一种光纤阵列动态吸液测试仪的制作方法

1.本发明涉及吸湿材料检测技术领域，尤其涉及一种光纤阵列动态吸液测试仪。


背景技术：

2.材料的液体吸收性能是材料的重要应用性能之一，在纺织、造纸、医疗卫生等行业有较为广泛的应用。纺织服装行业常采用该性能表征运动服装面料、内衣的吸湿速干性能；造纸行业、烟草行业中常采用该性能评价纸张或烟叶的含水率；医疗行业则用于评价手术服、床单等对血液的吸收性能；卫生用品行业则重点关注诸如尿不湿、卫生巾等对液体的吸收和渗透性能。近年来，纳米纤维制成的人造血管、神经等组织材料也需要评价其对血液的吸收和渗透性能。
3.1)吸液量测量法。在标准环境下，取试样称重后，平放于装有液体的玻璃槽中，在规定的时间间隔内多次取出试样，平放于铁丝网上沥水约5分钟后称重，并计算质量差值，作为吸液量。也有的方法采用离心脱水机将浸润后的样品脱水称重，再烘干称重，由此可计算除吸液量外的多种指标，如：平衡回潮率，饱和回潮率等。后者的测量常用于评价婴儿尿布、卫生巾等材料的吸水性能。
4.另有一种吸液量的测试方法为将试样称重后，浸入27℃水中20分钟后取出，置于两片干燥滤纸中，在表面速度为2.5m/s的两个罗拉之间轧过后称重。质量差即为吸液量。
5.2)芯吸法，常用于测量多孔的片状材料。首先，将试样裁剪为规定长宽的样条。测试时，将试样条的一端垂直放置于水槽中，规定时间后测量液体沿试样条向另一端传递的高度。对于白色材料，往往会在液体中加入染料便于测量芯吸高度。目前随着技术的发展，在该测试方法中会引入导电电阻、超声波探测、图像处理等方法精确测量芯吸高度。芯吸法测量简单，便于操作，对设备要求低。但其缺陷在于，每次测量仅可测量液体沿某一个方向的传递高度，对于某些各项异性材料，需要多测量几次沿不同方向的芯吸高度才可以综合表达该材料的吸液性能。此外，由于测量时间较长(通常为30分钟)，材料表面的液体蒸发会影响测量结果。
6.3)沉降法。这是日本工业标准中的一种方法。将材料剪成方形片平放于装有液体的水槽中，同时记录材料直到完全浸没入液面的时间。若材料拒液体性能较强，由于表面张力的作用材料完全浸没入液面的速度会减慢，甚至有的材料并不会浸入液体中。该方法虽操作简单，但是由于人为将材料放入液面的初始应力并不能完全一致，同时时间记录也存在一定的误差，这导致这种测量方法为定性测量而非定量测量。
7.4)烘箱法。将被测材料在60℃的烘箱中烘10小时后称取质量，然后将材料置于液体中浸泡3小时，取出后称重作为完全润湿材料的重量，质量差作为材料的最大吸液量。随后将材料置于37℃烘箱中每烘一定时间，取出称重，由此记录材料的干燥速率，该值越高表示材料的保持液体的能力越差，反之则越好。
8.5)接触角测量法。该法是目前较为运用广泛的方法，将液滴滴于固体样品表面，通过显微镜头与相机获得液滴的外形图像，再运用数字图像处理和一些算法将图像中的液滴
的接触角计算出来。接触角为0则为完全润湿，接触角为180度则为完全不润湿，大部分材料的接触角在0～180度之间。我国的一些国标中规定了不同用途的材料表面的接触角度。
9.上述测量方法简单易行，对硬件要求不高。然而并不能定量评价液体吸收的整个过程。例如，烘箱法只能测量材料在一定时间内的液体吸收量，无法测量与评价液体吸收过程；芯吸法只能测量液体的芯吸高度，无法测量液体沿材料表面的上升过程；接触角也仅仅可以从材料与液体界面自由能的机理上阐述材料对液体的吸收能力。为了定量描述液体被材料的吸收过程，动态测量法应运而生。一些静态测量法稍加改进，便可以完成动态测试，如：
10.在吸液量测量实验中，将材料的一端挂在称重仪的水平杆上，另一端浸入水槽中。测量时读取在水槽下方的称重仪在一定时间内的质量变化，即可测量材料的吸液速率和吸液量。在芯吸实验中，使用高速相机或视频录制功能，即可分析液体沿材料每单位时间内的芯吸高度。在接触角测量实验中，采用高速相机连续拍摄液滴浸入材料表面的过程，即可分析分析接触角随时间的变化速率，速率越快则材料吸液性能越好。
