡段12的保护层包括依次设置于光纤过渡段12的光纤束外的第一不锈钢螺纹管13、第一塑料层14，在光纤过渡段12的光纤束与第一不锈钢螺纹管13之间的间隙设置有第一填充层15。第一填充层15的材质为塑料。第一不锈钢螺纹管13使得光纤过渡段12的保护层为柔性的，便于光纤过渡段12与光纤座30连接安装。第一不锈钢螺纹管13起到抗水压、减轻水压直接作用到光纤过渡段12的光纤束上，并起到骨架的作用。第一塑料层14起保护和隔水的作用。第一填充层15起到缓冲压力的作用。
需要说明的是，本实施例中用于超声声致发光信号检测的抗压光纤还包括转接件16，光纤过渡段12与光纤采集段3通过转接件16连接。
如图6所示，需要说明的是，本实施例中光纤接收段4的保护层包括依次设置于光纤接收段4的光纤束外的第二不锈钢螺纹管17、第二塑料层18，在光纤接收段4的光纤束与第二不锈钢螺纹管17之间的间隙设置有第二填充层19。第二填充层19的材质为塑料。第二不锈钢螺纹管17使得光纤接收段4的保护层为柔性的，便于光纤接收段4与光纤座30连接安装。第一不锈钢螺纹管13起到抗水压、减轻水压直接作用到光纤接收段4的光纤束上，并起到骨架的作用。第二塑料层18起保护和隔水的作用。第二填充层19起到缓冲压力的作用。
光纤座30包括螺栓22和与螺栓22相配合的螺母20,螺杆24的轴向开设有光纤座通孔21，螺栓22包括头部23和螺杆24，头部23上设置有用于盛放密封圈的凹槽25。加压罐体28上开设有通孔，装配时，螺栓22在加压罐体28内，螺杆24朝向加压罐体外，螺杆24穿过通孔，螺母20在加压罐体28外与螺杆24拧紧，头部23在加压罐体28内压住加压罐体28的内壁，通过凹槽25内的密封圈进行密封，防止加压罐体28内的液体从光纤座30与加压罐体28之间的缝隙溢出。靠近光纤过渡段12与光纤座30连接处的部分光纤过渡段12外设置有第一不锈钢防水外壳26，用于对光纤过渡段12与光纤座30连接处进行防水；靠近光纤接收段4与光纤座30连接处的部分光纤接收段4外设置有第二不锈钢防水外壳27，用于对光纤接收段4与光纤座30连接处进行防水。
如图5所示，需要说明的是，本实施例中光纤束1包括19根单芯光纤2，其中1根单芯光纤2穿过在光纤座30的中心轴设置的1个光纤座通孔21，光纤座30的中心轴外围依次设置有第一环形区域、第二环形区域，其中6根单芯光纤2分别穿过在第一环形区域均匀分布的6个光纤座通孔21，其中12根单芯光纤2分别穿过在第二环形区域均匀分布的12个光纤座通孔21。
优选的是，单芯光纤2的芯径为200～600μm。本实施例中单芯光纤2的芯径为200μm。
如图7所示，具体的，超声声致发光实验装置包括加压罐体28、超声换能器29、光纤座30、抗压光纤31、光学检测装置32。加压罐体28内盛放有液体水，超声换能器29放置于加压罐体28内的水中，加压罐体28上安装有光纤座30，超声换能器29发出超声波产生声致发光现象形成超声发光区域33，光纤采集段3、光纤过渡段12位于加压罐体28内，光纤束中段11位于光纤座30内，光纤接收段4位于加压罐体28外，光纤接收段4的接收端6连接光学检测装置32。
本实施例中的抗压光纤可将超声换能器29产生的声致发光信号有效导出到光学检测装置32；抗压光纤可在0～100个标准大气压的静水压力下实现导光至加压罐体28外部进行检测；光纤束1中的单芯光纤2数量和抗压光纤长度可根据实验需求进行调整，达到检测的有效性和安全性。
