（光学工程专业论文）光纤液滴传感器的设计及应用研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 光纤液滴传感器是利用测试液滴的形成过程与液体成份之间关系而制成 的一种液体测试传感器。它利用光纤来监测液滴的增长过程，并通过分析随 液滴下降过程而变化的光强变化曲线，获得反映液体的物理、化学性质的“光 纤液滴指纹图”的测试系统。液漓体积的测量方法是利用液滴增长过程电容 的变化来监测液滴体积的变化，从而实现液滴体积的测量。 本文根据光纤液滴传感器的基本原理进行了传感器的具体结构、光路、 电路设计，搭建了光纤液滴传感器的试验平台。并利用此平台分别测试了不 同溶液的液滴指纹图，通过对指纹图进行分析对比得到液体的特性参数，首 先实现了对各种液体的鉴别，然后测量了不同浓度的乙醇和蔗糖溶液，在分 析了乙醇和蔗糖溶液的传统特征参量后，提出了新的液滴指纹图的分析方法， 可以实现对乙醇和蔗糖溶液折射率和浓度的测试，利用此方法还可以实现乙 醇表面张力的测试。 关键词：光纤液滴传感器，液滴指纹图，液滴体积，乙醇溶液测试，蔗糖溶 液测试 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo p t i c a lf i b e rd r o ps e n s o ri sat y p eo ft h el i q u i d t e s t i n gs e n s o r sb a s e do n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed r i p p i n gp r o c e s sa n dt h ec h a r a c t e r so f t h el i q u i dt ob e t e s t e d i ti sp o t e n t i a l l yu s e f u lt e s t i n gs y s t e m so fp h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r s o fl i q u i ds a m p l e sb ya n a l y z i n gt h ev a r i e t yo ft h el i g h ti n t e n s i t y , t e r m e da st h e f i n g e r p r i n td r o pt r a c e ，s h o r t l yf d t , t h ed r o pv o l u m et e s t i n gi sb a s e do nt h e c h a n g i n gc a p a c i t i v ew i t l lt h ed r o pd e s c e n d i n g o nt h eb a s i so ft h ep r i n c i p l eo ff i b e rd r o ps e n s o rt h ew o r kd e s i g nt h e c o n c r e t es t r u c t u r e ，t h er o u t eo fl i g h t ，c i r c u i ta n dt h e ne s t a b l i s h e dt h ef i b e rd r o p s e n s o lt h e nas e r i e so fe x p e r i m e n t sa r ep r o c e s s e dt oo b t a i nt h ef d t so fd i f f e r e n t l i q u i ds a m p l e s ，e s p e c i a l l ya l c o h o ls o l u t i o n so fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sa n dc a n e s u g a rs o l u t i o n so fd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s a f t e rd i s c u s s i n gt h et r a d i t i o n a l p a r a m e t e r so ff d t , a n e wc h a r a c t e ri sg i v e nt om a r kt h ei n d e xo fr e f r a c t i o na n d c o n c e n t r a t i o no ft h ea l c o h o ls o l u t