CN108760684B - 一种测量流体界面性质的传感器 - Google Patents

一种测量流体界面性质的传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测量流体界面性质的传感器，利用反射式光散射法原理，非接触地测量各种流体界面热物理性质。提供了三种适用于不同情况下的传感器，三种光学传感器构建方案在实施时对于探测光和参考光偏振状态和光强度的控制方法相同，但在几何构建方面有所差异，方案一和方案三偏向于小尺寸的传感器设计。方案二偏向于高温应用的传感器设计。本发明所设计三种方案可根据不同测试需求和条件选择，为流体界面热物理性质提供高速、准确和非接触性的测量。

Description

一种测量流体界面性质的传感器
技术领域
本发明涉及流体黏度和表面传感器，尤其涉及利用反射式光散射法测量流体界面性质的传感器，属于流体热物理性质测量和表面科学领域。
背景技术
流体的界面性质，如表/界面张力和黏度是流体重要的热物性性质，其中表/界面张力表征了流体分子由液相向气相迁移过程所需克服的功的大小，因此无论从宏观还是微观上讲，在流体界面上的流动、扩散、传热等物理现象均与界面性质相关。
常见的表/界面张力测量方法包括：毛细上升法、滴外形法、吊环/片法、Wilhelmy板法、滴重法、最大气泡法、表面波法和表面光散射法等。黏度测量方法较多，文献中常见的方法有：落体法、毛细管法、振动盘法、振动弦法、扭转晶体法和表面光散射法等。这些测量方法中表面光散射法同时可以测量出所有界面性质，且具有准确性高、绝对测量和非接触等优势，尤其对于界面体系此方法无浸润性要求，而其他的表/界面性质测量方法或多或少依赖于浸润性假设。
发明内容
本发明旨在提供一种测量流体界面性质的传感器，利用反射式光散射法进行测量，提供了反射式流体表面光学热物性传感器的实现方法，可以用来非接触地测量各种流体界面热物理性质，为实验室科学研究和工业上相关界面性质测试提供高精度及快速测量。
本发明原理：表面光散射法包含透射式和反射式两种，其中后者还可以测量非透明流体，也正是本发明的核心内容。
本发明提供了一种测量流体界面性质的传感器，利用反射式光散射法原理，非接触地测量各种流体界面热物理性质。
具体地说，上述传感器包括以下具体实施方案中的任一种：
方案一：所述的测量流体界面性质的传感器，包括两个零级1/2玻片、三个偏振分光棱镜、五个反射镜、一个零级1/4玻片、三个光挡、一个线性滤光片、一个合束镜、一个光阑；
探测光和参考光分别从两侧进入传感器中，通过零级1/2玻片和偏振分光棱镜调整两束光的偏振态和光强度，参考光经线性滤光片进一步衰减；反射镜安装在一个沿垂直于纸面方向转动的高精度转台上，转台安装在沿垂直于纸面方向移动的一维位移台上，使得反射镜可以转动又可以平动，以便灵活地在垂直与流体界面方向的小角度范围（0.3°-4°）之内设定入射角，角度的设置精度要求为0.005°。通过偏振分光棱镜（7）将水平偏振状态的入射光反射至流体液面，在偏振分光棱镜和流体液面之间放置零级1/4玻片，目的是将水平偏振激光调整为圆偏振，使圆偏振的散射光信号经液面反射之后改变偏振的方向，通过零级1/4玻片后将偏振状态调整为垂直偏振，进而在偏振分光棱镜处实现99%的透射；散射光在合束镜处与参考光叠加混频，参考光的偏振状态由零级1/2玻片和偏振分光棱镜组合调整，由线性滤光片进一步衰减；混频以后的信号光经由光阑进入探测器。
进一步地，参考光的衰减范围为0~10-4。
进一步地，反射镜的反射率为99%，且反射镜镜片表面光洁度应达到λ 0/10，λ 0为激光波长。该方案仅提供在垂直于流体界面附近较小角度范围内流体界面性质的探测选择，通过将激发的散射光信号与参考光在合束镜片上干涉混频，可以提取出流体表面波的弛豫特征，进而通过求解相应的色散方程获得流体界面性质。该方案包含探测光和参考光两部分，前者用来激发流体界面波动的散射光信号，后者的比例可以通过1/2玻片和偏振分光棱镜的组合实现，进而可以控制系统实现不同的探测方案，即同差探测和外差探测：同差的实现条件：控制参考光强度远远低于探测光；外差的实现条件：控制参考光强度远远高于探测光。
