（测试计量技术及仪器专业论文）光纤图像液滴分析仪研究.pdf

中文摘要 液滴分析技术是指在一定测试系统条件下，在被测液体形成液滴的过程中， 采用各种手段对被测液滴实施监测， 以获得有关该被测液体的物理、 化学特性参 数。 用于液滴分析的主要技术有光纤液滴分 析技术、 电容液滴分析技术、 图 像液 滴分析技术和光谱液滴分析技术等。 由光纤液滴分析方法可以获得一种称为“ 液滴指纹图” 的反映液体综合特性 的光信号曲 线， 但由 于它受液 滴生长 速度等因素的影响而 在实用中受到限制。 将 光纤液滴分析技术得到的光强信号与图像液滴分析技术得到的有关液滴体积的 信号进行融合，可以获得 “ 基于体积的液滴指纹图” ，它表示的是光纤接收端的 光强信号 随液滴 体积变化的曲 线。 这种表达方式排除了 供液速度和液体挥发 性等 对液滴指纹图的影响。同时， 光纤、图像液滴分析技术使液滴分析涉及了被测液 体更多的特性，从而能够更全面地分析、鉴别被测液休。 本 课 题由“ 中 国 新 加 坡 联 合 研 究 计 划” 项目( p ro j e c t n u m b e r : 0 0 3 / 1 0 1 /0 4 ) 资助。 课题针对光纤电 容液滴分析仪器的 试验测试过程中出现的 不同 液体之间相 互 污染的问 题， 对仪器的供液泵和滴头 结构进 行改进并改进了 供液系统的 控制方 式。引入 c c d摄像技术，实现对被测液滴瞬时体积的测量，完善了液滴分析技 术中的液体体积指纹图的获取方法。同时，利用 c c d取得的液滴图像，研究利 用液滴轮廓进行液滴分析。 本论文主要 完成了以下工作: ( 1 )针对光纤、电容液滴分析仪在连续测量不同液体时液体间的干扰问题， 改进 了液滴滴头的具体结构设计， 减弱了不同被测液体之间的相互干扰; ( 2 ) 设计了山计算机并口 控制的门 i p 步进电 机驱动的精密微量 供液系统，满 足液滴分析的需要，降 低了分 析仪器的成本; ( 3 ) 对采集到的 数据的处理方式进行了分 析研究; ( 4 ) 对 c c d获得的 液滴图 像进行图像处理获得液滴轮廓来识别液体的方法 进行了 可行性研究。 关键词:液滴分析， 计算机并口 ，基于体积的 液滴 指纹图， c c d ,液滴瞬时体 积，液滴轮廓 abs tract d r o p a n a l y z i n g t e c h n o l o g y ( d a t ) c a n b e d e f i n e d as a t e c h n o l o g y o f d r o p m o n i t o r i n g i n t h e p r o c e s s o f d r o p f o r m a t i o n u n d e r c e rt a i n t e s t i n g c o n d i t i o n s t o d i s c r i m i n a t e d i f f e r e n t l i q u i d s q u a l i t a t i v e l y a n d q u a n t i t a t i v e l y a n d t o me asu r e t h e p h y s i c a l a n d c h e mi c a l p a r a me t e r s o f t h e t e s t e d l i q u i d s . f i b e r d r o p a n a l y s i s ( f d a ) , c a p a c i t i v e d r o p a n a l y s i s ( c d a ) , i m a g e d r o p a n a l y s i s ( i d a ) a n d s p e c t r a l d r o p a n a l y s i s ( s d a ) a r e t h e ma i n me t h o d s . f d a p r o d u c e s a f i b e r d r o p t r a c e ( f d t ) , w h i c h s h o w s t h e l i g h t i n t e n s i t y c h a n g e d u r i n g t h e d r o p g r o w t h . f d t e x t e rna l i z e s t h e o v e r a l l p r o p e r t i e s o f t e s t e d l i q u i d s a n d i s u n i q u e u n d e r c e rt a i n c o n d i t i o n s . b u t i t i s l i m i t a t i v e i n p r a c t i c e b e c a u s e t h e s p e e d o f d r o p g r o w t h c a n n o t b e c o n t r o l l e d p r e c i s e l y b y a c o m m