i o n sa n dc a n es u g a rs o l u t i o n s t h em e t h o da l s o c a nb e u s e di nt e s t i n gt h es u r f a c et e n s i o no f a l c o h 0 1 k e y w o r d s ：f i b e rd r o ps e n s o r , d r o pt r a c e ，d r o pv o l u m e ，a l c o h o ls o l u t i o nt e s t i n g ， e a r l es u g a rs o l u t i o nt e s t i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：刻 垒， 日期：) 川r 年q 月日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 社会进步和科学技术的不断发展，日新月异地丰富了人民的生活，在享 受富裕生活的同时，越来越多的人们开始关心人类赖以生存的环境状况。保 护生态环境、采取可持续发展战略已经变成民众的自觉意愿和实际行动。各 国政府部门已经把环境保护和可持续发展从战略重视逐步转移到具体的战略 部署阶段。 作为世界上最大的发展中国家，我国在实现经济快速发展的同时，把可 持续发展上升到国家战略的高度，郑重声明保护生态环境是我国的基本国策。 我们看到：大到西部开发、城乡建设，小到企业规划、产品设计，首先考虑 的都是环境、生态和可持续发展；绿色食品、饮料、医疗保健药品等无污染 环保产品也成为消费的热点。因此，人们对污染的控制、对饮食、医药和工 业用液的质量监测都提出了更多、更高的要求，迫切需要功能更强、使用更 方便的分析方法和仪器。 1 1 光纤液体测试技术 对液体成分进行检测的方法有很多种，除了传统的物理化学方法外，还 有分光光度计测量，液相色谱等方法也被广泛应用。分光光度计主要是利用 物质对不同波长光的吸收特性来对液体成分进行检测。液相色谱技术则是对 液体进行分离后再进行检测。这些方法都经过多年的发展和使用，有了很成 熟的产品，但是这些液体检测的方法多数功能比较单一，检测效率低，且成 本较高。光纤传感技术的出现，给液体测试带来了更多简便的途径，并出现 了很多基于光纤的测试液体参数的新方法。 1 1 1 液体折射率的测试方法2 】 如图1 1 所示，光在光纤中传播时，在纤芯和包层的分界面处发生全反 哈尔滨工程大学硕士学位论文 射，然后从光纤端出射后在介质中传播。在纤芯和介质的分界面处发生折射， 其中以，、嘞分别为纤芯和包层的折射率，凶为纤芯直径，以为介质的折射率。 经计算 图1 i 折射率测量原理图 以s 1 n 口= 门 行：s i i l 卢：二i n p ( 1 - 1 ) 由( 1 1 ) 得： n = ! s 丝i n 8 ( 1 2 ) 在距离光纤端面h 处垂直于光纤轴放一平板毛玻璃，从光纤端面发出的 光束的发散角为舅在玻璃板上形成一个直径为d 的光斑，则有 。i n o ：丝三鱼丝( 1 - 3 ) ( d d o ) 2 2 + h 2 代入( 1 - 2 ) 得， 行= 厢打面而i 开 ( 1 4 ) 由( 1 4 ) 式可以看出，当n 斗o 。时，d 斗d o ；当n = l 时， d ：d o + 2 h 再f 面石石f 而 ( 1 5 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 当扎d o 给定时，只要测出h 和d 的值，即可求出待测介质的折射 率n ，若把介质选择为液体则可实现液体折射率的测量，而且测量值的范围 不受限制。 另一种方法如图1 2 所示，光由发射光纤导入到液体里，经过液体被反 射平面反射，然后被接收光纤所接收。由于不同的液体折射率不同，导致光 纤出射角目不同。 发射 其出射角： 二卜一光纤的像 ( a ) i i + 一光纤的像 c o ) 图1 2 测量折射率的原理图 只：s i n 一- ( 丝) n 1 n a 是光纤的数值孔径，反射锥形区域半径： ( 1 6 ) q ，= 口+ ( 2 x + h ) t a n ( o , ) ( 1 7 ) 式中口是纤芯区，h 是光纤的偏移量。 当反射面和光纤之间的液体不同时，若n 2 n 1 ，则出射角0 2 0 1 ，因此q 2 丹2 。由于n l 和岛不变时，功率 反射系数r 是n 2 的函数，所以l e d 发出的光进入光纤，有一段除去包层的 光纤浸入液体就会受到液体折射率n 2 的调制，出射光强就与液体的浓度有关。 根据此原理设计了如图1 3 所示的原理图，通过p d 检测到的光强就能反映 出液体的浓度，浓度变化光强也会发生变化，从而实现液体浓度的测试。 