（测试计量技术及仪器专业论文）多波长液滴分析仪的研究.pdf

中文摘要 多波长液滴分析仪是利用液滴分析技术对液体进行综合分析的新型分析仪 器，该仪器在确定的测试系统条件下，在被测液体形成液滴的过程中，对被测液 滴实施监测，可获得有关该被测液体的物理、化学特性参数，对液体进行定性和 量化以刖。与其它的分析仪器比较，多波长液滴分析仪的特点是：可以直接或间 接同时测出液体的多种物理、化学特性的综合影响参数，进而可以对被测液体进 行鉴别、检验的分析作业。由于测量过程不存在任何化学反应，多波长液滴分析 仪是一种理想的“绿色仪器”；多波长液滴分析仪不仅综合功能强，而且容易用 于在线测量，可应用在环境保护、制药工艺、食品饮料等所有涉及液体检测的领 域。 本课题由“中国新加坡联合研究计划”项目( p r o j e c tn u m b e r ：0 0 3 1 0 i 0 4 ) 资助，旨在将液滴分析实验装置仪器化，并对典型样品进行实验分析。课题的主 要内容是在光纤、电容液滴分析仪( f c d a ：f i b e rc a p a c i t i v ed r o pa n a l y z e r ) 的基 础上完成“多波长液滴分析仪( m w d a ：m u l t i w a v e l e n g t hd r o pa n a l y s i s ) ”的设 计解决技术组合时遇到的传感器结构、信号采集与处理等方面的问题。f c d a 已经在前面的研究中得以实现，在此基础上，我们改进了液滴分析仪的传感器结 构和测量信息处理电路，实现了获得多波长液滴指纹图的目标，所碍的液滴指纹 斟包含了更多的液体的特性参数，使得鉴别液体变得更容易。同时也为三路光源 或三路以上光源的输入奠定了基础。将使液滴指纹图包含更多被测液体的特性信 息，对未知液体进行更为准确的鉴别。 本论文主要完成了以下工作： ( 1 ) 对已有液滴传感器的滴头结构做了改进设计，方便了测量不同液体实验中 所需要的清洗过程；解决了被测液体中混入气泡的问题； ( 2 ) 对光纤电路进行了改进设计，将单光路改为多光路，可测得包含被测液体 更多信息的液滴指纹图，拓宽了分析仪的使用范围： ( 3 ) 对一些样品进行了测试实验，并对实验结果曲线“液滴指纹图”进行 了定性的t b 较分析。 关键词：液滴分析技术多波长液滴分析仪液滴指纹图液滴传感器 a b s t r a c t t h em u l t i - w a v e l e n g t hd r o pa n a l y z e r ( m w d a ) i san e wa n a l y t i c a li n s t r u m e n t w h i c hc a na n a l y z et h el i q u i ds y n t h e t i c a l l y t h ea n a l y z e rc a l lm e a s u r ea n dd i s c r i m i n a t e l i q u i d sq u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l yb yt h ea f f e c t i o n so f t h e i rp h y s i c a la n dc h e m i c a l p a r a m e t e r s t h em e a s u r e m e n ti so p e r a t e db ym o n i t o r i n gt h ed r o pf o r m a t i o np m c e s s u n d e rac e r t a i nm e a s u r i n gc o n d i t i o n c o m p a r i n gw i t ho t h e rl i q u i da n a l y s i s i n s t r u m e n t s ，m w d ag e t sm o r ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc o m p r e h e n s i v ep a r a m e t e r s d i r e c t l yo ri n d i r e c t l ys i m u l t a n e o u s l y 。