原理：利用偏振分光棱镜对水平偏振光（垂直于纸面）具有高反射率和垂直偏振光（平行于纸面）具有高透射率特点，将水平偏振的探测光入射至偏振分光棱镜，此时99%以上的光被反射，即可以充分利用探测光的能量；水平偏振的探测光进而经过1/4玻片并设定一定角度使探测光变为圆偏振光，进而入射至液体表/界面激发散射光，散射光亦为圆偏振光，但与探测光的偏振方向正好相反，因此当反射的散射光经过1/4玻片时，其偏振状态变为垂直偏振，此时99%以上的垂直偏振的散射光可以透过偏振分光棱镜，进而在合束镜片上与同为垂直偏振的参考光进行混频，叠加的信号进入信号处理系统进一步处理。这样设计的优点在于充分利用探测激光器的光强激发流体表面波的散射，同时散射光经过偏振态调整绝大多数进入了探测器，有效地提高了该传感器的信噪比。
方案二：
所述的测量流体界面性质的传感器，包括激光器、透镜、分光平片、两个零级1/2玻片、两个偏振分光棱镜、两个光挡、七个反射镜、合束镜线性滤光片、光阑；
激发器正对透镜，透镜下方设置分光平片；激光器发射的线偏振光经透镜聚焦，经分光平片后，偏振光被一分为二，其中透射的一束为探测光，反射的一束为参考光；探测光经由零级1/2玻片和偏振分光棱镜组合后偏振状态调整为水平偏振或p偏振，经由反射镜入射至流体液面；反射镜安装在一个高精度转台上，用于设置0°- 90°范围内的探测光入射角，高精度转台安装在一个一维水平位移台上，以便灵活地调整探测光的入射角度；
参考光经由零级1/2玻片和偏振分光棱镜组合将参考光的偏振状态调整为水平偏振，然后经由反射镜和线性滤光片于合束镜上叠加混频，混合信号经由光阑进入探测器。
进一步地，所述透镜的焦距为1m-2m。
该方案可以提供0-90°之内入射至流体界面处较小角度范围内流体界面性质的探测选择；由于入射至界面的探测光与水平方向存在一个夹角，因此在安排光路时的自由度更大一些，不需要采用第一种方案中线偏振和圆偏振之间的偏振状态的转变，仅仅通过确立入射光和参考光的偏振状态为水平偏振即可，简化了系统调节的难度。考虑到第一种方案在入射光角度设置方面的灵活性，对于高温流体界面性质测量时，如1000-2000℃的高温熔盐和金属混合物，考虑到对流和辐射的影响，样品池的上部不易于设计观察窗口，因此大角度反射式方案成为了必然的选择，此时第二种方案为这一类测试需求提供了可能。另外，由于探测光在不同入射角度激发的散射光强度不同，第二种方案亦可用于选择散射强度最佳的入射光角度，进而提高传感器的信噪比。
方案三：
所述的测量流体界面性质的传感器，包括反射镜、分光平片、两个光挡、线性滤光片、合束镜、光阑；
探测光经反射镜后，偏振状态调整为水平偏振，调整偏振状态时需要用到零级1/2玻片和偏振分光棱镜；反射镜被安装在高精度旋转台上，实现垂直于纸面方向旋转以改变探测光的入射角度，高精度旋转台安装在一维垂直位移台上，使旋转台和反射镜能在垂直于纸面方向的位置调整；
所述分光平片用于设定探测光的入射角，相对于流体液面45°放置，其反射和透射比为50：50，即有50%的探测光被反射至液体表面用来激发散射，同时有50%的散射光透射进入探测器；散射光于合束镜与参考光叠加混频，并通过光阑进入探测器。
进一步地，在混频前，参考光的偏振状态已调整为水平偏振，且其光强度通过线性滤光片控制以实现探测条件要求。
该方案中，探测光于90°方向，即垂直于液面方向入射，与第一种设计方案类似，但不同之处在于：为了降低系统的复杂度，仅采用透射和反射比为50：50的光学平板，信噪比有所降低，但对于极低散射角度情况，由于散射光强度较高，信噪比仍然可以满足测试要求，但系统却大大简化了，便于开发更加紧凑的流体界面性质光学传感器。
上述三种方案中，通过零级1/2玻片和偏振分光棱镜调整两束光的偏振态的具体操作方式为：通过转动零级1/2玻片的角度，改变线偏振光的偏振角度，进而改变水平和垂直偏振的比例，以便在偏振分光棱镜将两种不同偏振状态的光分离，同时也达到调整二者光强度的目的。通过零级1/2玻片和偏振分光棱镜组合将探测光的偏振态调整为水平偏振或p偏振模式。
上述三种方案中，光阑小孔的直径为1mm-2mm，探测器入口的直径为2mm，光阑至探测器的距离为3m-3.5m。