第二种方法的实验原理如图1 4 所示，将直径小于l m m 的单根光纤绕成 螺线环状，环数为3 ，并去掉环状部分包层。光从输入端输入经过环形光纤 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 后出射，然后被光电探测器探测到，由于对于给定的光纤，出入光强，与矗 有如下关系： i = i o e x p 一j 旯，n 2 埘 ( 1 9 ) 式中：黾衰减系数，它与光纤弯盐半径r ，入射光波长a ，包层折射率n 2 有 关；l 是弯曲光纤的长度。由于我们将环状光纤浸入溶液中，所以n 2 为溶液 的折射率，随着液体浓度的变化，环状区的包层折射率随之改变，导致光纤 出射光强的变化。从而找到了出射光强与液体浓度的关系，同时也是测量液 体折射率的方法。 图1 4 光纤探头结构 1 1 3 液体密度的测试 5 】 4 输出 测液体 图1 5p - l 转换 一 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 双光束光纤调制式自动检测密度计的技术路线如图1 5 所示。光源1 通 过小孔1 、光栏2 、透镜3 和双孔光栏4 产生方向性甚好的双光束a 和b ，丑 是参比光束，射入参比光纤，其射出口位置由和其固连的弹簧幻的伸长量 蜀( 以弹簧受力为零时的位置为参照点一光标零点) 来决定。4 是测量光束，射 入测量光纤。铡量光纤和参比光纤的受光窗在同一水平面内，其射出窗的位 置却是由和其固连的弹簧“的伸长量坦参照点选择与如相同) 来决定。若 “和b 的弹性系数均为世，两浮子( 图中的重物回的体积均为v ，重量均为 g ，参比液( 溶荆) 的密度为绒，测量液的密度为p ，则有关系式 g = 瓯+ 即o = k x + 劲 ( 1 1 0 ) 即 扛x o x 2 鼍( p p o ) ( 1 - 1 1 ) ， v = 0 0 1 m 3 = 1 0 7 m m 3 k = l k g l c m = 1 0 3 m g m m 则 ；= 1 0 7 m m 3 1 0 5 m g m m = 1 0 0 ( m m 熹) l = x o x = l o o ( p p o ) m m( 1 - 1 2 ) 即密度的单位用m g m m 3 时，三的单位为l t l n l 。 图1 6 调制盘和吼要求 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上述的距离三的测定是通过光纤调制盘转换成时间间隔t 来测定的。如 图1 6 所示，光纤调制盘是一个由电机带动在垂直方向旋转着的圆盘，其周 边上有两个光窗，参比光窗时和测量光窗村，分别是光纤m n 和m 的受 光窗，m 在参比光纤决定的垂直平面内，吖在测量光纤决定的平面内，肘 和m 之间的距离等于参比光纤和测量光纤水平面之间的距离，使m 和m 正 好能掠过各自的光纤射出口。设计时，使光纤轴和射入m ( m ) 的入射光线之 间的夹角0 ( 通过盘半径的选择来调节) 小于光纤所要求的最大入射角鼠，如 图1 6 所示，以保证光能无耗接收和无损传递。其出射口n 和分置盘两边 的中心处( 盘和电机转轴通过齿轮带动旋转) 。从和射出的光脉冲正好被 和其正对设置的光电转换元件( 硅光电池) 接收，并将其转换成电流脉冲。两 脉冲之间的时间间隔r 就是受光窗掠过工所需的时间。由于f 已知，便可求 得三值，从而根据式( 1 1 2 ) 计算未知溶液密度。 1 2 光纤液滴分析技术 光纤液滴分析技术是一项新型的高新技术。液滴分析技术指的是在一定 的系统条件下，在被测液体形成液滴过程中，采用各种手段对被测液滴实施 监测，以获得有关被测液体的物理、化学特性参数。 光纤液滴分析技术的优点主要有以下几个方面1 6 j ： 首先，利用光纤波滴分析技术只需监测液滴形成到下落的过程，就可以 间接测量出液体的物理、化学特性参数，如：表面张力、折射率、浓度、粘 度、吸光度、混浊度、液体的化学成分和有关的液体电特性参数等。传统的 测量方法需要分别测量以上参数，其装置复杂、价格昂贵、使用不便，并且 各种数据相关性不好，判断难度也大，给测量工作带来很多麻烦。 其次，利用光纤液滴分析技术得到的“光纤液滴指纹图”，可以看出不同 液体指纹图的细微差别，从而可以鉴别液体的真伪。 再次，光纤液滴分析技术可以实现在线测量，可以用来监测液体生产的 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 各个环节。在英国的一些制酒和制糖企业中已经得到了应用。 上述优点使得液滴分析技术在海洋污染监测、水资源保护、制药工业、 食品饮料及工业用液等涉及液体检测的领域中显现出十分广阔的应用前景。 