o n f e e d i n g p u m p . a r e p r e s e n t a t io n o f v o l u m e - b a s e d f i b e r d r o p t r a c e ( v f d t ) i s t h e n d e v e l o p e d b y m e r g i n g f d a a n d c d a , w h i c h s h o w s t h e r e l a t i o n b e t w e e n t h e l i g h t i n t e n s i t y a n d t h e i n s t a n t d r o p v o l u me , i n s t e a d o f t i m e . i t m a k e s t h e f d t i n d e p e n d e n t fr o m t h e s p e e d o f d r o p g r o w t h a n d t h e v o l a t i l it y o f l i q u i d s . i n a d d i t i o n , t h e v f d t i s m o r e f a v o r a b l e f o r f i n e d i s c r i m i n a t i o n o f l i q u i d s s i n c e i t i m p r o v e s t h e c o m p a r a b i l i t y o f t h e f d t s o f d i f f e r e n t l i q u i d s . a n d a l s o , t h e c o m b i n e d s y s t e m o f f i b e r - i ma g e d r o p a n a l y z e r ( f i d a ) i s c a p a b le o f s i mu l t a n e o u s l y d e t e r m i n i n g a mo r e c o mp r e h e n s i b l e r a n g e o f t h e l i q u i d p r o p e rt i e s . t h e p r o j e c t i s s u p p o r t e d b y t h e n s t b - m o s t j o i n t r e s e a r c h p r o g r a m ( p r o j e c t n u m b e r : 0 0 3 / 1 0 1 / 0 4 ) , w h e r e n s t b r e f e r s t o t h e n a t i o n a l s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y b u r e a u o f s i n g a p o r e a n d mo s t r e f e r s t o t h e m i n i s t r y o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y o f c h i n a . i n o r d e r t o e l i m i n a t e t h e d i s t u r b a n c e a m o n g d i ff e r e n t l i q u i d s , t h e s t r u c t u r e s o f t h e p u m p a n d t h e l i q u i d h e a d . t h e c h a n g e o f t h e c o n t r o l m e t h o d o f t h e s t e p p e r m o t o r t o d r i v e t h e p u m p d e c r e a s e t h e c o s t o f t h e i n s t r u me n t . t h e c c d i s i n t r o d u c e d i n t o t h e i n s t r u m e n t t o g e t t h e i m a g e o f t h e l i q u i d d r o p . t h e i n s t a n t a n e o u s v o l u m e o f t h e d r o p c a n b e c a l c u l a t e d b y t h e i ma g e s . a n d a l s o , t h e l i q u i d s c a n b e a n a l y z e d t h r o u g h t h e e d g e s o f t h e l i q u i d i m a g e s . th e wo r k o f t h i s t he s i