CN106501128B - 一种基于超声耦合倾斜光纤光栅的粘度计 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于超声耦合倾斜光纤光栅的粘度计，包括粘度计本体、光信号调制解调模块、超声波信号产生模块和处理与显示模块。在测量使用时，将倾斜光纤光栅粘度计本体放入待测液体中，利用倾斜光纤光栅与超声波产生的光栅耦合，获得窄线宽的反射光谱输出。利用粘度对超声波振动的阻尼作用，通过探测反射谱耦合的波长及强度变化，反算出材料的粘度。利用温度传感模块进行温度补偿消除材料温度变化对粘度测量的影响。利用一层低折射率薄膜隔绝倾斜光栅与外界的接触，避免材料折射率变化影响光谱响应，造成粘度测试的不准确性。

Description

一种基于超声耦合倾斜光纤光栅的粘度计
技术领域
本发明涉及粘度测量设备技术领域，具体而言，涉及一种基于超声耦合倾斜光纤光栅的粘度计。
背景技术
粘度是流体粘滞性的一种量度，是流体流动力对其内部摩擦现象的一种表示。在生产或实验中，经常需要测量液体的粘度，以便实现对液体的鉴别。例如，在石油及其附属品生产中，粘度对各种润滑油的质量鉴别、确定用途及确定各种燃料用油的燃烧性能及用度等放方面具有决定意义。现有技术测量粘度一般采用毛细管式、落球式、锥板式、转筒式等。现有技术中粘度测量时间长、效率低，不能快速准确的测量液体的粘度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于超声耦合倾斜光纤光栅的粘度计，能够快速准确的测量得到液体的粘度。
本发明提供的技术方案如下：
一种基于超声耦合倾斜光纤光栅的粘度计，包括：
粘度计本体；
与所述粘度计本体连接，用于向所述粘度计本体输出光信号并接收所述粘度计本体反馈的光信号的光信号调制解调模块；
与所述粘度计本体连接，用于向所述粘度计本体输出超声波信号的超声波信号产生模块；
与所述光信号调制解调模块和所述超声波信号产生模块相连接，用于控制二者并显示液体粘度的控制与显示模块，其中：
所述粘度计本体包括光纤连接器、压电元件、光纤，石英角、玻璃管、倾斜光纤光栅和斜角；所述压电元件套设在所述光纤连接器上，所述石英角的一端与所述压电元件连接，所述玻璃管套设在所述石英角上，所述倾斜光纤光栅的一端与所述玻璃管相连接，所述光纤穿过所述光纤连接器和石英角，所述倾斜光纤光栅表面镀有低折射率薄膜，所述倾斜光纤光栅端面切斜角防止反射。
优选地，所述压电元件为锆钛酸铅压电陶瓷。
优选地，还包括：
设置在所述粘度计本体上，与所述控制与显示模块相连接的，用于检测待测液体温度进行温度补偿的温度传感模块。利用温度传感模块进行温度补偿可以消除材料温度变化对粘度测量的影响。
优选地，所述光信号调制解调模块采用LED作为所述光纤的光源。
优选地，所述超声波信号产生模块和所述光信号调制解调模块集成为声光调制模块。
在本申请实施例中，将倾粘度计本体放入待测液体中，利用倾斜光纤光栅与超声波产生的光栅耦合，获得反射谱中窄线宽的光谱输出。利用粘度对超声波振动的阻尼作用，通过探测反射谱耦合的波长及强度变化，反算出材料的粘度。利用一层低折射率薄膜隔绝倾斜光栅与外界的接触，避免材料折射率变化影响光谱响应，造成粘度测试的不准确性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于超声耦合倾斜光纤光栅的粘度计的结构示意图。
图标：10-基于超声耦合倾斜光纤光栅的粘度计；100-粘度计本体；200-光信号调制解调模块；300-超声波信号产生模块；400-控制与显示模块；500-温度传感模块；101-光纤连接器；102-压电元件；103-光纤；104-石英角；105-玻璃管；106-倾斜光纤光栅；107-斜角。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
图1为本发明的一种基于超声耦合倾斜光纤光栅的粘度计的结构示意图，如图所示，本申请实施例提供了一种基于超声耦合倾斜光纤光栅的粘度计10，包括：粘度计本体100、光信号调制解调模块200、超声波信号产生模块300和控制与显示模块400。
所述粘度计本体100包括光纤连接器101、压电元件102、光纤103，石英角104、玻璃管105，倾斜光纤光栅106和斜角107；所述压电元件102套设在所述光纤连接器101上，所述石英角104的一端与所述压电元件102连接，所述玻璃管105套设在所述石英角104上，所述倾斜光纤光栅106的一端与所述玻璃管105相连接，所述光纤103穿过所述光纤连接器101、石英角104与斜角107连接，所述倾斜光纤光栅106表面镀有低折射率薄膜，所述倾斜光纤光栅106端面镀有斜角107。
