CN110160912A - 一种基于双边孔光纤的液体密度计及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于双边孔光纤的液体密度计及其制备方法。该液体密度计包括两边开口的套管，套管内壁固定有双边孔光纤和多模光纤所组成的结构；双边孔光纤的第一端用于与待测液体接触，第二端与多模光纤的一端面固定连接，双边孔光纤的两个边孔与多模光纤的纤芯接触的两部分的面积相同；双边孔光纤的第一端中第一边孔和第二边孔设置有预设高度差，使第一边孔、第二边孔与待测液体接触的液面高度不同；多模光纤远离双边孔光纤的一端作为输出端。该液体密度计具有体积小、灵敏度高且具有温度和外界气压变化的自动补偿特性。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于双边孔光纤的液体密度计及其制备方法。
背景技术
密度计是测量液体密度的一种计量仪器。目前，常见的有电子式密度计、静压式密度计、振动式密度计和放射性同位素密度计等，这些类型密度计可以满足一部分的测量需求，但仍难以用于对易燃、易腐蚀类液体的测量。且这些密度计存在结构复杂，或成本高，或测量精度低等缺点。
基于光学原理的密度计具有高精度、结构简单、抗电磁干扰等优点。目前光学式的密度计都是基于阿基米德浮力定律的浮子式结构，即物体在液体内受到的浮力与液体密度成正比，浮子受到的浮力通过机械杠杆传到光纤光栅，引起光栅的应变，检测光栅光信号的改变就可算出浮力大小，进而得出液体密度。
然而，浮子式的缺点是因为有浮子和机械结构，体积做不到很小。浮子体积越大，受到的浮力也越大，灵敏度就高，但整个密度计体积也就越大了，所以体积和灵敏度不可兼得。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有存在的技术问题，本发明提供一种基于双边孔光纤的液体密度计，具有体积小、灵敏度高且具有温度和外界气压变化的自动补偿特性。
(二)技术方案
本发明一种基于双边孔光纤的液体密度计，包括：
两边开口的套管，套管内壁固定有双边孔光纤和多模光纤所组成的结构；
所述双边孔光纤的第一端用于与待测液体接触，第二端与多模光纤的一端面固定连接，所述双边孔光纤的两个边孔与所述多模光纤的纤芯接触的两部分的面积相同；
所述双边孔光纤的第一端中第一边孔和第二边孔设置有预设高度差，使第一边孔、第二边孔与待测液体接触的液面高度不同；
所述双边孔光纤的第一边孔内设置有第一液体，所述第一液体的液柱表面与多模光纤的端面之间的腔体形成用于感知待测液体压强变化的第一F-P腔；
所述双边孔光纤的第二边孔内设置有第二液体，所述第二液体的液柱表面与所述多模光纤的端面之间的腔体形成用于感知待测液体压强变化的第二F-P腔；且液体密度计静置在空气中时，第一液体的液柱表面距离多模光纤端面的高度与第二液体的液柱表面距离多模光纤端面的高度相同；
多模光纤远离双边孔光纤的一端作为输出端。
进一步地，所述第一液体和第二液体相同，均为油或水银。
进一步地，所述双边孔光纤的第二端与多模光纤采用熔接方式固定。
进一步地，所述双边孔光纤的第一边孔和第二边孔均为空气孔；
所述空气孔的直径为37μm，所述双边孔光纤的直径为125μm；
所述多模光纤的包层直径为125μm，纤芯直径为65μm，包层和纤芯的材质均为二氧化硅。
进一步地，所述第一边孔和第二边孔内壁均经过疏水/疏油试剂处理，以为减少油或水银的流动阻力；
和/或，
所述第一边孔和第二边孔内壁均经过疏水/疏油试剂，以减少油或水银的流动阻力；所述疏水/疏油试剂为有机氟硅试剂。
进一步地，第一液体的液柱表面距离多模光纤端面的高度为2-10mm。
进一步地，双边孔光纤和多模光纤组成的结构通过环氧树脂胶固定于所述套管内壁一侧，且对应内壁侧存在空隙。
本发明还提供一种上述任一方案所提供的液体密度计的制备方法，包括：
A1、选择一制备液体密度计的双边孔光纤，通过第二端向第一边孔注入第一液体，第二边孔注入第二液体，使第一液体在第一边孔内的位置和第二液体在第二边孔内的位置相同，后将双边孔光纤的第一端密封；