s i n c l u d e s : ( 1 ) i n o r d e r t o e l i m i n a t e t h e d i s t u r b a n c e a m o n g t h e l i q u i d s w h e n t h e a n a l y a e r m e a s u r e s t h e l i q u i d s c o n t i n u o u s l y , t h e s t r u c t u r e s o f t h e p u m p a n d t h e l i q u i d h e a d h a v e b e e n i m p r o v e d . a f t e r t h e im p r o v e d , t h e d i s t u r b a n c e c a n b e e l i mi n a t e d i n a l a r g e e x t e n t . ( 2 ) a m i c r o - fl o w - f e e d i n g p u m p a c t u a t e d b y a s i n g l e s t e p p i n g m o t o r a n d c o n t r o l l e d b y t h e p a r a l l e l p o r t i n t h e c o mp u t e r i s d e v i s e d . i t c a n m e e t w i t h t h e d e m a n d i n t h e d r o p a n a l y z e r a n d i t c a n d e c r e a s e t h e c o s t o f t h e a n a l y z e r . ( 3 ) s t u d y t h e m e t h o d t o d e a l w i t h t h e d a t a t h a t c o l le c t e d ; ( 4 ) a s t u d y o n t h e f e a s i b i l i t y t o d i s t i n g u i s h i n g t h e l i q u i d s o n t h e i m a g e p r o c e s s i n g h a s b e e n c a r r i e d . k e y wo r d s : d r o p a n a l y s i s , t h e p a r a l l e l p o r t , v o l u m e - b a s e d f i b e r d r o p t r a c e , c c d c a m e r a , t h e e d g e o f t h e l i q u i d d r o p 独创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中 不包含其他人已 经发表 或 撰 写过 的 研 究 成果 ， 也不 包 含为 获 得 立 暨 ，或 其 他 教 育 机 构 的 学 位 或 证 书而使用过的 材料。 与我一同 工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己 在论文中 作了明确的说明并表示了 谢意。 学 位 论 文 作 者 签 “ ,部 l 签 字 日 期 : o q- 年 / 月 / 日 学位论文版权使用授权书 本 学 位论 文 作 者 完全 了 解达建叁生一有 关 保留 、 使 用 学 位 论 文的 规 定。 特 授 权 进进达崖一 可以 将 学 位论 文的 全 部 或部 分内 容 编入 有 关 数据 库 进行 检 索， 并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学 位 论 文 作 者 签 名 :1 封 f p导师 签 名 : 珠 和 欢 签字日 期: voo l 年 ，月 t , 扫签 字日 期 .- 2 同时它能够监测液滴的生长 过 程， 从中获得的关于液滴几何形状的信息可以用来对液体特性作进一步的 研 究。 此外， 将红外光谱在化学成分分析方面的技术应用到液滴分析中， 采用光纤 或者微n u 几何光路， 将作为信号光源的红外光导入液滴， 把接收端采集到的光 信 号用快速傅立叶变换等方法进行光is 分析， 可以 得到被测液体的化学成分信息。 将光谱液滴分析技术与光纤、电容、图像液滴分析技术进行融合，使得液滴生长 过程所表现的物理、 化学特性可以同步实时地检测出来， 并且还能够建立包含光 强信号、液滴体积信号、光谱信号的 “ 三维液滴指纹图” ，这将使液滴分析技术 天津人学硕十学位论文第一章 绪论 的鉴 别能力也提高 一个 台阶。 3本课题的研 究内容 液滴分析技术发展到今天， 在国外己经有所应用， 相应的液滴分析仪器也在 研究之中。 液滴分析技术在国内尚处于起步阶段， 但它在液体检测领域具有广阔 的应用前景。 