m w d ai st h ei d e a l g r e e ni n s t r u m e n t b e c a u s e t h c l ci s n ta n yc h e m i c a lr e a c t i o ni nt h et e s t i n gp r o c e s s ；m w d an o to n l yh a st h e s t r o n gs y n t h e s i st e s t i n gf u n c t i o n ，b u ti ti se a s yf o ro n l i n em e a s b r e m e n ta n dw i l lb e v e r yu s e f u li nt h el i q u i d sm e a s u f i n g f i e l d so fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，m e d i c i n e ， d r i l l l 【a n ds oo n t h ep r o j e c ti ss u p p o r t e db yt h en s t b m o s tj o i n tr e s e a r c hp r o g r a m ( p r o j e c t n u m b e r ：0 0 3 1 0 i 0 4 ，w h e r en s t br e f e r st ot h en a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b u r e a uo fs i n g a p o r ea n dm o s tr e f e r st ot h em i n i s t r yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo f c h i n a ) t h i sp r o j e e ta i m st od e s i g nam u l t i - w a v e l e n g t hd r o pa n a l y z e r ( m w d a ) b a s e d o i lt h ef i b e r - c a p a c i t i v ed r o pa n a l y z e r ( f c d a ) t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st oa d v a n c e t h es e n s o rc o n f i g u r a t i o n ，s i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g t h es e n s o rc o n f i g m a t i o n a n dp r o c e s s i n gc i r c u i ta r er e d e s i g n e d t h em u l t i w a v e l e n g t hv o l u m e b a s e df i b e rd r o p t r a c e ( v f d t ) c a nb es h o w no nt h es c r e e no ft h em w d a ，w h i c hi n c l u d i n gm o r e c h a r a c t e r so ft h et e s t e dl i q u i da n dm a k i n gi te a s i e rw h e nd i s t i n g u i s hal i q u i df r o m o t h e r s o nt h eo t h e rh a n d , i ti sab a s eo ft h em w d a w i t ht h r e eo rm o r e 呻 o p t i c a l s o u r c e ，w h i c h i sa b l et oi m p r o v et h ed i s c r i m i n a t i n gf u n c t i o n f o rm o r e c h a r a c t e r i s t i c so f t h el i q u i da r ei n c l u d e di n t h em a i nw o r ki n c l u d e s 1 i m p r o v e t h ed r o ps e n s o l c o n s t r u c t i o n ，i tc o n v e n i e n c e st h ec l e a n i n g p r o c e s s i n gw h e nt h ed i f f e r e n tl i q u i d sa r et e s t e dc o n t i n u o u s l y , t h ea i rb u b b l e s i nt e s t e dl i q u i da r er e m o v e db yt h en e wc o n s t r u c t i o n ，t o o ； 2 m o d i f yt h ef i b e rs i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，t h es i n g l es i g n a lo p t i c a lp a t hi s r e p l a c e dw i t ham u l t i - o p i c a lp a t h s ot h a tt h em o r ei n f o r m a