1 3 液滴分析技术的发展概况【6 】 早在一个世纪以前，t a t e 等人就通过实验提出，液滴的体积( 重量) 与形 成液滴的毛细管的直径成比例。此后，人们逐步认识到液体的某些特性与液 体在一定条件下形成液滴的特性关系密切，例如，在一定条件下液滴的体积 大小与液体的表面张力、粘度、浓度等特性有关。因此，出现了以测量液滴 体积为基础的液滴分析方法。人们做了大量的实验并找到了有关液滴体积与 液体特性参数之间的相互关系，例如，h a r k i n s 等人于1 9 1 9 年提出了液体 的边界张力与液滴的体积和形成液滴的毛细管半径关系为： y ：v e d gf(1-13) ， 式中：y 边界张力 矿平衡状态下的液滴体积 卜被测液体与周围介质的密度差异系数，简化时可用被测液体的密 度p 代替 广测量当地的重力加速度 r 一毛细管外圈半径 卜经验修正系数 1 9 6 7 年l a n d o 和o a l d e y 等人利用现代计算机回归分析技术，得出了 修正系数f 的较为可靠的经验表达式： f = 0 1 4 7 8 2 + 0 2 7 8 9 6 x 一0 1 6 6 x 2 ( 1 - 1 4 ) x - - - - 无量纲数，z 3 歹争 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p a d d y 和m a t i j e v i c 对上述液滴体积( 重量) 分析方法作了全面的评论， r o w e 、w i l k i n s o n 等人相继对修正系数也作了进一步的研究。 1 9 9 2 年，爱尔兰的m c m i l l a n 博士等人提出了光纤液滴分析的实验方法 ( f d a ：f i b e rd r o pa n a l y z e r ) ”j ，其原理是通过两根插入液滴的光纤将光导入液 滴，同时获取经过液滴反射、吸收后的光信号，由此得到接收光强随时间变 化的曲线，它反映液体的多种特性，而且在确定条件下具有唯一性，称为“液 滴指纹图”( f d t ：f i b e r d r o pt r a c e ) 。对于液滴指纹图的研究，例如，在规律 机械振动情况下信号的变化，以及利用液滴指纹图对液体进行识别等方面， 也有相应的报道【8 1 1 9 1 。 光纤液滴分析技术是从光学角度出发，在液滴形成过程中获得被测液体 的特性，它与液滴体积原理没有直接联系，不能直接测出液滴的体积。天津 大学的王春海博士等人于1 9 9 9 年提出了电容液滴分析的方法 ( c d a ：c a p a c i t i v ed r o pa n a l y z e r ) 蚓，由滴头和环形极板构成特殊的电容传感 器，将液滴生长过程中的体积变化转变成电容传感器电容量的变化。通过电 容液滴分析方法可以获得任意时刻的液滴体积值，前提是被测液体的介电常 数已知或者可以实时测量获得。 由于光纤液滴指纹图( f d t ) 反映的是光信号随时间变化的规律，这实际上 意味着液滴生长速度不仅要慢而且要非常稳定，以达到所谓准平衡状惫，在 此状态下所测量的结果才能反映被测液体的物理、化学性质。而液滴生长速 度本质上是由供液系统对毛细管流量的定量控制决定的，因此这无疑在实践 中对供液系统的设计和制造都提出了非常高的要求。如果液滴生长速度不能 精确控制在要求范围内，那么就无法保证测量的重复性和指纹图的唯一性。 基于光纤液滴分析技术和电容液滴分析技术，天津大学的裘祖荣博士提 出了“基于液滴体积的液滴指纹图”的表达( v f d t 二v o l u m e b a s e df i b e rd r o p t r a c e ) ，它表示的是光纤接收端的光强信号隧液滴瞬时体积变化的曲线【1 1 】。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 该表达方式解决了以时间为基准的液滴指纹图受供液系统流量稳定性影响的 难题，排除了液滴生长速度和液体挥发性对液滴指纹图的影响，既提高了测 量的重复性，也提高了液滴指纹图的可比性。同时，光纤、电容液滴分析技 术使液滴分析涉及了被测液体更多的特性，从丽自2 够更全面地分析、鉴别被 测液体。 随着科学技术的不断发展，越来越多的新技术、新方法已经应用到液滴 分析领域。利月数码摄像机可以通过摄像的方法直接记录液漓生长过程中的 轮廓变化情况，通过图像处理得到液滴边缘曲线，利用m a t l a b 软件对曲线进 行处理就可计算出液滴的体积。图像处理技术的最大优点就是不需要知道液 体任何参数就可获得未知液体的体积信息，并且可以监控液漓在下落过程中 体积的变化情况，可以用来对液体特性作迸一步研究。 