本 课 题由“ 中 国 新 加 坡 联 合 研 究计 划 ” 项目( p ro j e c t n u m b e r : 0 0 3 / 1 0 1 / 0 4 ) 资助，旨在研究实用仪器的技术合成方案， 主要是融合光纤液滴分析技术和图像 液 滴 分 析 技 术设 计 出 “ 光 纤图 像 液 滴 分 析 仪( f i d a : f ib e r im a g e d r o p a n a ly z e r ) , 解决技术融合时遇到的机械结构、信号采集与处理及仪器控制等方面的问题。 今 国匹血 图 1 - 1 液滴分析仪的总体设计框图 图1 - 1 为液滴分析仪的总体设计原理框图。 供液系统主要由 控制软件、 步 进 电机、 传动机构、换向阀机构和活塞注液器组成。 计算机通过计算机串口驱动步 进电机。 经传动机构和换向阀机构带动活塞注液器运行。 供液的速度和供液量可 以由 计算机软件控制， 从而保证液滴传感器 在液滴的准平衡状态下工作。 供液系 统提供的 流速稳定、 流量微小的液流，经过滴头形成饱满、 形状均匀的液滴。 光 源发出的光经调 制电路， 由输入光纤导入液滴， 光 线经液滴反射、 吸收等 作用， 部分进入输出光纤作为光强信号传出，经过分光， 一部分经过光电转换器 变成电压模拟量，做相应的放大滤波处理后经 a / d 转换进入计算机;另一部分 中 国 新 加 坡 联 合 研 究计 划: n s t b - m o s t j o in t r e s e a r c h p r o g r a m , 其 中n s t b ; n a t i o n a l s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y b u r e a u o f s in g a p o r e ; mo s t : min i s t ry o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y o f c h i n a . 天津人学硕十学位论文第一章 绪论 的鉴 别能力也提高 一个 台阶。 3本课题的研 究内容 液滴分析技术发展到今天， 在国外己经有所应用， 相应的液滴分析仪器也在 研究之中。 液滴分析技术在国内尚处于起步阶段， 但它在液体检测领域具有广阔 的应用前景。 本 课 题由“ 中 国 新 加 坡 联 合 研 究计 划 ” 项目( p ro j e c t n u m b e r : 0 0 3 / 1 0 1 / 0 4 ) 资助，旨在研究实用仪器的技术合成方案， 主要是融合光纤液滴分析技术和图像 液 滴 分 析 技 术设 计 出 “ 光 纤图 像 液 滴 分 析 仪( f i d a : f ib e r im a g e d r o p a n a ly z e r ) , 解决技术融合时遇到的机械结构、信号采集与处理及仪器控制等方面的问题。 今 国匹血 图 1 - 1 液滴分析仪的总体设计框图 图1 - 1 为液滴分析仪的总体设计原理框图。 供液系统主要由 控制软件、 步 进 电机、 传动机构、换向阀机构和活塞注液器组成。 计算机通过计算机串口驱动步 进电机。 经传动机构和换向阀机构带动活塞注液器运行。 供液的速度和供液量可 以由 计算机软件控制， 从而保证液滴传感器 在液滴的准平衡状态下工作。 供液系 统提供的 流速稳定、 流量微小的液流，经过滴头形成饱满、 形状均匀的液滴。 光 源发出的光经调 制电路， 由输入光纤导入液滴， 光 线经液滴反射、 吸收等 作用， 部分进入输出光纤作为光强信号传出，经过分光， 一部分经过光电转换器 变成电压模拟量，做相应的放大滤波处理后经 a / d 转换进入计算机;另一部分 中 国 新 加 坡 联 合 研 究计 划: n s t b - m o s t j o in t r e s e a r c h p r o g r a m , 其 中n s t b ; n a t i o n a l s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y b u r e a u o f s in g a p o r e ; mo s t : min i s t ry o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y o f c h i n a . 天津大学硕十学位论文第一章绪论 进入红外光谱快速傅立叶变换仪 ( f f t )，该仪器可以将光信号转换成光谱，通 过光谱分析可以 看到哪个频率的光被吸收，不同 的液体应该有不同的吸收光谱。 同时， 随 着液滴生长过程中 体积和形状的 变化， 由 滴头和环形极板构成的电 容传感器的电容量也随之发生变化， 通过振荡电路转变成频率变化后， 经过频率 测量电路，如 f n 转换电路等，最后由a / d转换进入计算机。 电容信号的获得是为了考察在液滴生长过程 中由于液滴和环形极板间的复 合介电常数的变化而导致的电容变化。 通过电容的变化， 可以得到液滴体积的变 化， 这样就可以得到基于体积的液滴指纹图。 液滴体积还可以通过利用c c d 摄像 机实时监测液滴的生长过程， 采集液滴的图像， 通过提取液滴的轮廓， 逐层扫描， 计算液滴的 体积。