三种光学传感器构建方案在实施时对于探测光和参考光偏振状态和光强度的控制方法相同，但在几何构建方面有所差异，方案一和方案三偏向于小尺寸的传感器设计。方案二偏向于高温应用的传感器设计。
本发明的有益效果：
所设计三种方案可根据不同测试需求和条件选择，为流体界面热物理性质提供高速、准确和非接触性的测量。
附图说明
图1. 反射式光学传感器方案一的示意图；
图2. 反射式光学传感器方案二的示意图；
图3. 反射式光学传感器方案三的示意图。
图中：1：第一零级1/2玻片，2：第一偏振分光棱镜，3：第一反射镜，4：第二反射镜，5：第三反射镜，6：第四反射镜，7：第二偏振分光棱镜，8：零级1/4玻片，9：第一光挡，10：第二零级1/2玻片，11：第三偏振分光棱镜，12：第二光挡，13：第五反射镜，14：第一线性滤光片，15：第一合束镜，16：第一光阑，17：第四光挡，18：流体液面，19：激光器，20：透镜，21：第一分光平片，22：第三零级1/2玻片，23：第四偏振分光棱镜，24：第五光挡，25：第六反射镜，26：第四零级1/2玻片，27：第五偏振分光棱镜，28：第六光挡，29：第七反射镜，30:第八反射镜，31：第二合束镜，32：样品池液面，33：第九反射镜，34：第十反射镜，35：第二线性滤光片，36：第二光阑，37：第十一反射镜，38：第二分光平片，39：第七光挡，40：第三线性滤光片，41：第三合束镜，42：第八光挡，43：第三光阑，44：第五零级1/2玻片，45：第六偏振分光棱镜，46：第九光挡，47：第六零级1/2玻片，48：第七偏振分光棱镜，49：第十光挡。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
如图1所示，为反射式光学流体黏度和表/界面张力传感器（I）系统构建。其主要的输入端有两个：探测光和参考光。这两束光的偏振态和光强度分别由第一零级1/2玻片1、第一偏振分光棱镜2和第二零级1/2玻片10第三偏振分光棱镜11组合所调节。对于参考光，还需要采用线性滤光片进一步衰减，其衰减的范围为0-10-4。图1中第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、第四反射镜6、第五反射镜13的反射率为99%，且镜片表面光洁度应达到λ 0/10，λ 0为激光波长。第四反射镜6被安装在一个可以沿垂直于纸面方向转动的高精度转台上，而转台又被安装在可以沿垂直方向移动的一维位移台上，这样的设计使得第四反射镜6可以转动又可以平动，以便灵活地在垂直于流体界面方向的小角度范围（0.3°- 4°）之内设定入射角，角度的设置精度要求为0.005°。通过第一零级1/2玻片1和第一偏振分光棱镜2组合将探测光的偏振态调整为水平偏振或p偏振模式。通过第二偏振分光棱镜2将水平偏振状态的入射光反射至流体液面18，并在第二偏振分光棱镜7和流体液面18之间放置零级1/4玻片8，目的是将水平偏振激光调整为圆偏振，并使圆偏振的散射光信号经液面反射之后改变偏振的方向，通过零级1/4玻片,8后将偏振状态调整为垂直偏振，进而在第二偏振分光棱镜7处实现约99%的透射。散射光进而在第一合束镜15处与参考光叠加混频，参考光的偏振状态由第二零级1/2玻片10和第三偏振分光棱镜11组合调整，并有线性滤光片进一步衰减。混频以后的信号光经由第一光阑16进入探测器，光阑小孔的直径为1mm-2mm，探测器入口的直径为2mm，光阑至探测器的距离为3m-3.5m。
实施例2：
如图2所示，为反射式光学流体黏度和表/界面张力传感器（II）系统构建。在此传感器系统中，激光器19出射的线偏振光经透镜20聚焦至样品池液面32处，透镜的焦距为1m-2m。经第一分光平片21后，偏振光被一分为二，其中透射的一束为探测光，反射的一束为参考光。探测光经由零级1/2玻片+偏振分光组合后偏振状态调整为水平偏振或p偏振，经由第九反射镜33、第十反射镜34入射至样品池液面32。第九反射镜33被安装在一个高精度转台上，用于设置0°- 90°范围内的探测光入射角，高精度转台被安装在一个一维水平位移台上。这样的设置可以灵活地调整探测光的入射角度。参考光经由第四零级1/2玻片26和第五偏振分光棱镜27组合将参考光的偏振状态调整为水平偏振，然后经由第七反射镜29、第八反射镜30和第二线性滤光片35于第二合束镜31上叠加混频，混合信号经由第二光阑36进入探测器。类似地要求：光阑小孔的直径为1mm-2mm，探测器入口的直径为2mm，光阑至探测器的距离为3m-3.5m。