A2、选择一制备液体密度计的多模光纤，将多模光纤的端面和所述双边孔光纤的第二端固定，且使所述双边孔光纤的两个边孔与所述多模光纤的纤芯接触面积相同；
A3、去除双边孔光纤的第一端的密封区域；
A4、选择双边孔光纤中的一个边孔，对靠近所选择的边孔的侧面光纤部分进行磨抛处理，直至空气孔暴露，使得所述双边孔光纤的第一端中第一边孔和第二边孔的长度不同，形成预设高度差；
A5、将上述A4处理后的结构固定于套管内壁，形成液体密度计。
进一步地，所述A1还包括：
对双边孔光纤的第一边孔和第二边孔内壁分别采用疏水/疏油试剂处理，以减少第一液体/第二液体的流动阻力；
和/或，采用AB胶将双边孔光纤的第一端密封。
本发明还提供一种液体密度传感器系统，包括上述任一方案所提供的液体密度计和光谱仪，所述光谱仪与所述液体密度计中的输出端连接。
(三)有益效果
本发明提供的基于双边孔光纤的液体密度计，利用多模光纤和双边孔光纤的两个边孔形成两个FPI结构，通过两个FPI结构感应光栅的变化，进而获得压强差及液体密度，测量的灵敏度高且具有对温度和外界气压变化的自动补偿特性。由于采用光纤测量，该液体密度计的抗干扰能力强，耐腐蚀性高，同时光纤的体积很小，因此整个液体密度计的体积很小。液体密度计中没有机械式的结构，结构更加简单，工作更可靠。
本发明还提供了上述液体密度计的制备方法，该方法制作简单、易操作，可靠性高。
附图说明
图1为本发明提供的液体密度计在空气中静置的示意图；
图2为本发明提供的液体密度计在待测液体中的示意图；
图3为本发明提供的液体密度计的双边孔光纤的结构示意图；
图4为本发明实施例中液体密度计在空气中静置时输出的光谱图；
图5为本发明实施例中液体密度计在待测液体中输出的光谱图。
【附图标记说明】
1：多模光纤；2：双边孔光纤；3：套管；41：第一F-P腔；42：第二F-P腔；51：第一液体；52：第二液体；61：第一空气柱；62：第二空气柱；71：第一边孔；72：第二边孔。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明提供一种液体密度计，其原理如下：
液体中距离液面深度h处的压强为：P＝ρgh，则两个不同液位深度的压强差为：ΔP＝ρgΔh，因此，测量两个不同液位深度位置的压强差值，可以计算得到所测液体的密度：
基于上述原理，本发明提出了一种基于双边孔光纤的液体密度计及其制备方法。该液体密度计包括：两边开口的套管3，套管3内壁固定有双边孔光纤2和多模光纤1所组成的结构。
双边孔光纤2的第一端用于与待测液体接触，第二端与多模光纤1的一端面采用熔接方式固定连接，双边孔光纤2的两个边孔(71、72)与多模光纤1的纤芯接触面积相同，多模光纤1远离双边孔光纤2的一端作为输出端。
其中，双边孔光纤2的第一端中第一边孔71和第二边孔72设置有预设高度差Δh1，使第一边孔71、第二边孔72与待测液体接触的液面高度不同。
双边孔光纤2的第一边孔71内设置有第一液体51，第一液体51的液柱表面与多模光纤1的端面之间的腔体形成用于感知待测液体压强变化的第一F-P腔41；双边孔光纤2的第二边孔72内设置有第二液体52，第二液体52的液柱表面与多模光纤1的端面之间的腔体形成用于感知待测液体压强变化的第二F-P腔42；且液体密度计静置在空气中时，第一液体51的液柱表面距离多模光纤1端面的高度与第二液体52的液柱表面距离多模光纤1端面的高度相同，均为2-10mm。
第一液体51和第二液体52为同种液体，均为油、水银或其他无挥发性液体。第一边孔71和第二边孔72内壁均经用于减少油、水银或其他无挥发性液体的流动阻力的疏水/疏油试剂处理，所述疏水/疏油试剂优选为有机氟硅试剂。
在本实施例中，多模光纤1的纤芯直径为65μm，多模光纤1的包层直径为125μm，纤芯和包层的材质均为二氧化硅或均为聚合物。双边孔光纤2的直径为125μm，第一边孔71和第二边孔72的直径均为37μm，且两个边孔之间的距离为12μm，双边孔光纤2的材质也为二氧化硅或聚合物。