11.由于实验操作简单，滴液法是目前较为常用的测量材料对液体动态吸收过程的方法。将固定体积的液体滴在材料表面，同时记录时间，待液体完全进入材料内部后再次记录时间，二者的时间差可表示材料对液体的吸收能力。该值越大则吸收能力越差，反之则吸收能力越好。也可采用高速相机、视频录制等方法记录液体在材料表面的扩散过程，从而通过图像处理分析扩散速度、扩散面积，并表征材料对液体的吸收能力。然而图像方法无法穿过材料，不能研究液体在材料内部的传递，为此，有研究人员采用x射线、伽马射线、中子成像等具有穿透性的成像方法研究液体在材料表面和内部的扩散。
12.上述测量液体吸收动态过程的方法中测量指标繁多，如吸液量，液体吸收速率，芯吸高度、接触角度等，且每种测量方法仅可以测量一个或仅几个相关指标，并不能全面描述材料的液体吸收能力。
13.为此，香港理工大学李毅教授研究小组开发了液体管理仪。测试时，将待测材料放置于两组金属制的导电同心圆环之间，滴管挤出一定量的液体滴在圆环的中心部位，液体随即在材料表面及材料内部扩散，当液体触碰到圆环时，圆环的电阻发生变化，随即电压发生变化。系统依上述描次记录下每个圆环电压发生变化的时间、电压值等数据，即可相应测量出液体在材料表面的扩散速度、从表面渗透到底部的速度，以及各圆环部位的含水量、含水变化率等，从而全面表征材料对该液体的吸收能力。目前该测量仪及相应的测量方法先后被aatcc标准、我国国标gb/t 21655.2
‑
2009收录。
14.然而，已有报道指出液体管理仪具有如下三个缺陷：(1)待测材料必须在干燥时具有较大电阻或为绝缘体。若材料本体的电阻较小，放置于导电金属环上后整个材料带有电流，无法进行测试；(2)使用的液体必须为水或其他能引起材料电阻变化的液体。(3)该设备并不适用于各向异性材料。由于液体在各向异性材料表面扩散的速度沿各方向并不相同，且扩散面并不是规则的圆形。这导致一旦液体在某个方向扩散较快，测试设备随即默认该液体在其他方向也具有相同的扩散速度。
15.因此，当前市面上主流测试仪器及标准无法测量除高挥发性、高腐蚀性液体以外的其他液体，也无法定量评价各向异性材料的吸液过程。并且由于传统的光纤阵列激光系统光路往往将十字排列的光学发射器安装于暗箱顶部，无法确定发射器发射的光线与接收
器接收到的光线是否为共光轴以及光强在待测液体表面分布是否均匀。为此，本发明提出一种能弥补上述不足的光纤阵列动态吸液测试仪。


技术实现要素：

16.为解决了现有技术中的光纤阵列激光系统光路无法确定发射器发射的光线与接收器接收到的光线是否为共光轴以及光强在待测液体表面分布是否均匀，同时无法测量除高挥发性、高腐蚀性液体以外的其他液体，以致于无法定量评价各向异性材料的吸液过程的技术问题，本发明提供一种光纤阵列动态吸液测试仪。
17.本发明采用以下技术方案实现：一种光纤阵列动态吸液测试仪，其用于测试所用液体在待测材料样品上的扩散特性，所述光纤阵列动态吸液测试仪包括壳体、收容在所述壳体中的测试箱，所述测试箱内设置有用于承载待测材料样品的样品托架；所述测试箱一侧关于所述样品托架对称安装有两组激光发射组件，所述样品托架的上方和下方沿着各自远离所述样品托架的方向均依次设置有共轴的反光镜和激光接收组件；
18.所述反光镜将所述激光发射组件发出的激光光束反射在所述待测材料样品的相应表面上；所述激光光束在所述反光镜上的反射角度为九十度；所述激光接收组件用于将经由所述待测材料样品表面反射出的激光光束转化为电信号；
19.所述光纤阵列动态吸液测试仪还包括数据处理装置，所述数据处理装置用于处理所述电信号，分析出所用液体在待测材料样品上的扩散特性。
20.作为上述方案的进一步改进，所述激光发射组件依次包括光纤脉冲激光器、光纤分路器以及发射透镜；所述光纤脉冲激光器用于发射窄脉冲红外激光光束；所述光纤分路器用于将发射出的激光光束进行均匀分路；所述发射透镜用于收缩分路后的激光光束。
21.作为上述方案的进一步改进，所述测试箱上开设有供激光光束输入至所述测试箱的光输口。