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 光纤或者微型几何光路，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谱分析，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建检测出来， 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的鉴别能力提高一个台阶。 近几年，光纤电容液滴分析技术得到迅速的发展。1 9 9 8 年m e m i l l a n 博 士从实验上论证了f f d a 用于威士忌生产过程中的质量控制的潜力i l “，2 0 0 5 年又发表了近年来研究进展的综述f 13 1 。2 0 0 3 年天津大学的宋晴、张国雄、裘 祖荣等人制作了光纤电容液滴分析仪，并从实验上论证了乖j 用液滴指纹图进 行液体鉴别技术的可行性i l 。 1 4 本课题的研究内容 液滴分析技术在国外已经有所应用，但在国内研究工作尚不成熟，还未 哈尔滨工程大学硕士学位论文 达到实用化阶段。本课题受“哈尔滨市青年科技基金( 2 0 0 3 a f q x j 0 5 4 ) ”的 资助，主要目的是从实验上论证光纤液滴传感器的可行性，并最终制成光纤 液滴传感器实验系统。 本课题的具体内容包括： ( 1 ) 光纤液滴传感器的设计 ( 2 ) 信号处理电路的设计 ( 3 ) 供液系统的设计 ( 4 ) 对样品的测试分析 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章液体性质分析 光纤液滴传感器是通过监测液体在液滴头形成液滴的过程制成的传感 器，液滴在形成过程中的形状变化直接决定了实验结果。液滴的形成过程， 不仅受到其自身表面张力的影响，还受到很多外界环境的影响，因此分析液 滴性质和液滴形成原理对传感器的设计和液滴指纹图的分析具有极其重要的 意义。 2 。1 液体的表面张力“翻 液体表面最基本的特性是倾向收缩，其表现是小液滴趋于球形，如小水 银珠和荷叶上的水珠那样，以及液膜自动收缩等现象。这是表面张力和表面 自由能作用的结果。用金属丝或细玻璃棒弯成一方框，使其一边可以自由移 动，如图2 1 所示。让液体在此框上形成液膜a b c d ，其中c d 为活动边，长 为j o 欲使体系平衡，必须施一适当的力f 于c d 边上。由于此时c d 边受到 外力f 的作用却并不沿此力的方向运动，可以推断活动边c d 必定同时受到 和f 大小相等、方向相反的力的作用，这个力就是表面张力。对于一定的液 体，在一定的物理状态下平衡时的f 值与边长，成正比，f = 2 ，此处 v 为垂直通过液体表面上单位长度。沿着与液面相切的方向收缩表面的力， 即表面张力系数，通常简称为表面张力。国际上常用的单位是m n m ( 毫牛顿 ，米) 和d y r 如m ( 达因厘米) 。 不同的物体具有不同的表面张力，主要是不同物质分子间作用力不同。 对非极性有机液体，y 值一般较小，如正己烷在2 0 。c 下，r = 1 8 4 3 m n m ，其 分子间相互作用力主要是色散力。对有氢键相互作用的液体，表面张力较大， 如水在2 0 a c 下，y = 7 2 8 m n m 。对有金属键作用的液体，表面张力值更大， 一般都在几百毫牛每米以上，如汞在2 0 0 c 下，一8 6 5 m n m 。现已知表面张 哈尔滨工程大学硕士学位论文 力最低的是胁，在1 k 下为f 0 3 6 5 m n m ，表面张力最高的是凡，在其熔点 15 5 0 。c 下，y = 18 8 0 m n m 。 一 dd f 一 ， - t cc 图2 1 表面张力的物理意义 当溶剂中加入溶质，溶液的表面张力会发生变化，如图2 2 所示，在水 中加入无机酸、碱、盐及蔗糖和甘油等，使水的y 略为升高( 曲线1 ) ：加入有 机酸、醇、酯、醚、酮等使水的y 有所下降( 曲线2 ) ：加入肥皂、合成洗涤剂 等使y 大大下降( 曲线3 ) t 1 6 1 。 表 面 张 力 溶液浓度 图2 2 不同溶液浓度与表面张力的关系曲线 2 2 影响液体表面张力的因素。7 3 ( 1 ) 温度的影响 温度升高，一般液体的表面张力下降，即表面张力的温度系数却i d t 为 负。也有正温度系数的，如c k 、厶等。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 大多数液体物质的表面张力随温度上升呈线性下降。但在临界温度以前 ( 距临界温度3 0 k 以内) ，有明显偏差。一般线性经验关系最简的形式是 尸如( 1 6 d( 2 - 1 ) 式中，t 为热力学温度：一b 为温度系数。 此外还有经验公式 h 。旧 ” 陆z ， 式( 2 - 2 ) 中，疋为液体物质的临界温度；n 为经验常数，对有机液体, 的 平均值为1 2 1 。当温度为瓦时，表面张力趋于零。 