t i o nc a l lb e c o l l e c t e da n dt h es e r v i c e a b l er a n g eo f v f d ti sw i d e n e d ； 3 d oe x p e r i m e n t sw i t hs o m es a m p l e s ，t h ev f d tr e s u l t so ft h et e s t e dl i q u i d s a l ea n a l y z e dq u a l i t a t i v e l ya n dc o m p a r a t i v e l y k e yw o r d s ：d r o pa n a l y z i n gt e c h n o l o g y , m u l t i - w a v e l e n g t hd r o pa n a l y z e r , v o l u m e b a s e df i b e rd r o pt r a c e ，d r o ps e n s o r 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，也不包含为获得墨鲞盘堂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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彦闭吖签字闩期：帅乒年，月罗同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘堂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) 学位论文作者签名奔刚 签字同期：砌妒年，月7 同 翩躲礞和彖 签字同期：- 卵年月，口同 天津大学硕士学位论文第一章绪论 i i 液滴分析技术概述 第一章绪论 社会进步和科学技术的不断发展，同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从号召逐步变成民众的自觉意愿和实际行动。从联 合国到各国政府部门，也已经把环境保护和可持续发展从战略重视逐步转移到具 体的战役部署阶段【l j 。 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，d , n 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 m 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。 上述社会现象的背后，科学技术起着十分重要的基础作用。保护环境首先要 了解环境，解决环境污染问题首先要能够检测环境状况，然后才能有的放矢地采 取措施。正因为如此，新的仪器分析方法或原有方法的新应用、新突破j 下在与r 俱增。液滴分析技术的研究和应用正是基于上述背景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、化学特性参数的技术。 液滴分析技术的意义主要在于以下几点【2 1 ： 首先，它可以直接或蚓按同时测出液体的多种物理、化学特性参数：如：表 面张力、折射率、黏度、吸光度、浑浊度、颜色、浓度、蒸发率、液体的化学成 分和有关的液体电特性参数。液滴分析方法无需任何化学试剂，不发生化学反应， 因此没有二次污染问题，是一条设计“绿色仪器”的理想技术路线。 其次，运用液滴分析技术得到的液滴指纹图还可以作为鉴别两种液体细微差 别的依据；而且，随着测量电路的改进，所得的液滴指纹图包含了更多的液体的 特性参数信息，使得鉴别液体变得更容易。 再次，液滴分析技术不仅综合功能强，而且容易实现在线测量，可以用在环 境保护、制药工艺，食品饮料等所有涉及液体检测的领域。特别值得注意的是液 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 滴指纹图的细微综合鉴别功能，既可以用来监控液体生产的工艺环节，也可以用 来鉴别液体的真伪( 如：假酒、假药和假饮料等) 。这些工作如用传统的分析方 法，需要分别使用多种仪器，各种数据相关性不好，判断难度也大。可以肯定的 是液滴指纹图配合别的分析方法，如：光谱分析、电分析方法等会得到更完全的 数据库，将来会使监测和鉴别液体变得更快捷、方便。 上述优点使得液滴分析技术在海洋污染监测、水资源保护、制药工艺、食品 饮料及工业用液等所有涉及液体检测的领域中显现出十分广阔的应用前景。 1 2 液滴分析技术的发展概况 早在一个世纪以前， f 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【3 】i ”。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p 】： ，：v,dgf(1-1) ， 式申：，为边界张力，圪为平衡状态下的液滴体积，d 为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，g 为测量当地的重力加速度， r 为毛细管外圈半径，是经验修正系数。 