实施例3
本实施例提供一种用于超声声致发光信号检测的抗压光纤，与实施例2中的抗压光纤的区别为：
本实施例中用于超声声致发光信号检测的抗压光纤不包括光纤过渡段。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于超声声致发光信号检测的抗压光纤，其特征在于，包括光纤本体，光纤本体包括光纤束和设置于光纤束外的用于抗压防水的保护层，光纤束包括至少两根单芯光纤，在光纤束与保护层之间的间隙设置有用于密封的密封胶；
所述用于超声声致发光信号检测的抗压光纤包括光纤采集段和与光纤采集段连接的光纤接收段，光纤采集段用于采集超声声致发光信号，光纤接收段用于外接输出超声声致发光的光学检测装置；
光纤本体包括光纤束中段，光纤束中段设置于光纤采集段的光纤束和光纤接收段的光纤束之间，光纤束中段的每根单芯光纤的两端分别与光纤采集段的每根单芯光纤、光纤接收段的每根单芯光纤连接，光纤束中段设置于光纤座内，光纤座设置有与光纤束中段中的单芯光纤数目相同的光纤座通孔，光纤束中段的每根单芯光纤穿过光纤座通孔，每个光纤座通孔与其内的光纤束中段的单芯光纤之间的空隙设置有用于密封的密封胶；
所述光纤座用于安装在加压罐体上，以使所述光纤采集段位于加压罐体内，所述光纤接收段位于加压罐体外；
所述加压罐体内用于盛放液体水并放置超声换能器，所述超声换能器用于发出超声波产生声致发光现象形成超声发光区域。
2.根据权利要求1所述的用于超声声致发光信号检测的抗压光纤，其特征在于，光纤采集段的芯径为0.6λ～λ。
3.根据权利要求1所述的用于超声声致发光信号检测的抗压光纤，其特征在于，光纤采集段的用于采集的采集端面在超声波焦域边界处的立体角为80°～90°。
4.根据权利要求1所述的用于超声声致发光信号检测的抗压光纤，其特征在于，光纤采集段的保护层包括依次设置于光纤采集段的光纤束外的第一不锈钢层、第二不锈钢层。
5.根据权利要求1所述的用于超声声致发光信号检测的抗压光纤，其特征在于，还包括光纤过渡段，光纤过渡段设置于光纤采集段和光纤座之间，光纤过渡段的每根单芯光纤的两端分别与光纤采集段的每根单芯光纤、光纤束中段的每根单芯光纤连接，光纤过渡段的保护层包括依次设置于光纤过渡段的光纤束外的第一不锈钢螺纹管、第一塑料层，在光纤过渡段的光纤束与第一不锈钢螺纹管之间的间隙设置有第一填充层。
6.根据权利要求5所述的用于超声声致发光信号检测的抗压光纤，其特征在于，还包括转接件，光纤过渡段与光纤采集段通过转接件连接。
7.根据权利要求1所述的用于超声声致发光信号检测的抗压光纤，其特征在于，光纤接收段的保护层包括依次设置于光纤接收段的光纤束外的第二不锈钢螺纹管、第二塑料层，在光纤接收段的光纤束与第二不锈钢螺纹管之间的间隙设置有第二填充层。
8.根据权利要求1所述的用于超声声致发光信号检测的抗压光纤，其特征在于，光纤束包括19根单芯光纤，其中1根单芯光纤穿过在光纤座的中心轴设置的1个光纤座通孔，光纤座的中心轴外围依次设置有第一环形区域、第二环形区域，其中6根单芯光纤分别穿过在第一环形区域均匀分布的6个光纤座通孔，其中12根单芯光纤分别穿过在第二环形区域均匀分布的12个光纤座通孔。
9.根据权利要求1～8任意一项所述的用于超声声致发光信号检测的抗压光纤，其特征在于，单芯光纤的芯径为200～600μm。
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