这样也可以 得到 基于体 积的液滴指纹图。 用c c d 摄像机对液滴照相， 经过图像处理， 可以 得到液滴的外形轮廓， 这样， 可以得到基于液滴轮廓的液滴指纹图。 利用光纤信号一电容体积液滴指纹图、 光纤信号一 c c d 体积液滴指纹图、 液 滴 轮廓指纹图以及f f t 光谱图中的 一种或者几种， 利用标准化的液滴， 构成学习 型的智能数据库，在此基础上来鉴别液体。 综上， 本课 题的具体内 容包括: ( 1 )针对光纤、电容液滴分析仪在连续测量不同液体时，供液泵、输液 管以及滴头中的残余液体对最新测量的液体的干扰问题，改进了液滴滴头的 具体结构设计，使液滴滴头的结构便于拆除和清洗，最大限度地减弱了不同 被测液体之间的相互千扰; ( 2 ) 设计了由计算机并口控制的由单步进电机驰动的精密微量供液系 统，满足液滴分析的需要，降低了分析仪器的成本; ( 3 )对采集到的数据的处理方式进行了分析研究; ( 4 ) 研究了 应用 c c d图 像处 理技术测量被测液体液滴瞬时 体积的方法; 对c c d获得的 液滴图像进行图像处理获得液滴轮廓来识别液体的 方法进行 了可行性研究。 大津大学硕十学位论文第_章 光纤图像液滴传感器的设计及改进 第二章 光纤图像液滴传感器的设计及改进 传感器是测试系统的信息敏感和检测部件，它主要负责信号的获取。 由于光纤、图像液滴分析实质上就是光纤液滴分析技术和图像液滴分析技术 的融合，本章分别介绍光纤液滴传感器和c c d 图像传感器的工作原理， 然后进行 机械结构设计。 2 . 1 光纤液滴传感器 2 . 1 . 1 光纤的结构与传光原理l a d 光线在光纤中是按照光学全反射定律进行传播的。 当光线从一个介质到达另 一 种介质的界面时， 其传播遵守几何光学的 折射定 律: n , s i n i , = n 2 s i n 几( 2 一1 ) 其 中 ，n , ， 毛 为 第 一 介 质 的 折 射 率 和 入 射 角 n 2 . : 为 第二介质的折射率 和出 射角 s in 一 生s in i, n , 让 从 很 小 角 度 不 断 增 大 ; 显 然 ， 当 n? s in i, 月 l ( 2一2) 如果在n , 久的情况下， 时 ，光线 按 折 射 率 正 常 折 射 。 当 生二 s in i, 时 ， 折 射 光 线 沿 着 两 种 介 质 的 界 面 传 播 ， 我 们 称 这 是 的 仙 鹅 临 界 角i. 。 当 生 n 2 。 反之， 如果n 2 n i ， 则不 会出 现 l 2l n 2 且 入 射 角 大 于 临 界 角 时 a n , 会产生全反射。在产生全反射时光能在界面上没有反射损失，以 1 0 0 %的光能返 回第一介质。光纤就是利用这种原理制成的。 如图 2 - 1 ( a ) ，光纤的基本结构是两层圆柱形媒质，内层为纤芯，外层为包 层， 纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。 纤芯的 折射率n 、 比包层的折射 率n ， 稍大。当 满足一定的入射条件时，光波就能沿 着纤芯向 前传播。实际的光 大津大学硕十学位论文第_章 光纤图像液滴传感器的设计及改进 第二章 光纤图像液滴传感器的设计及改进 传感器是测试系统的信息敏感和检测部件，它主要负责信号的获取。 由于光纤、图像液滴分析实质上就是光纤液滴分析技术和图像液滴分析技术 的融合，本章分别介绍光纤液滴传感器和c c d 图像传感器的工作原理， 然后进行 机械结构设计。 2 . 1 光纤液滴传感器 2 . 1 . 1 光纤的结构与传光原理l a d 光线在光纤中是按照光学全反射定律进行传播的。 当光线从一个介质到达另 一 种介质的界面时， 其传播遵守几何光学的 折射定 律: n , s i n i , = n 2 s i n 几( 2 一1 ) 其 中 ，n , ， 毛 为 第 一 介 质 的 折 射 率 和 入 射 角 n 2 . : 为 第二介质的折射率 和出 射角 s in 一 生s in i, n , 让 从 很 小 角 度 不 断 增 大 ; 显 然 ， 当 n? s in i, 月 l ( 2一2) 如果在n , 久的情况下， 时 ，光线 按 折 射 率 正 常 折 射 。 当 生二 s in i, 时 ， 折 射 光 线 沿 着 两 种 介 质 的 界 面 传 播 ， 我 们 称 这 是 的 仙 鹅 临 界 角i. 。 当 生 n 2 。 反之， 如果n 2 n i ， 则不 会出 现 l 2l n 2 且 入 射 角 大 于 临 界 角 时 a n , 会产生全反射。在产生全反射时光能在界面上没有反射损失，以 1 0 0 %的光能返 回第一介质。光纤就是利用这种原理制成的。 如图 2 - 1 ( a ) ，光纤的基本结构是两层圆柱形媒质，内层为纤芯，外层为包 层， 纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。 纤芯的 折射率n 、 比包层的折射 率n ， 稍大。当 满足一定的入射条件时，光波就能沿 着纤芯向 前传播。