超声波信号产生模块300用于向所述粘度计本体100输出超声波信号。光信号调制解调模块200与所述粘度计本体100连接，用于向所述粘度计本体100输出光信号并接收所述粘度计本体100反馈的光信号并计算出液体的粘度。计算出的结果送入控制与显示模块400中进行显示，同时控制与显示模块400控制光信号调制解调模块200和超声波信号产生模块300的信号产生。
通过超声波信号产生模块300激发一个声波，声波通过光纤103在倾斜光纤光栅106中传输时，倾斜光纤光栅106的相位匹配条件会发生改变。当声波被调谐到满足后向纤芯模式和后向包层模式之间的相位匹配，耦合发生将会诱导出新的在布拉格波长左侧的通道。诱导通道的波长的大小受声波的频率影响。
当在溶质加入原液，溶液的密度，折射率与粘度变大，声光调制的影响会受到抑制，主要是随粘度增加而增大的声波阻尼的作用。部分是由折射率与相位失谐引起的。折射率越高，光信号越容易散射，折射率越低，光信号穿透穿过薄膜越不容易散射。本申请实施例中在倾斜光纤光栅106表面镀一层低折射率薄膜隔离周围介质折射率变化对倾斜光纤光栅106透射光谱的影响。使得测量结果更准确。
在实际测量粘度时，通过有阻尼的频率响应可以得到与粘度相关的弛豫时间(非平衡状态过渡到平衡状态的特征时间)，粘性越大，弛豫时间越长。分析弛豫时间与粘度，可以得出粘度与弛豫时间的关系。
下面对倾斜光纤光栅106的相位匹配原理做简要描述。
在倾斜光纤光栅106的纤芯和包层模式之间的耦合可以由相位匹配条件描述，其中的声波矢量等于后向纤芯模式和后向包层模式波矢量之间的差异。因此，当频率声波被调谐到满足两种模式之间的相位匹配，耦合发生会诱导出新的在布拉格波长左侧的通道。
对于倾斜光纤光栅106的中心波长λB，前向纤芯传播常数与后向纤芯传播常数耦合，其相位匹配条件如下：
其中，λac<λB，Kgcosθ，nco(λB)是在中心波长的纤芯的有效折射率，ΛB是光栅周期。
当λac<λB，光栅波矢量Kgcosθ不足以激发前向纤芯传输常数于后向纤芯传输常数的耦合。它只可以激发前向纤芯模式传输常数与后向包层传输常数的耦合。
其中，
当声波在倾斜光纤光栅106中传输时，调节声波矢量Kac后向包层模式-βcl(λac)与后向纤芯模式-β01(λac)匹配。它们的相位匹配条件：
其中，R是FBG的半径，cext是伸展波长的速度，fac是声波的频率。由于FBG的倾角一般是在2-5度，联立上述方程，可得调谐波长的等式：
上式表明诱导的波长λac可以通过改变声波频率来调谐。
优选的，所述压电元件102为锆钛酸铅压电陶瓷。
优选的，所述光信号调制解调模块200可以采用LED作为所述光纤103的光源。
进一步的，还包括设置在所述粘度计本体100上，与所述控制与显示模块400相连接的，用于检测待测液体温度进行温度补偿的温度传感模块500。通过温度传感模块500可以获取待测液体的具体温度，并可以根据实际情况对粘度计进行温度补偿，避免因温度变化引起的测量结果的偏差。
在本申请实施例中，将倾粘度计本体100放入待测液体中，利用倾斜光纤光栅106与超声波产生的光栅耦合，获得反射谱中窄线宽的光谱输出。利用粘度对超声波振动的阻尼作用，通过探测反射谱耦合的波长及强度变化，反算出材料的粘度。利用一层低折射率薄膜隔绝倾斜光纤光栅106与外界的接触，避免材料折射率变化影响光谱响应，造成粘度测试的不准确性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于超声耦合倾斜光纤光栅的粘度计，包括粘度计本体，所述粘度计本体包括光纤连接器、压电元件、光纤、石英角、玻璃管、倾斜光纤光栅和斜角；所述压电元件套设在所述光纤连接器上，所述石英角的一端与所述压电元件连接，所述玻璃管套设在所述石英角上，所述倾斜光纤光栅的一端与所述玻璃管相连接，所述光纤穿过所述光纤连接器和石英角，所述倾斜光纤光栅表面镀有低折射率薄膜，所述倾斜光纤光栅端面切斜角防止反射，其特征在于，该基于超声耦合倾斜光纤光栅的粘度计还包括：
与所述粘度计本体连接，用于向所述粘度计本体输出光信号并接收所述粘度计本体反馈的光信号的光信号调制解调模块；
与所述粘度计本体连接，用于向所述粘度计本体输出超声波信号的超声波信号产生模块；
与所述光信号调制解调模块和所述超声波信号产生模块相连接，用于控制二者并显示液体粘度的控制与显示模块。
2.根据权利要求1所述的基于超声耦合倾斜光纤光栅的粘度计，其特征在于，所述压电元件为锆钛酸铅压电陶瓷。
3.根据权利要求1所述的基于超声耦合倾斜光纤光栅的粘度计，其特征在于，还包括：
设置在所述粘度计本体上，与所述控制与显示模块相连接的，用于检测待测液体温度进行温度补偿的温度传感模块。
4.根据权利要求1所述的基于超声耦合倾斜光纤光栅的粘度计，其特征在于，所述光信号调制解调模块采用LED作为所述光纤的光源。
5.根据权利要求1所述的基于超声耦合倾斜光纤光栅的粘度计，其特征在于，所述超声波信号产生模块和所述光信号调制解调模块集成为声光调制模块。
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