还可以用多项式来表达p 丁之间的关系。例如水的表面张力与温度之间 的关系为 ) i ：7 5 7 9 6 0 15 4 t - 0 0 0 0 2 4 t 2( 2 3 ) ( 2 ) 压力的影响 由热力学基本关系式d g = - s d t + v d p + y d a ，在丁一定时，根据全微分的性 质，有 ，= ( 乱 ， 因为表面层物质密觥于液体体相密度，n 。a - - 般d v 为正删( 孰， 为正，即表面张力随压力增加而增加。但实际情况则相反，表现为随着压力 增加而减小。通常某种液体的表面张力是指该液体与含有该液体蒸汽的空气 相接触时的值。因为在一定温度下液体的蒸汽压是定值，因此只能靠改变气 相中空气的压力或惰性气体等方法来改变气相的压力。气象压力增加，并可 能产生吸附，会使表面张力下降。压力的影响与气体的溶解及吸附的影响相 比，后者更甚。所以，液体表面张力一般随气相压力增加而降低。如在2 0 。c 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 时，水在o 0 9 8 m p a 压力下表面张力为7 2 8 m n m ，在9 8 m p a 压力下为 6 6 4 m n m 。 2 3 毛细现象“7 1 液体在毛细管中的上升或下降，称为毛细现象。如玻璃毛细管插入水中， 管内水的液面会上升；玻璃毛细管插入汞中，管内汞的液面会下降：如图2 3 所示。液体在毛细管中上升( 或下降) 的高度h 与液体的表面张力有关。 设毛细管半径为r ，接触角为0 ，则液面的曲率半径r r c o s o ，附加压力 肇2 2 y c o s o r 。 ( 1 ) 凹液面0 9 0 。，c o s o 为负，卸值为正，毛细管中液面下降，下降高 度也符合式( 2 5 ) 。 若将式( 2 5 ) 改写为 2 y c o s 0 胛2 7 。t p | 一p 毽 此式右方为体系性质所决定，与毛细管的粗细无关 湿管壁时( 盼0 ) ，上式变为 ( 2 6 ) 当液体可以完全润 胁2 再2 雨y ( 2 _ 7 ) 说明h r 完全为液体性质所决定，与毛细管性质无关。h r 通常称为毛细管常数， 用a 2 代表，毛细管常数是研究表面现象时常用的参数。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( a ) 上升 ( b ) 下降 图2 3 液体在毛细管中的上升或下降 2 4 液体对固体的润湿作用”阳 将少量液体滴加于固体表面上，液体可能形成液滴。在达到平衡时，处 在某种固体表面上的某种液体，会保持一定的液滴形状，如图2 4 所示。 图2 4 接触角 接触角是在气液固三相交界线上任意点o 的液体的表面张力m 与液固 界面张力间的夹角，以口表示。 液体在固体表面上保持一定的形状，是三个界面张力在三相交界线任意 点上合力为零的结果，即 ，p = y 一。日+ y h ( 2 - 8 ) 式( 2 8 ) 是t y o u n g 在1 8 0 5 年提出来的，故又称为杨氏方程。因为这是湿润的 基本公式，该式常称为湿润方程。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 5 悬滴的湿润角 0 4 根据表面理论，不同的液滴滴放在不同性质的固体表面上，有时液滴会 立即铺开以致覆盖固体的表面，这种现象称为湿润：某些液体的液滴在固体 表面上不铺开而仍保持液滴状态，即固体不被液体湿润。在某些情况下，液 体在固体表面铺开而形成躺滴，并在液相和固相之间有一定的接触角。 液体对固体的湿润作用可用黏附功的大小来表征。图2 5 表示某液体的 悬滴在固体表面上不完全湿润，从而产生一接触角为p ，如果该液滴边缘有 一微小的位移使液体对固体所接触的面积改变了a a = 2 r r r d r ，则表面自由能 变化为： a g 5 = 2 7 r r d r ( y ，f y s v ) + 2 ；r r d r y c o s o 。 ( 2 - 9 ) 式( 2 9 ) 中：g s 为表面自由能；7 s l 为液、固界面的表面张力；踟为气、固界面 的表面张力；为气、液界面的表面张力；0 为接触角；r 为液滴的湿润半 径。 因为f f = 0 - a 0 ，所以： a g 5 = 2 斌a r r “一，。+ c o s ( a a o ) 】 ( 2 一l o ) 平衡时， m l i m 。2 a 艘g 搬 = 0 ( 2 - 1 1 ) 当艘一o 时，目一o ，所以8 , = - 8 ，于是由式( 2 1 0 ) 可以得到： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 y d y 。