CN112747682B - 一种基于光载微波干涉的液膜厚度测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于光载微波干涉的液膜厚度测量系统，其特征在于：包括宽带载波光源(1)、频率可调谐微波源(2)、电光调制器(3)、光放大器(4)、第一1×2多模光纤耦合器(5)、自聚焦透镜(6)、凸透镜(7)、光耦合透镜(8)、多模传输光纤(9)、第二1×2多模光纤耦合器(10)、高速光电探测器(11)、锁相放大器(12)、矢量微波探测器(13)和计算机(14)。本发明能够实现对液膜厚度的高精度测量。
Description
技术领域
本发明属于多相流检测领域，具体是一种基于光载微波干涉的液膜厚度测量系统。
背景技术
多相流作为具有两种或两种以上不同相态并具有明确分界面的多相流体，广泛存在于工业生产和生活中，如石油化工、能源动力等工业过程，天然气、石油、低沸点液体的传输过程，传热传质设备的分离和反应过程，生物系统中的血液循环、新陈代谢过程，以及航空航天领域里的卫星、空间站和运输航天器中，其中液膜是其常见流动形态的重要组成部分，因此实现对液膜厚度的精确测量对多相流流动结构及其传热传质机理的研究具有极其重要的意义。根据测量原理不同,目前液膜厚度测量方法主要包括电导探针法、超声法、射线法、以及光学法等。其中电导法通过传感器电极或者探针直接与管道内被测流体接触来测量气液两相流的电导率变化；超声法是利用超声波在多相流中的穿越时间以及散射信号强度来测量，检测方式多以透射和反射为主；射线法利用射线吸收和射线散射原理来进行检测；光学法主要涉及光纤探针、高速摄影法、激光诱导荧光以及激光共焦位移技术等。
上述方法普遍存在侵入性，放射性，易受电磁干扰，测量精度较低，测量范围小，使用条件受限等问题，同时，由于测量原理及测量方法的局限性，难以实现液膜厚度参数的高精度溯源与测量，迫切需要发明一种新的液膜厚度高精度溯源与测量系统，以解决现有液膜测量技术在及测量方面的难题。
光纤干涉作为一种具有较高精度的测量方法，有望解决液膜厚度的精确测量。但传统的光纤全光干涉仪也存在一些问题，如为获得高质量的干涉信号，一般只能使用单模光纤，因多模光纤模式色散大，多模干涉引起的噪声会导致较低的条纹可见度。并且传统的光纤全光干涉仪在光域中进行测量时，需要严格控制干涉光束的偏振态，以避免偏振衰落问题，因此通常需要使用价格较贵且制作工艺复杂的保偏光纤。而且传统全光干涉仪的反射器的表面光滑度需要远小于光波长，故其需要以非常高的制造精度。
发明内容
本发明为克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于光载微波干涉的液膜厚度测量系统，该技术能够实现对液膜厚度的高精度测量。本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于光载微波干涉的液膜厚度测量系统，其特征在于：包括宽带载波光源1、频率可调谐微波源2、电光调制器3、光放大器4、第一1×2多模光纤耦合器5、自聚焦透镜6、凸透镜7、光耦合透镜8、多模传输光纤9、第二1×2多模光纤耦合器10、高速光电探测器11、锁相放大器12、矢量微波探测器13、计算机14；其中，
宽带载波光源1的出射端与电光调制器3的输入端连接；频率可调谐微波源2的信号输出端与电光调制器3的信号输入端连接；电光调制器3输出端与光放大器4的输入端连接；光放大器4输出端通过多模光纤跳线与第一1×2多模光纤耦合器5的入射端连接；第一1×2多模光纤耦合器5的第一出射端通过多模光纤与自聚焦透镜6连接；在自聚焦透镜6和光耦合透镜8间放置有凸透镜7；光耦合透镜8与第二1×2多模光纤耦合器10的第一入射端连接；第一1×2多模光纤耦合器5的第二出射端通过多模传输光纤9与第二1×2多模光纤耦合器10的第二入射端连接；第二1×2多模光纤耦合器10的出射端与高速光电探测器11连接；高速光电探测器11的出射端通过高频电缆与锁相放大器12的信号输入端连接；锁相放大器12的参考信号输入端与频率可调谐微波源2的参考信号输出端连接；锁相放大器12的信号输出端通过高频电缆与矢量微波探测器13的信号输入端连接，矢量微波探测器13的信号输出端与计算机14的信号输入端连接；