双边孔光纤2和多模光纤1所组成的结构通过环氧树脂胶固定于套管3内壁一侧，且对应内壁侧存在空隙。设置间隙用于平衡套管内大气压，以便于液体密度计放置在待测液体中引起第一空气柱61和第二空气柱62的位置变化，进而改变第一F-P腔41和第二F-P腔42的高度，得到不同的光信号。
本发明提供的液体密度计的制备方法包括如下步骤：
A1、选择一制备液体密度计的双边孔光纤2，对双边孔光纤2的两个边孔(71、72)用疏水/疏油试剂处理，提高边孔表面的疏水和疏油特性，以减少第一液体和第二液体的流动阻力。其中，本发明中疏水/疏油试剂可选用有机氟硅试剂，当然也可选用其他试剂，本发明不作限定。
将双边孔光纤2浸入油中，油通过双边孔光纤2第一端自然进入第一边孔71和第二边孔72中，并形成第一液体51和第二液体52，待第一液体51在第一边孔71内的位置和第二液体52在第二边孔72内的位置相同，且到达所需位置时，将双边孔光纤2的第一端使用AB胶(丙烯酸酯)密封。
其中，也可使用水银或其他无挥发性的液体代替油，这样，第一液体51和第二液体52为同种液体，可以为油，也可以为水银或其他无挥发性的液体，本发明不作限定。
A2、选择一制备液体密度计的多模光纤1，将多模光纤1的端面和双边孔光纤2的第二端熔接固定，且使双边孔光纤2的两个边孔(71、72)与多模光纤1的纤芯接触的两部分的面积相同。
在放电熔接过程中，由于第一液体51和第二液体52会被高温产生的蒸汽弹开一段距离，因此需调整好放电时间、放电强度以及放电位置，保证多模光纤端面与第一液体51和第二液体52之间形成的两个F-P腔的高度相同，且为2-10mm。
A3、去除双边孔光纤2的第一端的密封区域。
A4、选择双边孔光纤2中的边孔72，对边孔72的侧面部分的光纤进行磨抛处理，直至空气孔暴露，使得双边孔光纤2的第一端中第一边孔71和第二边孔72的长度不同，形成预设高度差。当然，也可对边孔71的侧面进行磨抛处理，本发明不做限定。
A5、将上述A4处理后的结构固定于套管3内壁，并用环氧树脂固定，形成液体密度计。
本发明的液体密度计的工作原理：
光在每个FPI中的F-P腔内反射，分别由两个反射面反射的光发生多波长干涉，由于F-P腔的长度发生变化，干涉条件也变化，得到的干涉光就会发生改变。两个FPI分别处于液体中不同深度位置时，所测得的液体的压强大小也不同，根据与多模光纤相连接的光谱仪测量得到的叠加后波长的变化，得到引起F-P腔长度变化的液体的压强差，根据公式获得待测液体的密度，其中，ΔP＝|P1-P2|。
其中，当液体密度计在空气中静置时，两个F-P腔的长度相同，两路干涉光叠加后频率不变，只是强度增加，如图4所示；
当液体密度计垂直插入待测液体时，双边孔光纤中两个空气柱的液位高度不同，所受压强也不相同(P1、P2)，推动两个液体移动的距离也不同。于是，两个F-P腔的长度形成一差值Δh2，叠加后会有新的频率出现，如图5所示。根据两个边孔结构高度差Δh1和如图5所示的光谱的频率分析计算，即可计算出待测液体的密度。
本发明中利用双边孔光纤的两个边孔与多模光纤形成两个FPI结构，克服了温度和外界气压变化对于测量结果的影响。在测量过程中，由于温度的影响和外界气压，可能会引起第一空气柱61和第二空气柱62的位置变化，进而引起第一F-P腔41和第二F-P腔42高度的变化和测量结果的改变。但是，由于设置了两个FPI结构，这样由温度和外界气压引起的空气孔位置可以抵消，不会影响测得的压强差和液体密度，具有对温度和外界气压变化自动补偿的特点。
同时，由于采用光纤测量，灵敏性强、抗干扰能力强、耐腐蚀性高，同时光纤的体积很小，因此整个液体密度计的体积很小。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于双边孔光纤的液体密度计，其特征在于，包括：
两边开口的套管，套管内壁固定有双边孔光纤和多模光纤所组成的结构；