1 9 6 7 年l a n d o 和o a k l 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1 6 l ： f = 0 1 4 7 8 2 + 0 2 7 8 9 6 x 一0 1 6 6 x 2 勰雕无量纲数h 5 寿 ( 1 2 ) ( 1 3 ) p a d d y 和m a t i j e v i e 对上述液滴体积( 重量) 分析方法作了全面的评论【7 】， r o w e 、w i l k i _ r l s o n 等人相继对修正系数也作了进一步的研究1 8 11 9 。 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 r d r o p a n a l y z e r ) 【l ，其原理是通过两根插入液滴的光纤分别将光导 入液滴并获取经过液滴反射、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 rd r o pt r a c e ) 。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 m c m i l l a n 博士将光纤技术用于液滴分析是液滴分析技术的一个里程碑。由 于光纤的特殊传光本领，使得光纤液滴传感器可以在液滴内部探测液体的特性参 数，从而增加了揭示液体内在特性的手段。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1 1 2 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 ) i l 引，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，其前提是被测 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反映的是光信号睫时自j 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，以达到准平衡状念，在此状态下所测量的 结果才能比较充分地反映被测液体的物理、化学性质。而液滴生长速度实际上是 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。如果液滴生长速度彳i 能精确控制在要求范围 内，那么就无法保证铡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 “基于体积的液滴指纹图”( v f d t ：v o l u m e b a s e df i b e rd r o pt r a c e ) ，它表示 的是悲野接收端的光强信号随液滴瞬时体积变化的曲线川。该表达方式解决了以 尉闻为基准的液漓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，从而能够更全面地分析、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。利用c c d 图像技术可以通过摄像的方法商接记录液滴生长过程中的轮廓变 化情况，通过图像处理系统实时采集、存储图像并进行边缘提取，最后根据液滴 的轮廓边缘计算出液滴的体积。图像液滴分机技术的一个重要优点是不需要知道 被测液体的介电常数，因而可用于测量未知液体；同时它能够监测液滴的生长过 程，从中获得的关于液滴轮廓几何形状的信息可以用来刺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。 天泮人学硕士学位论文第一章绪论 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”，这将使液滴分折技术 的鉴别能力也提高一个台阶。 1 3 现代技术在液滴分析技术中的应用j 气液界面的表面物理化学现象，奠定了液滴分析技术的理论基础。换句话说， 在一定条件下( 压力，温度等) ，液滴的形状、体积以及生成过程，都是由液体 本身所特有的性质决定的。测量液滴体积和监测液体的液滴形成过程，可以获得 该液体的某些物理、化学参数。因此，如何观察、测量液滴的外在现象。并通过 其进一步揭示被测液体内在的物理、化学特性，就成为液滴分析技术的主要研究 内容。随着科学技术的不断发展，越来越多的新技术、新方法已经应用到这一研 究领域。 1 3 1 光纤技术在液滴分析中的应用【l 5 】 m c m i l l e n 博士将光纤技术用于液滴分析是液滴分析技术，从而增加了揭示 液体内在特性的手段。 图1 - 1 至图1 - 3 是几种用于液滴分析的光纤液滴传感器。图卜1 ( a ) 所示的 光纤液滴分析传感器是由液滴滴头、输入、输出光纤和供液毛细管组成的。其特 点是圆柱形滴头，垂直插入的两根光纤与毛细管平行等。图卜l ( b ) 与图卜l ( a ) 基本相同，只是滴头底端面呈内凹型，其目的是为了增加液滴的自湿润性能。