22.作为上述方案的进一步改进，所述激光接收组件包括接收透镜以及二极管面阵，所述接收透镜用于将待测材料样品表面反射出的激光光束折射至所述二极管面阵；所述二极管面阵用于将经由所述接收透镜折射后的激光光束转化为相应的电信号。
23.作为上述方案的更进一步改进，所述测试箱中安装有储液槽和蠕动泵，所述蠕动泵的输入口与所述储液槽的输出口连通，所述蠕动泵的输出口上连接有导液管，所述导液管的一端从测试箱的顶部穿入、并依次贯穿位于所述测试箱内上方的二极管面阵、接收透镜和反光镜。
24.作为上述方案的更进一步改进，所述数据处理装置包括连接在所述二极管面阵上的数据采集卡以及连接所述数据采集卡的数据处理器，所述数据采集卡接收电信号、并通过usb接口传输至数据处理器进行相应的分析处理。
25.作为上述方案的进一步改进，所述样品托架包括支撑板，所述支撑板的顶部开设有供所述待测材料样品放置的定位托槽，所述支撑板的底部开设有连通所述定位托槽的通口；所述测试箱内的两侧相对开设有两个供所述支撑板两端插置的板插槽；
26.作为上述方案的更进一步改进，所述光纤阵列动态吸液测试仪的检测方法依次包括如下步骤：
27.步骤s1：将待测材料样品置于样品托架上，判断待测材料样品的厚度是否大于预
定值；
28.步骤s2：若待测材料样品的厚度小于等于预定值，则向待测材料表面滴落测试液体；先使测试箱内位于待测材料样品上方的激光发射组件向测试箱内发射激光光束结束后，再使测试箱内位于待测材料样品下方的激光发射组件向测试箱内发射激光光束；
29.步骤s3：激光光束经由反光镜反射至待测材料样品表面后，又在材料样品表面反射接收于激光接收组件；
30.步骤s4：数据处理装置将激光接收组件所接收的激光光束转化为电信号，并处理分析出所用液体在待测材料样品上的扩散特性。
31.作为上述方案的更进一步改进，在所述步骤s2中，若待测材料样品的厚度大于预定值，则向待测材料表面滴落测试液体，使测试箱内位于待测材料样品上方和下方的激光发射组件同时向测试箱内发射激光光束。
32.本发明的有益效果为：
33.本发明的光纤阵列动态吸液测试仪，改良了传统光纤阵列激光的系统光路，可测量除高挥发性、高腐蚀性液体外的所有液体，利用光纤激光器发射入射激光，采用光纤拼接技术的光纤分路器将激光均匀分路，实现待测样品表面的均匀光强，通过对发射和接收光学系统的特殊设计，可以实现发射光学系统与接收光学系统的共光轴，在薄型片状材料表面滴液，待液体扩散的同时，接收光学系统接收到的反射光强发生变化，并将光强转化为电压信号。通过观察电压信号变化，参考国标研究测试指标，据此定量分析材料的动态吸液过程。
34.本发明的光纤阵列动态吸液测试仪，可将现有的以检测透射光强的原理转变为检测反射光强的原理，可在待测样品的正反面都设置这样的光路系统，即可检测正反两面的液体扩散特性。
附图说明
35.图1为本发明实施例1提供的光纤阵列动态吸液测试仪剖面的结构示意图；
36.图2为图1中光纤分路器的光纤端面的结构示意图；
37.图3为图1中c处放大的结构示意图。
38.主要符号说明：
39.1、壳体；2、测试箱；3、支撑板；4、定位托槽；5、通口；6、光纤脉冲激光器；7、光纤分路器；8、发射透镜；9、反光镜；10、接收透镜；11、二极管面阵；12、导液管；13、光输口；14、储液槽；15、蠕动泵；16、数据采集卡；17、usb接口；34、板插槽。
具体实施方式
40.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
41.实施例1
42.光纤阵列动态吸液测试仪用于测试所用液体在待测材料样品上的扩散特性。本实施例中所指的待测材料样品上的扩散特性如下：
43.液体抵达时间：含水率与时间关系曲线上第一次出现斜率大于或等于tan15
°
的时刻。
44.液体吸收速率：材料单位时间含水量的增加率。在含水率变化曲线上为测试时间内，含水率的斜率平均值。
45.最大浸湿距离：液体在材料表面润湿区域边界距液体滴落点的最远距离。
46.液体扩散速度：液体在各方向上的传递距离除以液体抵达时间。
47.单向传递指数：液体从材料的上表面传递至下表面的能力，以材料两面吸液量的差值与测试时间之比表示。