实际的光 大津大学硕十学位论文第二章 光纤图像液滴传感器的设计及改进 纤在包层外面还有一层保护层， 其用途是保护光纤免受环境污染和机械损伤。 有 的光纤还有更复杂的结构，以满足不同的使用要求。 溥 n o n, 少 / / t , 气 、 r . - 一卜一 ( a ) 光纤结构示意图( b ) 子午面内光线的传播过程 图 2 - 1 光纤的结构与传光原理 光线在光导纤维中是按光学全反射定 律进行 传播的，如图 2 - 1 ( b ) 所示。内 部 的纤 芯 折 射 率n ， 较 大， 外 部 的 包 层 折 射率n ， 较小 。 构 成 光纤 的 两 种 材 料间 有 很好的光滑光学界面， 当光线由端面进入光导纤维芯子后， 只要到达芯子与包层 界面的光 线入射角大于临界 角度， 光线就要产生全反射， 折回第一介质。 光线就 是这样在光纤中不断地全反射进行传播的，最后由 光导纤维的另一端射出。 如果 要 使 在 光 纤内 的 光 线 满足 入 射角 大 于 临 界 角im ， 光 纤 在 入 射端 面 就 必 须 满 足入 射 角i， 小 于 孔径 角ii. ， 大 于 这 个 角度的 光线 进 入光 纤 后 将不 能 产生 全 反 射。 物方 空 间 的 折 射率n 。 与 允许 的 最 大 孔 径 角ij。 的 正 弦 的 乘 积 称 为光 纤 的 数 值 孔径n a。 由几何光学的计算可知 : na = no sin i,= n,汗一 v nz一 ni ( 2一3) 数值孔径标志着光导 纤维的收光能力， 数值孔径 越大， 则 光纤收光能力越强， 也就是更大角度空间范围来的光线都能进入光纤且为光纤所传播。 根据光纤的可 逆性， 数值孔径越人的光纤， 在出 射端光线的扩散角度 ( 光锥角) 也越大。 2 .1 .2 光纤液滴传感器的工作原理 光纤传感器可分为传感型和传光型两大类。利用外界因素 ( 如温度、压力、 磁场、电 场、位移等) 改变光纤中光的强度 ( 振幅) 、相位、偏振态或波长 ( 频 率) ，从而对外界因素进行测试和数据传输的， 称之为传感型 ( 或功能型)光纤 传感器。它具有 “ 传” “ 感”合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中。传 大津大学硕十学位论文第二章 光纤图像液滴传感器的设计及改进 纤在包层外面还有一层保护层， 其用途是保护光纤免受环境污染和机械损伤。 有 的光纤还有更复杂的结构，以满足不同的使用要求。 溥 n o n, 少 / / t , 气 、 r . - 一卜一 ( a ) 光纤结构示意图( b ) 子午面内光线的传播过程 图 2 - 1 光纤的结构与传光原理 光线在光导纤维中是按光学全反射定 律进行 传播的，如图 2 - 1 ( b ) 所示。内 部 的纤 芯 折 射 率n ， 较 大， 外 部 的 包 层 折 射率n ， 较小 。 构 成 光纤 的 两 种 材 料间 有 很好的光滑光学界面， 当光线由端面进入光导纤维芯子后， 只要到达芯子与包层 界面的光 线入射角大于临界 角度， 光线就要产生全反射， 折回第一介质。 光线就 是这样在光纤中不断地全反射进行传播的，最后由 光导纤维的另一端射出。 如果 要 使 在 光 纤内 的 光 线 满足 入 射角 大 于 临 界 角im ， 光 纤 在 入 射端 面 就 必 须 满 足入 射 角i， 小 于 孔径 角ii. ， 大 于 这 个 角度的 光线 进 入光 纤 后 将不 能 产生 全 反 射。 物方 空 间 的 折 射率n 。 与 允许 的 最 大 孔 径 角ij。 的 正 弦 的 乘 积 称 为光 纤 的 数 值 孔径n a。 由几何光学的计算可知 : na = no sin i,= n,汗一 v nz一 ni ( 2一3) 数值孔径标志着光导 纤维的收光能力， 数值孔径 越大， 则 光纤收光能力越强， 也就是更大角度空间范围来的光线都能进入光纤且为光纤所传播。 根据光纤的可 逆性， 数值孔径越人的光纤， 在出 射端光线的扩散角度 ( 光锥角) 也越大。 2 .1 .2 光纤液滴传感器的工作原理 光纤传感器可分为传感型和传光型两大类。利用外界因素 ( 如温度、压力、 磁场、电 场、位移等) 改变光纤中光的强度 ( 振幅) 、相位、偏振态或波长 ( 频 率) ，从而对外界因素进行测试和数据传输的， 称之为传感型 ( 或功能型)光纤 传感器。它具有 “ 传” “ 感”合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中。传 天津人学硕十学位论文第二章 光纤图 像液滴传感器的设计及改进 光型光纤传感器是指仅利用光纤进行光波的传输，光纤液滴传感器即属于此类。 光纤 液滴传感器的工作原理是由光源发出的光， 经过 输入光纤导入液滴; 光 线在液滴内部经全反射 ( t i r : t o t a l i n t e rna l r e fl e c t i o n ) 、折射、透射及液体吸收 等作用， 部分进入输出 光纤作为 信号 传出。 这部分传出 光的光强度变化， 包含了 液滴的物理、化学综合特性信息。 2 .1 .3 光纤液滴传感器的信号分析18 111 2 1 图2 - 2 是液滴不同生长时刻输入、 输出光纤的传光情况。