图 1 - 2 所示的光纤液滴传感器，其输入、输出光纤是斜向插入滴头的。图卜3 为圆 锥形漓头，输入、输出光纤斜向插入，被测液体从供液毛细管横向直接从锥面流 出，形成液滴。 | ，一 ( a ) 。 ( b ) 图i 1 圆柱形光纤直插式液滴传感器 |；输w盯；，“ $ t 。 辩 蟒嘲豳墨 裙倒叶，i、；、雅二l量商髓、=二-量溺 供_7，-i、 纤 、 从 滴 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 输入光纤 l 输出光纤 j 断湫 液滴 图i - 2 圆柱形光纤斜插式液滴传感器 供液毛细首 供液毛细管 输瓣二 图卜3 圆锥形光纤斜插式液滴传感器 光纤液滴分析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。光线经过液滴的散射、折射等作用，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。 1 3 2 电子技术在液滴分析中的应用 利用液体的电学特性。对液滴形成过程的电学量进行监测，可以从另一个方 面，获得被测液体的有关特性。图1 - 4 所示为本课题组王春海博士设计的电容液 滴分析传感器的工作原理图。 图1 4 电容液滴传感器 环形金属板与滴头形成一个特殊电容器，当被测液体在滴头形成液滴时，相 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 当于改变了该电容器两极间的介质，从而使电容值发生变化，采集电容变化的信 息，就可以分析出与被测液体有关的物理、化学特性。 1 3 3 红外光谱在液滴分析中的应用i 】 红外光谱在化学领域中的应用大体可分为两类，即；用于分子结构的基础研 究和用于化学组成的分析。本文提出将红外光谱在化学组成分析方面的技术移植 到液滴分析技术中来，开拓了液滴分析技术的功能范围。随着计算机技术和算法 的不断渗透，结合机电一体化技术的应用，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，这是目前最具前景的液滴分析方法之。 1 3 4 计算机在液滴分析中的应用 计算机技术的飞速发展，有力的促进了液滴分析技术的发展。目前计算机技 术已经成为液滴分析中最重要的技术基础之一。从硬件上讲，计算机已经成为液 滴分析仪器系统的重要组成部分：计算机技术中集成芯片和相关接插组件已经直 接或间接地应用在液滴分析技术中，如图象卡、a d 卡和i o 卡等等。作为系统 的控制中枢，计算机可以控制液滴形成系统，数据采集设备，保证系统各个部分 快速、实时地工作。以精密供液泵为例，由于采用了计算机控制技术，不仅可以 提供稳定、精确可调的微小流量，而且可以在任意指定时刻停止供液以获得液滴 的完全平衡状态。这就为定量分析液滴在各个生长阶段的特性提供了技术保证。 从软件上讲，计算机可以通过相应程序，对采集到的数据自动进行归类、分析、 建立神经网络学习功能等：通过这些分析、处理过的数据，和已知液体进行对比 标定后。即可达到测量液体性质的目的。 1 4 本课题的研究内容 液滴分析技术在国内尚属刚刚起步，但它在液体检测的很多领域都具有广阔 的应用前景。本课题由“中国新加坡联合研究计划”项且( p r o j e c tn u m b e r ： 0 0 3 1 0 i 0 4 ) 资助，旨在研究实用仪器设计有关的技术合成方案，主要是在光纤、 电容液滴分析仪( f c d a ：f i b e rc a p a c i t i v ed r o pa n a l y z e r ) 的基础上设计出“多波 长液滴分析仪( m w d a ：m u l t i w a v e l e n g t hd r o pa n a l y s i s ) ”，解决技术组合时遇 到的传感器结构、信号采集与处理等方面的问题。f c d a 已经在i j f 面的研究中得 以实现，为了进一步提高液滴分析仪的鉴别能力，拓宽液滴技术的应用领域，我 们改进了液滴分析仪的传感器结构和测量处理电路，采用两路光源输入得到多波 长液滴指纹图，使液滴指纹图包含被测液体更多的特性，以便更好的对不知名液 天津大学硕士学位论文第一章绪论 体的进行鉴别。 图卜5 为光纤、电容多波长液滴分析仪的总体设计原理框图。 图卜5 光纤、电容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i o 板驱动步进电机，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、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，再经过光电转换器变成电压模拟量， 傲相应的放大滤波处理后经a d 转换进入计算机。 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 v 转换电路等，最后山a d 转换进入计算机。 