被测液膜置于凸透镜7和光耦合透镜8之间。
优选地：宽带载波光源1的出射端通过保偏光纤跳线与电光调制器3的输入端连接。光耦合透镜8位于经凸透镜7和被测液膜后光的聚焦位置处。多模传输光纤9的长度是可调的，以使两路光载微波信号的光程差大于宽带载波光源的相干长度，而小于微波源的相干长度。矢量微波探测器13可同时探测微波信号的振幅和相位信息。根据被测液膜介质，确定所选宽带载波光源1对应的波长范围，使其在被测液膜中的吸收损耗较小。第一1×2多模光纤耦合器5和第二1×2多模光纤耦合器10的耦合比需通过估算光通过被测液膜后产生的损耗来确定，以提高两路光载微波信号产生的干涉信号的条纹可见度。
进一步地，宽带载波光源1输出的光载波信号进入电光调制器3；频率可调谐微波源2输出的微波信号经电光调制器3调制后加载到光载波信号上形成光载微波信号；电光调制器3输出的光载微波信号经光放大器4放大后输入到第一1×2多模光纤耦合器5，经第一1×2多模光纤耦合器5后分成两路，其中一路光载微波信号经多模光纤进入自聚焦透镜6，经自聚焦透镜6后进入凸透镜7，从凸透镜7出射的光载微波信号经被测液膜后，通过光耦合透镜8耦合进入第二1×2多模光纤耦合器10；另一路光载微波信号经多模传输光纤9后进入第二1×2多模光纤耦合器10；两路光载微波信号在第二1×2多模光纤耦合器10处发生干涉，产生的光载微波干涉信号经高速光电探测器11后转换为电信号；电信号经锁相放大器12后被矢量微波探测器13接收，矢量微波探测器13将采集到的干涉信号输入到计算机14进行处理；通过对频率可调谐微波源2进行扫频，根据矢量微波探测器13所采集到的干涉信号得到干涉谱，不同液膜厚度导致的光程差变化量与其干涉谱的频移量存在对应的线性关系，通过干涉谱的频移信息即得到光程差变化量，进而得到待测液膜厚度信息。
被测液膜可以为平板降膜15、倾斜板降膜18以及气液环状流液膜21等流型流态下的液膜。
与现有的液膜厚度测量技术相比，本发明所述的一种基于光载微波干涉的液膜厚度测量系统具有如下优点：
一、本发明所述的一种基于光载微波干涉的液膜厚度测量系统相比于现有的液膜厚度测量技术，可以实现对液膜厚度的非侵入、大范围、高精度测量。
二、本发明所述的光载微波干涉技术将光测量技术和微波测量技术结合起来，兼具两者的优势，具有高灵敏度，高频率响应，可远距离测量、抗电磁干扰等优点。
三、本发明所述的光载微波干涉技术具有高的信号质量和测量分辨率。本发明采用相干检测，其中调制、检测和解调都同步并锁定到相同的微波频率。所以与传统的全光干涉仪相比，本发明所述的光载微波干涉技术具有更高的信噪比。而且对于传统的全光干涉仪，光电探测器的探测速度不足以解调很高的光频震荡，但微波可以在其基本振荡频率内解调。
四、本发明所述的系统对光波导类型不敏感，故采用多模光纤。多模光纤由于其纤芯直径大，具有光耦合效率高、传输功率大等优点。然而，对传统的全光干涉仪，多模光纤由于其模式色散大、多模干涉引起的噪声导致较低的条纹可见度，很难用于光学干涉仪的制作。而在本发明所述的光载微波干涉技术中，光波导中的色散和模间干涉对信号的影响很小。使用多模光波导可以方便地获得高质量的干涉信号。
五、本发明所述的技术对光偏振变化不敏感。因为在该系统中，干涉是微波包络相干叠加的结果。而传统全光干涉仪普遍面临的偏振衰落问题，其通常采用价格较贵而且制作工艺复杂的保偏光纤。
本发明结构合理、有效解决了现有液膜测量系统高精度测量问题，适用于多相流检测领域。
附图说明
图1是本发明所述一种基于光载微波干涉的液膜厚度测量系统的结构示意图。
图中：1-宽带载波光源、2-频率可调谐微波源、3-电光调制器、4-光放大器、5-第一1×2多模光纤耦合器、6-自聚焦透镜、7-凸透镜、8-光耦合透镜、9-多模传输光纤、10-第二1×2多模光纤耦合器、11-高速光电探测器、12-锁相放大器、13-矢量微波探测器、14-计算机、15-平板降膜、16-平板、17-液膜。
图2是本发明所述倾斜板降膜的结构示意图。
18-倾斜板降膜、19-倾斜板、20-液膜。