图中光纤端面突起 部分为光纤有效出光、 收光端面; 图中所画的路径， 是在液滴内部 遵循t i r反 射 的光线路径。 在收光角度范围内进入输出 光纤的光， 将在光纤内以 较小的光能损 失继续传播，并被探测器接收，经过信号处理电路，得到如图2 - 3 所示的光信号 曲线，液滴生长时刻与图 2 - 2中相对应。 光 线在液滴内部经全反射 ( t i r : t o t a l i n t e rna l r e fl e c t i o n ) 、折射、透射及液体吸收 等作用， 部分进入输出 光纤作为 信号 传出。 这部分传出 光的光强度变化， 包含了 液滴的物理、化学综合特性信息。 2 .1 .3 光纤液滴传感器的信号分析18 111 2 1 图2 - 2 是液滴不同生长时刻输入、 输出光纤的传光情况。图中光纤端面突起 部分为光纤有效出光、 收光端面; 图中所画的路径， 是在液滴内部 遵循t i r反 射 的光线路径。 在收光角度范围内进入输出 光纤的光， 将在光纤内以 较小的光能损 失继续传播，并被探测器接收，经过信号处理电路，得到如图2 - 3 所示的光信号 曲线，液滴生长时刻与图 2 - 2中相对应。 用一定频率的时钟脉冲对 c c d进行驱动， 在 c c d的输出端可 获 得被测对象的 视频信号。 视频信号中的 每一 个离散电压信号的大小对应着该光 敏元接受光的 强弱，而 信号输出的 时序则是对应c c d光敏元位置 的顺序。 c c d 用自 身电 子扫描方式完成从空间域到时间 域的转变。c c d作为输入图 像传感器 使用时， 为了 保证得到 所要的图像细节， 必须要确定c c d的分辨力。 按照采 样 定理的要求，如果已知图像的最大空间频率 ( 即每毫米的扫描线数) ，则采样频 率应大于 图像最大频率的2 倍。 此外， 还要确保图像的 亮度 值应处于光电器件转 换特性允许的动态范围之内，以保证转换之后不失真。 如果光学图像的亮度在时 间坐标上还有变化， 图像亮度对时间的变化上有一个最高 截止频率 ; 按照采样定 理， c c d在时间坐 标上对光学图 像的 采样频率应大于或等于 2 倍的图 像最高 截 止频率。由 此可以 确定 允许c c d的 光积分时间 和计算机对信息采集的时间。 依据对 c c d传感器视频信号应用的差异，对 c c d视频信号有两种处理方 法。 第一种对 c c d视频信号进行二值化处理后， 再进行数据采集。 第二种对 c c d 视频信 号采样、量化编码后再采集到计算机系统。 c c d 只能 把二维图 像变成视频信号输出 给监视器， 要进行计算 机图像处理还 必须通过图像 卡和相应的软件程序来完成。 本实 验采用的图 像卡为。 k c 3 0 / s ,该卡与 c c d和计算机共同构成的图 像 实时采集系统如图2 - 4 所示。 由c c d摄像机采集的图 像信号 经过数字化器转化 大津大学硕十学位论文第二章 光纤图像液滴传感器的设计及改进 成数字信号， 在监视器上 显示。 另一路由 计算机访问 帧存储器进行各种数据处理。 系统的硬件原理框图如图2 -05 所示。 厂 一 二止 二 二 二丁 一 一 匕一 丈 二二岁_ - . lk 户 图2 -4 c c d图 像实时 采集系统 图2 -5 c c d实时图像系统硬件原理图 2 .3 光纤、c c d液滴图像传感器的结构设计! ; 1 液滴分析技术的基本要求是: 对一定的 被测液体， 应形成一个形状唯一的 稳 定液滴。 滴头的作用就是用来形成液滴，它的形状结构和几何尺寸，对液滴的体 积、 轮廓形状以 及液滴的 生长 过程都 有着十分密切的关系。 因 此， 在液滴分析仪 器尚未建立统一标准的情况下， 所有的实验结果都是针对特定的系统而 言的。当 然， 无论采用什么样的标定系统和数据处理方法， 最终获得的 液体特性参数的 结 果必须是相同的。 滴头的机械结构设计主要需要完成以下 三方面的任务: ( 1 ) 使滴头的设计满 足液滴分析技术的需要;( 2 ) 光纤传感器与c c d摄像头的相对定位;( 3 )传感 器 与仪器箱休之间的固定。 大津大学硕十学位论文第二章 光纤图像液滴传感器的设计及改进 成数字信号， 在监视器上 显示。 另一路由 计算机访问 帧存储器进行各种数据处理。 系统的硬件原理框图如图2 -05 所示。 厂 一 二止 二 二 二丁 一 一 匕一 丈 二二岁_ - . lk 户 图2 -4 c c d图 像实时 采集系统 图2 -5 c c d实时图像系统硬件原理图 2 .3 光纤、c c d液滴图像传感器的结构设计! ; 1 液滴分析技术的基本要求是: 对一定的 被测液体， 应形成一个形状唯一的 稳 定液滴。 滴头的作用就是用来形成液滴，它的形状结构和几何尺寸，对液滴的体 积、 轮廓形状以 及液滴的 生长 过程都 有着十分密切的关系。 因 此， 在液滴分析仪 器尚未建立统一标准的情况下， 所有的实验结果都是针对特定的系统而 言的。当 然， 无论采用什么样的标定系统和数据处理方法， 最终获得的 液体特性参数的 结 果必须是相同的。 