，+ y i ，c o s 0 = 0 ( 2 - 1 2 ) 即 c o s 臼：盟 ( 2 1 3 ) ，“ 由式( 2 1 3 ) 可知，若7 s ， o ，则l c o s 0 0 ，0 。 口 y 。f + y 如c o s 以( 2 1 4 ) 固体表面将继续被润湿直到在b 点建立起新的平衡。即： 以，= h + hc o s 吼 ( 2 - 1 5 ) 固 图2 6 固体表面倾斜相当于水平接触角变小 在这个新的平衡状态下的接触角o b = a + b = o 。可见，当固体表面水平时， 仁吐，而当固体表面倾斜时，a o ，相当于减小了水平方向上的夹角，使得原 在一点平衡的液体湿润至b 点平衡，也就是提高了固、液表面的湿润性能a 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章介绍了液体表面张力的定义和影响因素，从表面张力出发分析了毛 细现象及液体与固体接触时的润湿作用，为液滴的形成、表面张力的测量和 传感器设计提供了重要的理论基础。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章光纤液滴传感器系统设计 3 1 光纤液滴传感器的整体设计 图3 1 光纤渡滴传感器原理图 图3 1 为光纤液滴传感器的整体设计图。光纤液滴传感器的工作原理是 由光源发出的光经过光纤导入到液滴，光在液滴里发生折射、反射、散射等 作用后，部分进入接收光纤，被其末端的光电探测器探测到，转换成电压信 号，经过放大滤波处理后，由数据采集卡送入计算机。计算机纪录的单个液 滴曲线的轨迹就是所谓的“液滴指纹图”。其中包含了液滴的物理、化学综合 特性信息。 考虑到设计的成本，实际采用红光l e d 作为光源，由于其发出的光强较 弱且方向性能差，为了能使导入到液体的光强足够强，采用了大孔径的塑料 光纤作为传光光纤，以最大的出射光功率与光源耦合。光被导入到液滴后， 由于探测的是经过液滴反射、吸收等作用后的光强，采用塑料光纤接收，光 纤末端耦合一个灵敏的光电探测器。 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为了保证采集数据的一致性，即每次都从液滴刚开始形成时采集数据， 在液滴下侧设置了一个强度调制型光纤传感器，即在液滴下落时从光纤出射 的光被下落的液滴遮挡了一次，强度出现一次变化，经光电转换后是一个脉 冲信号，把这个脉冲作为采集数据的触发信号。 为了保证液滴下落过程的稳定，即其下落只受到液体本身的粘度、表面 张力和毛细管的毛细现象的影响。实际利用步进电机推动针管线性的向供液 装置内打压，供液装置和打压针管之间必须保持良好的气密性，采用三通管 向供液装置内注入液体。 液滴头和下侧的环形极板构成液滴体积测量系统，用来测量液滴的体积。 环形极板与液滴头的位置一旦固定就不可改变，以保持测量结果的重复性。 3 1 1 光纤液滴传感头设计 光纤液滴传感器主要由传感头、毛细管、输入光纤、输出光纤组成。它 的基本结构如图3 2 所示，液滴头为圆柱体，光纤垂直插入与毛细管平行。 通过改变光纤的位置和液滴头的形状可以设计不同的液滴头，图3 2 ( a ) 的液 滴头底部为平面，图( b ) 的液滴头底部为凹面，图3 3 为光纤斜插入液滴头， 图3 4 为圆锥形光纤液滴头【1 8 】。 瓢炳四瓮眄 哈尔滨工程大学硕士学位论文 供液毛细管 供液毛细管 纤曾光呵龇纤 与 图3 4 圆锥型光纤液滴头 由于液滴头是光纤电容液滴传感器的核心元件，其形状与尺寸直接决定 了液滴指纹图的形状，对液滴的体积、形状和生长过程都有着十分密切的关 系。所以选择合适形状与尺寸的液滴头对实验结果非常重要，并且尺寸固定 后，所有的实验结果都是针对此液滴传感头。图3 5 为液滴传感头的机械图。 由于液滴头的尺寸微小，考虑到加工性、腐蚀性和导电性，滴头的材料选择 黄铜。注液孑l 设计成阶梯孔，上方大孔为1 。6 m m 与注液针管相连，下方孔为 l m m ，由于必须留有光纤孔的位置，且实际采用塑料光纤，为了保护光纤又 加上细钢管，所以光纤孔的尺寸为1 3 m m 。为了保证液滴头被完全浸润，避 哈尔滨工程大学硕士学位论文 免出现液滴与液滴头下表面不完全接触的现象，液滴头底部直径设计成 6 m m ，同时为了便于理论的分析采用平头。经过实验的验证完全可行，并得 到良好的实验结果。 图3 5 液滴头机械图 3 1 2 液滴体积测量方法设计 3 1 2 1 液滴体积测量的基本原理【1 9 】 残留液体 王 、彤极板 图3 6 液滴体积测量原理图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 液滴体积测量的基本原理是一个环形电容器，如图3 6 ，环形极板作为电 容传感器的一个电极，液滴滴头作为另一个电极。