综上，本课题的具体内容包括： ( 1 ) 光纤、i = 乜容液滴传感器的改进设计； ( 2 ) 信号处理电路的改进设计( 包括光纤信号和电容信号) ： ( 3 ) 分析仪中的实际电路采取的防干扰措施及制作。 ( 4 )对部分样品进行实验分析。 火沣人0 i 硕十学能论文 第_ 二章光纤、电容液滴传感器的改进设计 第二章光纤、电容液滴传感器的改进设计 传感器是测试系统的信息敏感和检测部件，它是能感受靓定的被测量并按照 一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，主要负责信号的获取工作以及将 被测信号转换成适于测量的电信号。 由于多波长液滴分析仪是在光纤、电容液滴分析仪的基础上改进的而后者 实质上就是光纤液滴分析技术和电容液滴分析技术的组合，本章将先介绍光纤液 滴传感器和电容液滴传感器的工作原理，然后详述传感器结构的改进设计。 2 1 光纤液滴传感器 2 1 1 光纤液滴传感器的工作原理 光纤是光导纤维的简称i i “，它是工作在光波波段的一种介质波导，通常是 圆柱形。它把以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束在其界面内， 并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤最早在光学行业中用于传光及传像。 随着低损光纤的出现，光纤在通信技术中用于长距离传递信息。但是光纤不仅可 以作为光波的传播煤质，丽且光波在光纤中传播时表征光波的特征参量( 振幅、 相位、偏振态、波长等) 因外界因素( 如温度、压力、磁场、电场、位移等) 的 作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤作用传感元件来探测各种物理量。 光纤传感器可分为传感型和传光型两大类“。利用外界因素改变光纤中光 的各种特性参量，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。传光型光纤传感器是指利用其他敏感元件测得的物理量，由光纤进行数 据传输，光纤液滴传感器即属于此类。与传统的传感器相比，光纤传感器有它自 身的优点： ( 1 )抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全。 ( 2 ) 测量灵敏度高，对象广泛。 ( 3 )重量轻，体积小，外形可变。 ( 4 )对被测介质影响小，这对于医药生物领域的应用极为有利。 ( 5 )便于复用，便于成网，成本低。 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 天津大学硕士学位论文 第二章光纤、电容液滴传感器的改进设计 线在液滴内部经完全内反射( t i r ：t o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o n ) 、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。 传统的光纤液滴传感器主要由液滴滴头、输入光纤、输出光纤和供液毛细管 组成，它的结构形式如图2 一l 所示儿1 。图2 一l 是圆柱形滴头，( a ) 中垂直插入 的两裉光纤与毛细管平行；( b ) 中输入、输出光纤是斜向插入圆柱形滴头的。图 2 2 为圆锥形滴头，输入、输出光纤斜向插入，被测液体从供液毛细管横向直接 从锥面流出，形成液滴。 ( a ) 光纤直插式 ( b ) 光纤斜插式 图2 1 圆柱形光纤液滴传感器 供蔽毛细管 图2 - 2 圆锥形光纤液滴传感器 现在所采用的滴头的结果如图2 - 3 所示，它是由滴头芯柱和滴头环构成的。滴头 芯柱的柱体内开有三个对称的通孔，其中的两个插入输入光纤，另外一个插入输 出光纤；柱体的圆周上开对称的三个滴头通道组合面，流入的液体顺着滴头组合 面流到滴头端部和滴头环一起形成液滴。 天津人学硕士学位论文 第二章光纤、电容液滴传感器的改进设计 辅八光扦 输出光纤 图2 - 3 分离式光纤液滴传感器 2 1 2 光纤液滴传感器的信号分析】【1 0 1 眇蚴炒炒蚴 23 秽u 秽 t 8 图2 4 液滴不同生长时刻输入、输出光纤的传光情况 1 0 时间序列 图2 5 一个液滴周期内液滴不同生长时刻的光纤信号 咿芈虹芸 天津大学硕士学佛论文第二章光纤、电容液滴传感器的l 曳进设计 图2 - 4 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 k 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 - 5 所示的光信号 曲线，液漓生长时刻与图2 - 4 中相对应。 从图2 - 4 可以看出，在时刻l 、2 情况下，输入光纤的光经液滴内表面反射 后几乎不能进入输出光纤接收端，所以图2 - 5 上l 、2 时刻的信号值也几乎等于 零。在图2 - 4 中3 、8 时刻之间，由液滴轮廓和大小的变化引起光反射角和光程 的变化，使得进入接收光纤端面的光强信号在图2 5 中出现一个由波峰到波谷的 曲线；其中3 、4 时刻由于液滴轮廓形状形成了有利的反射角和较短光程，所以 这时的信号值达到最大。