48.液体动态传递综合指数：液体在材料中的动态传递综合性能的表征。以材料的下表面吸液速率、单向传递指数和液体扩散速度的加权值表示。
49.请结合图1至图3，光纤阵列动态吸液测试仪包括壳体1、收容在壳体1中的测试箱2，测试箱2内设置有用于承载待测材料样品的样品托架。壳体1可为整体呈矩形结构且具有箱门的箱体。测试箱2可为矩形结构且具有箱门，以便测试箱2的开闭。
50.测试箱2一侧关于样品托架对称安装有两组激光发射组件，样品托架的上方和下方沿着各自远离样品托架的方向均依次设置有共轴的反光镜9和激光接收组件。在选用反光镜9时需要注意尺寸过大的反光镜会挡住中央部分反射光，过小则无法将所有激光发射至待测材料样品的表面。
51.反光镜9将激光发射组件发出的激光光束反射在待测材料样品的相应表面上。激光光束在反光镜9上的反射角度为九十度。激光接收组件用于将经由待测材料样品表面反射出的激光光束转化为电信号。
52.光纤阵列动态吸液测试仪还包括数据处理装置，数据处理装置用于处理电信号，分析出所用液体在待测材料样品上的扩散特性。
53.光纤阵列动态吸液测试仪的检测方法依次包括如下步骤：
54.步骤s1：将待测材料样品置于样品托架上，判断待测材料样品的厚度是否大于预定值；
55.步骤s2：若待测材料样品的厚度小于等于预定值，则向待测材料表面滴落测试液体；先使测试箱内位于待测材料样品上方的激光发射组件向测试箱内发射激光光束结束后，再使测试箱内位于待测材料样品下方的激光发射组件向测试箱内发射激光光束；
56.步骤s3：激光光束经由反光镜反射至待测材料样品表面后，又在材料样品表面反射接收于激光接收组件；
57.步骤s4：数据处理装置将激光接收组件所接收的激光光束转化为电信号，并处理分析出所用液体在待测材料样品上的扩散特性。
58.而在步骤s2中，若待测材料样品的厚度大于预定值，则向待测材料表面滴落测试液体，使测试箱内位于待测材料样品上方和下方的激光发射组件同时向测试箱内发射激光光束。
59.激光发射组件依次包括光纤脉冲激光器6、光纤分路器7以及发射透镜8。光纤脉冲激光器6用于发射窄脉冲红外激光光束。光纤分路器7用于将发射出的激光光束进行均匀分路。发射透镜8用于收缩分路后的激光光束。
60.测试箱2上开设有供激光光束输入至测试箱2的光输口13。
61.激光接收组件包括接收透镜10以及二极管面阵11，二极管面阵11的二极管需要与样品表面反射的光线保持同轴，所以需要考虑激光光纤排列与物象关系。
62.接收透镜10用于将待测材料样品表面反射出的激光光束折射至二极管面阵11。二极管面阵11用于将经由接收透镜10折射后的激光光束转化为相应的电信号。
63.本实施例中的光纤脉冲激光器6、光纤分路器7、发射透镜8均通过相应的支架安装在壳体1内，而反光镜9、接收透镜10和二极管面阵11均通过相应的支架安装在测试箱2中。
64.进一步地，本实施例的光纤阵列动态吸液测试仪光路的具体工作方式具体为，当需要测量液体在待测材料样品上的扩散特性时，先将待测材料样品置于样品托架上，关闭测试箱2和壳体上的箱门，通过蠕动泵将储液槽内的液体输送至测试箱2内的顶部，以使液体滴落在待测材料样品上，液体随即在测试样品表面扩展。通过光纤脉冲激光器6发射窄脉冲红外激光光束，激光光束经过光纤分路器7，把一路激光按照能量均匀分成为多路激光，每一路激光光束从光纤分路器7的光纤阵列出射，光纤分路器7的光纤阵列端面即变为了一个点阵脉冲激光光源，再经发射透镜8使发散的激光光束可以改变为收缩的激光光束，后经反光镜9反射旋转90度后照射于待测材料样品表面，由于液体的扩展，从样品表面反射的光部分发生变化，这些反射光被接收透镜折射后，被测试区箱体顶部的二极管面阵接收，转变为电信号。在测试区下半部分，也有同样的测试激光，可在液体扩展时，实现上下两面同时测量。在测试区底部的数据采集卡将收集到的电信号通过usb接口实时传输至电脑，以获取液体在材料样品上的扩散特性。