但与圆柱形传感器还是有 区别的，环形极板与滴头( 包括液滴) 的水平截面上的间距相等，液滴的生长 变化既可以看作是柱状滴头电极长度的变化，也可以认为是电容器极间复合 介质的变化，这将取决于被测液体是否为电的良导体。 3 1 2 2 液滴体积测量的数学模型【1 8 由于利用实际的液滴形状建立数学模型比较复杂，为简化作如下假设： ( 1 ) 假设液滴为良导体。 ( 2 ) 假设液滴在生长过程中只沿其回转轴方向变化，且液滴底部曲面不变。 ( 3 ) 忽略边界效应。 简化后的模型如图3 , 6 所示。这样，液滴在从残留液滴到分离全过程的 电容变化可近似地看成是一个同轴圆柱电容器的电容变化。其电容量的计算 推导如下： 假设滴头( 包括液滴) 和环形极板分别带有电量+ q ，一g ，电荷是均匀分布的， 则有q = 以为极板上的电荷，其中a 为每单位长度上的电荷。在液滴和环形 电极之间、离开圆柱轴线距离为，j 点处的场强为： e = l 一( 3 1 ) 2 z r s o s a r 式中：岛真空介电常数 s 。空气的相对介电常数 根据场强和电位梯度的关系： e = 一万d u ( 3 - 2 ) 得： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 棚一删一南 ( 3 。3 ) 二h 6 n 6 。， 设液滴表面和环形电极内表面的电位分别为：u a 和u 。，由积分得 e 肌一去r 等 ( 3 - 4 ) u 一也= 去- n 詈 ( 3 - s ) c - 矗2 矗u u2 警 仔6 ， u 一一b n 墨 、 根据上述结果，电容变化可近似表达为： c = 掣 ( 3 _ 7 ) i n 兰 式中：g o 为真空介电常数；s 。为环形电极与液滴之间的空气相对介电常数； h 为液滴底部至残留液滴底部的高度；r 为环形的电极的内圆半径；，为液滴 半径。 根据图简化模型，矿= 万2 h ，则可得电容增量a c 与液滴体积的关系为： c - 豢i l l p 8 ) r 令：，z l n 墨 则有： y ：0 _ a c ( 3 9 ) 2 e o s a 根据假设条件，、r 是常数，所以岛亦为常数。但由于实际上液滴轮廓 形状并不存在r 为常数的情况，因而b 也不会是常数。如图2 6 所示，当r = 5 m m 哈尔浜工程大学硕士学位论文 时，缸甲的关系曲线。在极大值附近，曲线平滑，其物理意义就是k o 随r 的变化最小。为求极大值，将：r 2i n 里对，求导： k o = 2 r l n 等+ r 2 素( 一拳) = 2 ，l n 了r 一，( 3 - 1 0 ) 令：乩：0 ，则有：l n 墨：= 1 ，即，：了r ：0 6 0 6 5 r r2 e 计算表明，当取r = 5 m m ，若r 取值范围在2 8 0 n m a r 一 r c v c c d c c p u 查询 s 1 3 d 7 7 4 t x d 脚 l + s 一 1 0 h n r e f i n 兀z 月1 0 叩1 + 1 0 y o 。一2 0 r e f o u t 。 b i po f f m x 2 3 2 3 3 2 软件设州2 4 】 图3 12 数据采集接口电路图 图3 1 3 采集软件界面 3 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为了实现单片机和p c 机之间的数据传送，利用v b 6 0 的串行通信控件 m s c o r n m 编写了液滴指纹图采集显示软件。可以显示出采集到的电压值和利 用这些电压值所画出的曲线，即为液滴指纹图。界面如图3 1 3 ，界面下侧曲 线就是水的液滴指纹图。采集速率设置为4 8 0 0 k b p s 。 3 4 本章小结 本章介绍了光纤液滴传感器的整体设计，重点讲述了液滴传感头的结构 设计、液滴体积测量的原理和供液系统设计，并对采集电路、触发电路、步 进电机控制电路、电容信号处理电路做了阐述，开发了液滴指纹图显示界面 软件，基本完成了光纤液滴传感器实验平台的制作。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第4 章光纤液滴指纹图与实验结果分析 4 。1 光纤液滴指纹图分析 4 1 ，1 光纤液滴指纹图【1 2 】【2 5 】 图4 1 为水的光纤液滴指纹图，在液滴的一个周期内液滴指纹图包含独 立的扰动、彩虹峰、张力峰、肩峰几个部分。液体指纹图中包含了大量液体 的信息，通过对液滴指纹图的分析就可得到液体的某种物理或化学性质。 图4 1 典型的液滴指纹图 4 1 2 光纡液滴指纹图与液体特性关系口6 】 ( 1 ) 液体鉴别：对于不同的液体，由于其表面张力和密度的差别导致其 在液滴头形成液滴的形状不同，图4 2 是水和二锅头形成饱满液滴时的形状， 加上液体折射率不同