所述双边孔光纤的第一端用于与待测液体接触，第二端与多模光纤的一端面固定连接，所述双边孔光纤的两个边孔与所述多模光纤的纤芯接触的两部分的面积相同；
所述双边孔光纤的第一端中第一边孔和第二边孔设置有预设高度差，使第一边孔、第二边孔与待测液体接触的液面高度不同；
所述双边孔光纤的第一边孔内设置有第一液体，所述第一液体的液柱表面与多模光纤的端面之间的腔体形成用于感知待测液体压强变化的第一F-P腔；
所述双边孔光纤的第二边孔内设置有第二液体，所述第二液体的液柱表面与所述多模光纤的端面之间的腔体形成用于感知待测液体压强变化的第二F-P腔；且液体密度计静置在空气中时，第一液体的液柱表面距离多模光纤端面的高度与第二液体的液柱表面距离多模光纤端面的高度相同；
多模光纤远离双边孔光纤的一端作为输出端。
2.根据权利要求1所述的液体密度计，其特征在于，所述第一液体和第二液体相同，均为油或水银。
3.根据权利要求1所述的液体密度计，其特征在于，所述双边孔光纤的第二端与多模光纤采用熔接方式固定。
4.根据权利要求1所述的液体密度计，其特征在于，所述双边孔光纤的第一边孔和第二边孔均为空气孔；
所述空气孔的直径为37μm，所述双边孔光纤的直径为125μm；
所述多模光纤的包层直径为125μm，纤芯直径为65μm，包层和纤芯的材质均为二氧化硅。
5.根据权利要求2所述的液体密度计，其特征在于，所述第一边孔和第二边孔内壁均经过用于减少油或水银的流动阻力的疏水/疏油试剂处理；
和/或，
所述第一边孔和第二边孔内壁均经过用于减少油或水银的流动阻力的疏水/疏油试剂处理；所述疏水/疏油试剂为有机氟硅试剂。
6.根据权利要求1所述的液体密度计，其特征在于，第一液体的液柱表面距离多模光纤端面的高度为2-10mm。
7.根据权利要求1所述的液体密度计，其特征在于，双边孔光纤和多模光纤分别通过环氧树脂胶固定于所述套管内壁一侧，且对应内壁侧存在空隙。
8.一种基于上述权利要求1-7任一所述的液体密度计的制备方法，其特征在于，包括：
A1、选择一制备液体密度计的双边孔光纤，通过第一端向第一边孔注入第一液体，第二边孔注入第二液体，使第一液体在第一边孔内的位置和第二液体在第二边孔内的位置相同，后将双边孔光纤的第一端密封；
A2、选择一制备液体密度计的多模光纤，将多模光纤的端面和所述双边孔光纤的第二端固定，且使所述双边孔光纤的两个边孔与所述多模光纤的纤芯接触的两部分的面积相同；
A3、去除双边孔光纤的第一端的密封区域；
A4、选择双边孔光纤中的一个边孔，对选择的边孔的侧面进行磨抛处理，直至空气孔暴露，使得所述双边孔光纤的第一端中第一边孔和第二边孔的长度不同，形成预设高度差；
A5、将上述A4处理后的结构固定于套管内壁，形成液体密度计。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述A1还包括：
对双边孔光纤的第一边孔和第二边孔内壁分别采用疏水/疏油试剂处理，以减少第一液体/第二液体的流动阻力；
和/或，采用AB胶将双边孔光纤的第一端密封。
10.一种液体密度传感器系统，其特征在于，包括光谱仪和如权利要求1-7中任一项所述的液体密度计，所述光谱仪与所述液体密度计中的输出端连接。
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| CN112198085A (zh) * | 2020-10-09 | 2021-01-08 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于边孔光纤的液体密度测量装置及其测量方法 |
| CN112198085B (zh) * | 2020-10-09 | 2022-03-18 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于边孔光纤的液体密度测量装置及其测量方法 |
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