在时刻9 液滴即将分离。反射光路突然变化，光程变 短，传光时间也变短。所以在图2 5 中出现了一个尖峰值。显然，由于输入、输 出光纤的数值孔径和位置固定不变接收光纤收到的信号是随不同时刻液滴生长 情况的变化而变化的。实验证明，在一定的测试系统条件下，经过液体液滴的光 信号，随液滴生长而变化的记录瞌线是唯一的。因此，称这样的曲线图为液体的 “液滴指纹图”。 根据液体的液滴指纹图，可以对液体进行定性和量化识别。进一步分析， 还可以标定出被测液体的某些物理、化学参数，如表面张力，粘度、浓度等。 当然，这个基于时间的液滴指纹图还有很多不足，第一是不能直接测出液 滴的体积；第二由于它反映的是光信号随时间变化的规律，因此易受供液速度、 液体挥发等因素的影响。利用电容液滴分析技术或图像液滴分析技术我们将能够 得到被测液滴的体积信息，并可以结合光强信息得到“基于体积的液滴指纹图”， 具体分析请见第五章。 2 2 电容液滴传感器【1 0 】 1 3 1 液滴特征的大量信息可以在监测液滴形成的过程中获得。光纤液滴分析技术 不能直接测出液漓的体积，它是从光学角度出发，探求被测液体的特性参数：因 而，实际上和测量体积原理没有直接联系。电容液滴分析技术是从电学角度出发， 寻找液滴体积与液滴电容传感器信号的相互关系，将液滴生长过程中的形状变化 信息转变为电容传感器的电容量变化，进而达到监测液滴形成过程和测量液滴体 积的目的。 天津大学硕士学位论文 第二章光纤、电容液滴传感器的改进设计 2 2 1 电容液滴传感器的结构 电容传感器已经广泛地用于尺寸测量，这种方法的优点是精度高并且可以进 行非接触测量。一般情况下，用于测量的电容传感器有两种形式，一种是平板电 容，一种是圆柱形电容。 图2 - 6 是平板电容传感器用于液滴分析的情况。液滴位于两平行平面极板之 间，液滴的生长变化相当于极板之间介质的复合介电常数在变化，从而引起电容 量的变化。但实际上由于液滴的特殊形状，只有极板中心的部分靠近液滴，所以 液滴生长的全部变化过程只能引起大约i 5 的电容量变化。作为传感器这样的 信号显然是太微弱了。为了提高电容量随液滴生长变化的百分率，可以缩小板极 的面积，但这样做也同时会使总的电容量减少；要保持容抗不变，就必须使传感 器在非常高的频率下工作，这一措施又受到电子元件的频率响应速度的限制。所 以，平板电容作为液滴分析传感器并不理想。 嫡出光扦 平行平面电奢极板 图2 - 6 平板电容液滴传感器 图2 7 ( b 是受圆柱形电容器启发而设计的一种电容液滴传感器，也就是我 们现在正在使用的电容液滴传感器。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这与圆柱形传感器还是有区别的，见图2 7 ( a ) ，( b ) 。 环形极援与滴头( 包括滚渣) 在水平截面上豹间距相等。液滴的生长变化既 可以看作是拄状滴头龟极长度的变化，也可以认为是电容器极间复合介质的变 化，这将取决于拔测液体是否为电的良导体。这种形式的电容传感器避免了上述 平板电容传感器的缺点。 天津大学硕士学位论文第二章光纤、电容渡涛传感器的改进设计 乡 c 山即墨篓，l 滴头和被测液滴形成的复台极扳 。r 州账c r 环赫袄 ( 对固柱形电容曩( b ) 电容液滴恃感器 图2 - 7 圆柱形电容器与电容液滴传感器的比较 2 2 2 电容液滴传感器的数学模型 由于电容液滴传感器受到尺寸和边缘效应的影响，准确数学模型的建立是十 分复杂的。为简化起见，将电容液滴传感器作如下假设：( 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，且液滴底部曲面形状不变： ( 3 ) 忽略边界效应。 简化后的模型如图2 7 ( b ) 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： 假设游头( 包括液滴) 和环形极板分别带有电量+ q , - q ，电荷是均匀分布的t 每单位长度上的电量为五( c m 。) ，有g = 射，为极扳长度( n 1 ) 。在液滴和环 形电极之间、离开凰柱轴线距离为r ( 1 1 1 ) 点处的场强( n c 。) 为： = - ( 2 - 1 ) 强s o e 口r 式中6 0 是真空介电常数，岛= 8 8 5 x 1 0 。2 ( c 2 n t t x 。) ；岛为空气的相对介电 常数，无量纲。 根据场强和电位梯度的关系：e = - 掣 ( 2 2 ) d ， ， 得：d u = 一e d r = 一- d r 。 ( 2 3 ) 强庐， 设液滴表面和环形电极内表面的电位分别为：( ，。和u 。，由积分得： ”f d u = - l 他 ( 2 - 4 ) t 7 jh 4 ：o 天津大学硕士学位论文第二章光纤、电容液滴传感器的改进设计 以一= 去h 詈 浯s ， c = 矗= 矗= 警 防e ， 乩一乩一 l l l 墨 根据上述结果，在液滴生长过程中，电容液滴传感器的电容变化可近似表达 为： c = 等 ( 2 _ 7 ) 式中岛为真空介电常数，巳为环形电极与液滴之间的空气的相对介电常数， h 为液滴底部至残留液滴底部的高度( h 随液滴生长过程而变化) ，r 为环形电 极的内圆半径，为液滴半径。 