滴头的机械结构设计主要需要完成以下 三方面的任务: ( 1 ) 使滴头的设计满 足液滴分析技术的需要;( 2 ) 光纤传感器与c c d摄像头的相对定位;( 3 )传感 器 与仪器箱休之间的固定。 大津大学硕士学位论文第二章 光纤图像液滴传感器的设计及改进 图 2 -7 显示的是原有的 液滴分 析仪器中的传感器结构。 同时，在原来的光纤电容分析仪中，为了使每次测量能够满足下面的条件: ( 1 ) 液体沿着重力方向形 成液滴，液滴本身对于滴头轴截面具有圆柱对 称性: ( 2 ) 液滴的圆柱对称性，由于液滴内部的反射过程是发生在各个方向上 的，将光纤设置在液滴的轴截面上，可以得到最强的光信号曲线: ( 3 ) 对一定的液体来讲，如果输入、输出光纤端面相对于滴头端面的高 度位置不同， 意味着光纤插入液滴内部的深度不同。 这样会改变液滴的 形成条件，液滴的大小和形状会有所不同。同时， 光线在液滴内部的传 播路径也将不同。 这必然导致接收光信号的不同， 这就要求对于一个特 定的系统， 为了保证液滴指纹图 的可比 性， 就要保证在信号不失真的前 提下， 在光纤信号最强， 液滴指纹图 特征最明显的光纤位置锁定光纤的 位置。 在光纤电 容液滴分析仪器中， 传感 器中配备了 一个 “ 光纤 位置调 整规” ( 图2 - 7 中未表示)， 它实际 上是一 根一端为标准锥面的 铁棒， 调整光纤信号时将其从底部伸入传感器，并利用锁紧部件 ( 如图2 - 7 包 括滑块、 横杆、 弹簧、 插销等) 对光纤进行固定， 确保液滴的形成条件。 图2 - 6 液滴滴头的原 始机 械结构图 在原来的光纤电容液滴分析仪器中， 输入信号采用的 是峰值波段为 9 6 0 n m 的近红外调制光信号， 在液体中 经过吸收、 反射、 折射后的 近红外光经光电转换 天津大学硕士学位论文第_章 光纤图像液滴传感器的设计及改进 后的信号也只能代表液体对该波段的红外光的反应状况。 由于特定的物质只是对 确定波段的光信号有吸收， 而且， 不同频率的光信号对特定的传光介质的折射率 也是不一样的。 对该窄波段的红外光经液滴作用后所得到的液滴指纹图有一定的 局限性，从某种意义上来讲，只能反应液体的部分特征或是部分液体的特征。 (b 5 6 横杆 螺钉 螺钉 图 2 -7光纤电容液滴分析仪器中的传感器设计 天津大学硕十学位论文 第二章光纤图像液滴传感器的设计及改进 在原有的光纤电容液滴分析仪器的传感器中， 虽然可以形成很好的液滴， 但 在测量一些液体时， 比 如液体中含有气泡或者液体 本身会不断的产生气泡， 由 于 整个供液系统是一个封闭的结构， 这样严重破坏了实验的条件， 以至于实验不能 正常的 进行。 同 时， 在仪 器连续测量不同种液体时， 已 经测量的 液体在输液管道 和供液泵中的残留液体会和新的被测液体混合，影响了被测液体的物理化学性 质。 由于传感器的结构不易拆除， 不容易达到完全意义上的 清洗， 影响了 实验的 结果，而且也给试验操作人员带来不便。 改进后的滴头传感器的机械结构图如图 2 -8 所示。 比较原来的 滴头传 感器，改进部分在于: 1 . 滴头舱体与环形极板用环形极板固定套相连，上滴头芯柱与下滴头芯柱 过盈配合， 在加工时 特别需要保证这几个零件中相关内、 外圆的同 轴度， 及相关端面与圆的垂直度，从而保证:液体沿着重力方向形成液滴;液 滴本身对于下滴头芯柱中 心轴线具有圆柱对称性;由 于液滴内 部的反 射 过程是发生 在各个方向 上的， 而光纤仅 仅设置在液滴的某一纵切平 面上， 只有保证了液滴的圆柱对称性，得到的二维光信号曲线刁 具有代表性和 分析价值: 液滴位于环形极板中央，即环形极板与滴头 ( 包括液滴) 在 水平截面上的间距相等; 2 针对不同液体对不同 频率的敏感程度不同的 情况， 采用多路输入，以便 得到液滴更多的特征，拓宽液滴的分析范围。滴头上打三个孔，其中两 个孔插输入光纤，采用的 两支二 极管 s f h 4 5 0 和 s f h 7 5 0 提供 光源， 第 三个孔插输出光纤。 这样就可以近可能多的 获取液体的相关信息。下滴 头芯柱横截面示意图见图2 - 9 所示。 3 . 针对气泡问题设计了 新的滴头结构， 可以 有效的处理由 于气泡而产生的 影响。 液体由 针管注入滴头舱体，再经过下 滴头芯 柱和舱体的间隙，最 后形成液滴。这个过程中，气泡在舱体内 有足够的时间从液体中 逸出， 消失。 4 . 将前 置放大器放入滴头中，这样既缩短了光 信号的传播距离， 也使得在 清洗得过程中滴头 作为一个整体， 可以 避免光纤的插拔， 保证了光束祸 合，减少了实验误差。 5 . 可配合摄像头使用，监视液滴的生长 全过程。支架的中 布置有通孔， 用 c c d摄像时，只需将环形极板取下，即可由摄像头通过通孔进行摄像。 6 . 方便清洗。当需要更换被测液体或清洗滴头时，先将滴头芯柱等件构成 的可移动部与滴头舱体等件构成的固定部分离。然后拔出供液管，分别 清洗各 自与液体相接触的表面。本发明中由于所有与液体接触的表面均 犬津人学硕十学位论文第二章 光纤图像液滴传感器的设计及改进 设置为光滑的外表 面，所以清洗变得方便且 容易清洗千净。 光纤位置的调整。通过调整套筒可以方便的调节滴头芯柱相对于滴头舱 体的位置，也就是光纤相对于液滴的位置，达到信号最佳