图3是本发明所述气液环状流液膜的结构示意图。
21-气液环状流液膜、22-管道、23-液膜。
具体实施方式
一种基于光载微波干涉的液膜厚度测量系统，包括宽带载波光源1、频率可调谐微波源2、电光调制器3、光放大器4、第一1×2多模光纤耦合器5、自聚焦透镜6、凸透镜7、光耦合透镜8、多模传输光纤9、第二1×2多模光纤耦合器10、高速光电探测器11、锁相放大器12、矢量微波探测器13、计算机14、平板降膜15、平板16、液膜17。
宽带载波光源1的出射端通过保偏光纤跳线与电光调制器3的输入端连接；频率可调谐微波源2的信号输出端与电光调制器3的信号输入端连接；电光调制器3输出端与光放大器4的输入端连接；光放大器4输出端通过多模光纤跳线与第一1×2多模光纤耦合器5的入射端连接；第一1×2多模光纤耦合器5的第一出射端通过多模光纤与自聚焦透镜6连接；在自聚焦透镜6和光耦合透镜8间放有凸透镜7；光耦合透镜8与第二1×2多模光纤耦合器10的第一入射端连接；第一1×2多模光纤耦合器5的第二出射端通过多模传输光纤9与第二1×2多模光纤耦合器10的第二入射端连接；第二1×2多模光纤耦合器10的出射端与高速光电探测器11连接；高速光电探测器11的出射端通过高频电缆与锁相放大器12的信号输入端连接；锁相放大器12的参考信号输入端与频率可调谐微波源2的参考信号输出端连接；锁相放大器12的信号输出端通过高频电缆与矢量微波探测器13的信号输入端连接，矢量微波探测器13的信号输出端与计算机14的信号输入端连接。
具体实施时，根据被测液膜介质的不同，所选宽带载波光源1对应的波长范围应使其在被测液膜中的吸收损耗较小，且光源为保偏输出。
具体实施时，光耦合透镜8位于经凸透镜7和平板降膜15后光的聚焦位置处。
具体实施时，第一1×2多模光纤耦合器5和第二1×2多模光纤耦合器10的耦合比需通过估算光通过平板16和液膜17后产生的损耗来确定，以提高两路光载微波信号产生的干涉信号的条纹可见度。
具体实施时，多模传输光纤9的长度是可调的，以使两路光载微波信号的光程差大于宽带载波光源的相干长度，而小于微波源的相干长度。
矢量微波探测器13需可同时探测微波信号的振幅和相位信息；
具体实施时，宽带载波光源1输出的光载波信号进入电光调制器3；频率可调谐微波源2输出的微波信号经电光调制器3调制后加载到光载波信号上形成光载微波信号；电光调制器3输出的光载微波信号经光放大器4放大后输入到第一1×2多模光纤耦合器5，经第一1×2多模光纤耦合器5后分成两路，其中一路光载微波信号经多模光纤进入自聚焦透镜6，经自聚焦透镜6后进入凸透镜7，从凸透镜7出射的光载微波信号经平板降膜15中的平板16进入被测量的液膜17，穿过液膜17后，通过光耦合透镜8耦合进入第二1×2多模光纤耦合器10；另一路光载微波信号经多模传输光纤9后进入第二1×2多模光纤耦合器10；两路光载微波信号在第二1×2多模光纤耦合器10处发生干涉，产生的光载微波干涉信号经高速光电探测器11后转换为电信号；电信号经锁相放大器12后被矢量微波探测器13接收，矢量微波探测器13将采集到的干涉信号输入到计算机14进行处理。通过对频率可调谐微波源2进行扫频，即可得到干涉谱。因不同厚度的液膜会导致两路光载微波信号的光程差不同，所以其对应的干涉谱会发生频移。不同液膜厚度导致的光程差变化量与其干涉谱的频移量存在对应的线性关系，通过干涉谱的频移信息即可得到光程差的变化量，进而可得到要测量的液膜厚度信息。
具体实施时，采用本发明对倾斜板降膜18中液膜厚度进行测量，需根据光经倾斜板19和液膜20折射后的出射位置对光耦合透镜8的位置和角度进行调整，以提高光的耦合效率。
具体实施时，采用本发明对气液环状流液膜21的液膜厚度的测量与本发明专利中所述的对平板降膜15液膜厚度的测量过程一致。
具体实施时，本发明中采用的马赫-曾德干涉光纤干涉结构也可用其它干涉结构代替，包括法布里-珀罗干涉结构、迈克尔逊干涉结构以及萨格奈克干涉结构。
Claims (6)