实施例3：
如图3所示，为反射式光学流体黏度和表/界面张力传感器（III）系统构建。图中经过第十一反射镜37的为入射的探测光，偏振状态已默认调整为水平偏振，调整的方法可以参照方案1和2。第十一反射镜37被安装在高精度旋转台上，实现垂直于直面方向旋转以改变探测光的入射角度，高精度旋转台进而被安装在一维垂直位移台上，以实现旋转台和第十一反射镜37在垂直方向的位置调整。第二分光平片38用于设定探测光的入射角，相对于流体液面45°放置，其反射和透射比为50：50，即仅有50%的探测光被反射至流体液面18用来激发散射，同时也仅有50%的散射光透射进入探测器。散射光于第三合束镜41与参考光叠加混频，并通过第三光阑43进入探测器。在混频前，参考光的偏振状态已经调整为水平偏振且其光强度可以通过线性滤光片控制以实现特定的探测条件要求。
三种光学传感器构建方案在实施时对于探测光和参考光偏振状态和光强度的控制方法相同，但在几何构建方面有所差异，图1和3的构建方案，偏向于小尺寸的传感器设计。而图2方案偏向于高温应用的传感器设计。

Claims (7)

1.一种测量流体界面性质的传感器，其特征在于：利用反射式光散射法原理，非接触地测量各种流体界面热物理性质；
所述测量流体界面性质的传感器，包括两个零级1/2玻片、三个偏振分光棱镜、五个反射镜、一个零级1/4玻片、三个光挡、一个线性滤光片、一个合束镜、一个光阑；
探测光和参考光分别从两侧进入传感器中，通过零级1/2玻片和偏振分光棱镜调整两束光的偏振态和光强度，参考光经线性滤光片进一步衰减；反射镜安装在一个沿垂直于纸面方向转动的高精度转台上，转台安装在沿垂直于纸面方向移动的一维位移台上，通过偏振分光棱镜将水平偏振状态的入射光反射至流体液面，在偏振分光棱镜和流体液面之间放置零级1/4玻片，使圆偏振的散射光信号经液面反射之后改变偏振的方向，通过零级1/4玻片后将偏振状态调整为垂直偏振，进而在偏振分光棱镜处实现99%的透射；散射光在合束镜处与参考光叠加混频，参考光的偏振状态由零级1/2玻片和偏振分光棱镜组合调整，由线性滤光片进一步衰减；混频以后的信号光经由光阑进入探测器。
2.根据权利要求1所述的测量流体界面性质的传感器，其特征在于：参考光的衰减范围为0~10-4。
3.根据权利要求1所述的测量流体界面性质的传感器，其特征在于：反射镜的反射率为99%，且反射镜镜片表面光洁度应达到λ 0/10，λ 0为激光波长。
4.一种测量流体界面性质的传感器，其特征在于：利用反射式光散射法原理，非接触地测量各种流体界面热物理性质；
所述测量流体界面性质的传感器，包括反射镜、分光平片、两个光挡、线性滤光片、合束镜、光阑；
探测光经反射镜后，偏振状态调整为水平偏振；反射镜被安装在高精度旋转台上，实现垂直于直面方向旋转以改变探测光的入射角度，高精度旋转台安装在一维垂直位移台上，使旋转台和反射镜能在垂直于纸面方向的位置调整；
所述分光平片用于设定探测光的入射角，相对于流体液面45°放置，其反射和透射比为50：50，即有50%的探测光被反射至液体表面用来激发散射，同时有50%的散射光透射进入探测器；散射光于合束镜与参考光叠加混频，并通过光阑进入探测器。
5.根据权利要求4所述的测量流体界面性质的传感器，其特征在于：在混频前，参考光的偏振状态已调整为水平偏振，且其光强度通过线性滤光片控制以实现探测条件要求。
6.根据权利要求1或4所述的测量流体界面性质的传感器，其特征在于：通过零级1/2玻片和偏振分光棱镜调整两束光的偏振态的具体操作方式为：通过转动零级1/2玻片的角度，改变线偏振光的偏振角度，进而改变水平和垂直偏振的比例，以便在偏振分光棱镜将两种不同偏振状态的光分离，同时也达到调整二者光强度的目的。
7.根据权利要求1或4所述的测量流体界面性质的传感器，其特征在于：光阑小孔的直径为1mm-2mm，探测器入口的直径为2mm，光阑至探测器的距离为3m-3.5m。
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