根据图2 - 7 ( b ) 简化模型，液漓的瞬时体积为v ：兀，z ，则可得电容增量a c 与液滴体积矿的关系为： c = _ 2 6 0 可g v ( 2 - 8 ) 令： ：r2 l n 墨 ( 2 9 ) 贝0 有： y = = 兰旦_ 一c ( 2 一1 0 ) z s o s 4 根据假设条件，r 、r 是常量，所以t 。亦为常数。但实际上由于液滴轮廓形 状并不存在r 为常数的情况，因而七n 也不会是常量。 图2 - 8k q - 与r 的关系图 图2 - 8 是r = s m m 时七o - - r 的关系曲线。在极大值点附近，曲线平滑，其 物理意义就是七。随，的变化最小。为求极大值，将：r z l n 旦对，求导： k o = 2 r i n - 素( 一爿妇h 生r 、h邑o、普一、i寸 天津大学硕士学位论文 第二章光纤、电容液滴传感器的改进设计 令：k ：0 ，则有：“：三，即r ：t r ：0 6 0 6 5 r 0in-(0 6 0 6 5 r 。 令：k = ，则有： = 妄，即r = 下= 。 rz q e 计算表明，当取r = 5 m m ，若r 取值范围在2 8 0 m m 1 7 3 v c ch l 接通 g n d ， 当h 。( 电容c l 两端的电压) 小- - e v c c 时。= 1 ( 。为引脚3 的输出电压) ，d 关 j 断“。续升高；当“。升到大于比c ，则“。= o d 接通于是电容c 。通过凡和放 j 1 电管放电，放到“。小于时，使= l ，d 又关断于是又对g 充电，周而复 j 11 始。所以虬在和胁之间变化，输出u o 为矩形波，波形图如图3 8 。 天津人学硕十学何论文 第三章多波长信号处理电路的殴计 图3 7 光源调制电路 0 l 图3 - 8 调制波形图 幽充放电回路可知，充电时间常数为吒= ( r 。+ r 2 + 如) c | 放电时问常数为 ；r 3 c 根据虬波形图，由r c 电路瞬态响应三要素公式求得： w ( r i 十胄2 + r 3 ) c 8i n 2 ( 3 - i ) t r ，c 8 i n 2( 3 - 2 ) 则： r = ，州+ ，咒舟( r l + r 2 + 2 r 3 ) g l n 2 ( 3 3 ) ；1 rm 面瓦1 丽4 4 3 ( 3 4 )。 r ( r l + r 2 + 2 r ，) c 8 、 l i j 龇扎 焘= 等箍 5 ) f ，w + f ，*r i + r 2 + 2 月3 图3 7 就是按照产生1 0 k h z 载波而设计参数的。输出频率由公式( 3 4 ) 决定， 通过改变电阻和电容的大小，可以改变输出频率的大小以及脉宽。调整电位器的 值可调节发光二极管的光电流。本电路发光二极管发的光经调制后为1 0 k h z 和 i o o k h z 的频率，作为液滴变化信号的载波频率。 虽然5 5 5 振荡器受电源电压影响很小，但为了工作更加稳定，在电路中加 天津大学硕士学位论文 第三章多波陡信号处理电路的殴计 入稳压器，然后由稳压器给电路中的各个芯片供电。外部提供1 5 v 电压，经稳压 器m c 7 8 1 2 t 调节后，变为非常稳定的1 2 v 电压。考虑到通断电时电压发生突变， 在稳压器上又加了电容，以减小干扰，保护后续器件。 5 5 5 的输出电压通过电阻r 。、电位器产生电流，加在发光二极管上，因此其 发出的光信号置于高频载波中。调节电位器可以调节二极管光电流。 本电路采用的两支二极管s f h 4 5 0 和s f h 7 5 0 ，光谱为9 5 0 5 5 a m 和 6 6 0 3 5 r i m 。环境光的频率包括灯光频率以及太阳光频率，灯光频率一般为5 0 h z ， 远离调制光i o k h z 的频率，而太阳光频率又远高于i o o k h z 的频率。外界干扰频 率和振荡器频率在频段上分开，这有利于消除外界干扰频率的影响。后续电路使 用滤波器可以抑制无用信号，提取有用信号，这样消除了环境频率的影响，得到 了只反映液滴体积变化的频率信号。 3 2 2 光电转换及前置放大电路 输入光纤将调制后的光信号导入液滴。光信号在液滴内部经过反射、散射、 吸收等作用，由输出光纤在确定位置接收耦合后的光信号，送入光电转换元件光 电二极管s f h 2 5 0 ，将光信号变为电流信号。转换后的电流信号比较微弱，一般 只有几个微安，需进一步转换成容易处理的电压信号，并进行适度的放大。这一 部分由放大器来完成。 本电路最初使用的放大器是o p a 2 1 1 l 芯片p “。o p a 2 1 1 l 是一个高精度运算 放大器，它具有低输入补偿电压、低输入补偿漂移和低输入电流偏移，以及低噪 声和高共模抑制等特性。另外，o p a 2 1 1 1 有- 4 - 1 5 v 的电压变动范围，有良好的线 性、高输入阻抗以及高开环增益，这些都使它在高增益测量应用中十分有用。 图3 - 9 所示为以0 p a 2 1 1 1 为核心的光电转换及前置放大电路。 ；