1.一种基于光载微波干涉的液膜厚度测量系统，其特征在于：包括宽带载波光源（1）、频率可调谐微波源（2）、电光调制器（3）、光放大器（4）、第一1×2多模光纤耦合器（5）、自聚焦透镜（6）、凸透镜（7）、光耦合透镜（8）、多模传输光纤（9）、第二1×2多模光纤耦合器（10）、高速光电探测器（11）、锁相放大器（12）、矢量微波探测器（13）和计算机（14）；其中，
宽带载波光源（1）的出射端通过保偏光纤跳线与电光调制器（3）的输入端连接；频率可调谐微波源（2）的信号输出端与电光调制器（3）的信号输入端连接；电光调制器（3）输出端与光放大器（4）的输入端连接；光放大器（4）输出端通过多模光纤跳线与第一1×2多模光纤耦合器（5）的入射端连接；第一1×2多模光纤耦合器（5）的第一出射端通过多模光纤与自聚焦透镜（6）连接；在自聚焦透镜（6）和光耦合透镜（8）间放置有凸透镜（7）；光耦合透镜（8）与第二1×2多模光纤耦合器（10）的第一入射端连接；第一1×2多模光纤耦合器（5）的第二出射端通过多模传输光纤（9）与第二1×2多模光纤耦合器（10）的第二入射端连接；第二1×2多模光纤耦合器（10）的出射端与高速光电探测器（11）连接；高速光电探测器（11）的出射端通过高频电缆与锁相放大器（12）的信号输入端连接；锁相放大器（12）的参考信号输入端与频率可调谐微波源（2）的参考信号输出端连接；锁相放大器（12）的信号输出端通过高频电缆与矢量微波探测器（13）的信号输入端连接，矢量微波探测器（13）的信号输出端与计算机（14）的信号输入端连接；
被测液膜置于凸透镜（7）和光耦合透镜（8）之间；光耦合透镜（8）位于经凸透镜（7）和被测液膜后光的聚焦位置处；
根据被测液膜介质，确定所选宽带载波光源（1）对应的波长范围，使其在被测液膜中的吸收损耗较小；
宽带载波光源（1）输出的光载波信号进入电光调制器（3）；频率可调谐微波源（2）输出的微波信号经电光调制器（3）调制后加载到光载波信号上形成光载微波信号；电光调制器（3）输出的光载微波信号经光放大器（4）放大后输入到第一1×2多模光纤耦合器（5），经第一1×2多模光纤耦合器（5）后分成两路，其中一路光载微波信号经多模光纤进入自聚焦透镜（6），经自聚焦透镜（6）后进入凸透镜（7），从凸透镜（7）出射的光载微波信号经被测液膜后，通过光耦合透镜（8）耦合进入第二1×2多模光纤耦合器（10）；另一路光载微波信号经多模传输光纤（9）后进入第二1×2多模光纤耦合器（10）；两路光载微波信号在第二1×2多模光纤耦合器（10）处发生干涉，产生的光载微波干涉信号经高速光电探测器（11）后转换为电信号；电信号经锁相放大器（12）后被矢量微波探测器（13）接收，矢量微波探测器（13）将采集到的干涉信号输入到计算机（14）进行处理；通过对频率可调谐微波源（2）进行扫频，根据矢量微波探测器（13）所采集到的干涉信号得到干涉谱，不同液膜厚度导致的光程差变化量与其干涉谱的频移量存在对应的线性关系，通过干涉谱的频移信息即得到光程差变化量，进而得到被测液膜厚度信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于光载微波干涉的液膜厚度测量系统，其特征在于：多模传输光纤（9）的长度是可调的，以使两路光载微波信号的光程差大于宽带载波光源的相干长度，而小于微波源的相干长度。
3.根据权利要求1所述的一种基于光载微波干涉的液膜厚度测量系统，其特征在于：矢量微波探测器（13）可同时探测微波信号的振幅和相位信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于光载微波干涉的液膜厚度测量系统，其特征在于：第一1×2多模光纤耦合器（5）和第二1×2多模光纤耦合器（10）的耦合比需通过估算光通过被测液膜后产生的损耗来确定，以提高两路光载微波信号产生的干涉信号的条纹可见度。
5.根据权利要求1所述的一种基于光载微波干涉的液膜厚度测量系统，其特征在于：被测液膜为水平、竖直或倾斜放置的平板、管道外或管道内液膜。
6.根据权利要求1所述的一种基于光载微波干涉的液膜厚度测量系统，其特征在于：被测液膜包括平板降膜（15）、倾斜板降膜（18）或气液环状流液膜（21）。
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