65.由于单模光纤与光器件的耦合相对困难，本实施例采用多模光纤，且外包直径125um，波长则应根据待测液体选配。测量水的波长为980nm，测量油的波长为1100nm为最优。其他液体还需进行实验才能确定。
66.请结合图2，光纤的排列可为正方形结构，使其纤芯间距为125μm，以构成光纤阵列，从而作为系统的出射端面，每根光纤的另一端以标准的ft/apc接头与光纤分路器7相连。在设备整机设计时，纤芯间距可根据光纤细度进行调整，光纤的排列与二极管面阵11排列的配伍情况可由系统中两组物象关系确定，即：光纤阵列上的发光点与待测材料样品表面的被照点为一组物象关系；待测材料样品表面的被照点与二极管面阵11上的像元点是另一组物象关系。
67.利用光纤激光器发射入射激光，采用光纤拼接技术的光纤分路器7将激光均匀分路，实现待测样品表面的均匀光强，通过对发射和接收光学系统的特殊设计，可以实现发射光学系统与接收光学系统的共光轴。这种方法相较于广泛使用的微透镜阵列技术，其产生的光强分布更加均匀。
68.完成光路设计后为了验证是否达到我们的目的，还需使用ansys speos进行光学仿真，模拟在待测表面的光强和发射与反射光的光轴，并通过反复调整仿真与实验光路设计，最终达到两者结果相互接近的目的。
69.由于二极管面阵接收的电信号可能非常微弱(这与测量液体、材料表面情况、发射功率有关)需要放大，为此还需加装跨组放大器和宽带放大器。系统光路这样设计的另一目的是将现有的以检测透射光强的原理转变为检测反射光强的原理。可在待测样品的正反面都设置这样的光路系统，即可检测正反两面的液体扩散特性。需要注意的是，在测试薄型样品时，样品上下面的激光可能会发生相互干扰，影响测试结果。对于该问题可能需要将样品
上下面的测试分开进行。所以，针对样品种类、厚度等要求还需大量实验。
70.请结合图1，测试箱2中安装有储液槽14和蠕动泵15，蠕动泵的型号参数选择可根据导管直径(可能与液体粘度有关)。蠕动泵15的输入口与储液槽14的输出口连通，蠕动泵15的输出口上连接有导液管12，导液管12的一端从测试箱2的顶部穿入、并依次贯穿位于测试箱2内上方的二极管面阵11、接收透镜10和反光镜9。测试箱2内上方的二极管面阵11、接收透镜10和反光镜9上均预先开设有可供导液管12贯穿的槽口(图未示)，可使所用液体由导液管12准确滴落至待测材料样品上。
71.数据处理装置包括连接在二极管面阵11上的数据采集卡16以及连接数据采集卡16的数据处理器，数据采集卡16接收电信号、并通过usb接口传输至数据处理器进行相应的分析处理。本实施例中的数据处理器可为电脑。通过usb接口17将数据采集卡16连接在电脑上，以将数据采集卡采集的电信号传递至电脑上进行相应的分析处理。
72.为验证本实施例的纤阵列动态吸液测试仪是否满足实验设备要求，具体的实验设备测试方案如下：
73.首先，采用水作为测试液体，纸张作为测试材料样品，进行反复测试。同时确定纸张厚度与测量方式，当纸张厚度大于某定值时可上下表面同时测量，否则还需上下表面分别测试，即：首先关闭测试区下半部分的入射激光，仅测量液体在纸张上面的扩展。随后取同样的纸张仅测量下面的扩散情况，再据此计算上述测试指标。
74.其次，改变液体种类与待测材料种类，进行反复测试。
75.最后，与国标gb/t 21655.2
‑
2009进行对比测试。因国标中只能测试水，所以对比实验也必须使用水作为测试液体，若测试结果与国标接近，则可认为实验设备已满足要求。
76.实施例2
77.本实施例2为实施例1的改进方案，样品托架包括支撑板3，支撑板3的顶部开设有供待测材料样品放置的定位托槽4，本实施例中定位托槽4可根据的形状可根据待测材料样品的形状结构进行选择或者设计，以增加适配性，使待测材料样品在支撑板3上的放置更加平稳。
78.支撑板3的底部开设有连通定位托槽4的通口5。测试箱2内的两侧相对开设有两个供支撑板3两端插置的板插槽34。通口5可使定位托槽4的底部镂空以将待测材料样品的露出，方便对待测材料样品底部进行检测。
79.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。