CN101251474A

CN101251474A - 蘸粘式光纤液体分析方法及其专用分析装置

Info

Publication number: CN101251474A
Application number: CNA2008100640110A
Authority: CN
Inventors: 苑立波; 周爱; 杨军; 耿涛; 刘彬彬
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2028-02-19
Also published as: CN100588951C

Abstract

本发明提供的是一种蘸粘式光纤液体分析方法及其专用分析装置。其装置包括光源、入射光纤、光纤探头、接收光纤、光检测器、往复运动机构、信号采集及处理电路和计算机。利用上下往复地运动的光纤探头，与待测液体进行周期性地接触，借助于从光纤探头得到的待测液体表面、内部以及蘸粘部位的反射光信号，获得液体表面张力、粘滞系数、浓度以及折射率等特性参数。本发明具有制作更容易、清洗更方便、信号一致性好、获得信息量多等优点。

Description

蘸粘式光纤液体分析方法及其专用分析装置

(一)技术领域

发明涉及的是一种液体成分的分析方法。本发明还涉及到一种液体分析方法所用的分析装置。具体地说是一种采用光纤技术同时测量液体多个物理参量的光纤测试方法及装置。

(二)背景技术

随着人们环保和安全意识的不断增强，人们对污染的控制、对饮食、医药和工业用液的质量监测提出了更高的要求。由于光纤具有体积小，电绝缘和耐腐蚀等优点，使得基于光纤技术的液体测量方法发展迅速，目前常见的有强度调制、表面等离子波光谱分析、法布里珀罗干涉等方法。但是这些方法通常功能比较单一，一般只能针对某一个物理量进行测量。如果要获得同一液体的多种物理参量，则需要应用多种不同的测试仪器进行测量，这样不仅所得数据的一致性不好，而且有可能在测量某一参数的过程中引入杂质，从而使后继测量结果产生误差。

目前能够实现液体的多个物理量同时测量的技术只有光纤液滴分析技术。国内外已公开的专利有(EP 0286419AZ、EP 0364203AI、CN1414392、CN1337572和CN1337573)。该技术的信号形成装置是基于一个光纤液滴头，液滴头由位于轴心的毛细管和相对于毛细管对称放置的两根塑料光纤构成，供液泵将被测液体输送给毛细管，在毛细管端形成液滴。通过分析经液滴反射的信号的强度和周期的变化规律实现液体的测量。该技术对液体供给的稳定性要求很高，存在液滴头结构复杂，毛细管清洗困难，液体头一致性和重复性较差等缺点。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种操作方便、信号一致性好、多信息量同时采集与分析的蘸粘式光纤液体分析方法。本发明的目的还在于提供一种制作更容易、清洗更方便、大信息量、具有良好一致性和重复性的蘸粘式光纤液体分析方法的专用分析装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的蘸粘式光纤液体分析方法为通过光纤探头或待测液体上下往复地运动，使光纤探头与待测液体进行周期性地接触，并借助于从光纤探头得到待测液体表面、内部以及蘸粘部位的反射光信号，获得液体表面张力、粘滞系数、浓度以及折射率等特性参数。

本发明的蘸粘式光纤液体分析方法的专用分析装置的组成包括光源、入射光纤、光纤探头、接收光纤、光检测器，信号采集及处理电路，计算机，往复运动机构。光源输出的光进入入射光纤，入射光纤的输出进入光纤探头，光纤探头的反射光进入接收光纤，接收光纤经光检测器连接信号采集及处理电路，信号采集及处理电路连接计算机，光纤检测探头的下方设置盛液容器，光纤探头或盛液容器安装在往复运动机构上。

本发明还可以包括：

1、光纤探头安装在往复运动机构上，所述的往复运动机构是由电机控制的多维组合位移台，通过运动控制***实现上下往复的周期性运动。

2、光源2、入射光纤3、接收光纤4和光检测器7集成在一起构成光路集成单元9。

3、所述的光纤探头为有一根入射光纤和一根接收光纤组成的双光纤探头。

4、所述的双光纤探头为入射光纤与接收光纤互相平行，并且入射光纤与接收光纤对称地排列在探头轴心的两侧。

5、所述的双光纤探头为：入射光纤与接收光纤互相平行，并且入射光纤置于探头的轴心，接收光纤位于一侧，与发射光纤紧密接触或者是有一定的距离。

6、所述的双光纤探头为：入射光纤与接收光纤成一定的夹角，夹角的取值范围为0°＜θ≤175°。

7、所述的光纤探头为有一根入射光纤和两根接收光纤组成的三光纤探头。

8、所述的三光纤探头为：三根光纤排列成正三角结构，其中一根作为入射光纤，其他两根作为接收光纤。

9、所述的三光纤探头为：三根光纤排列成等腰直角三角形结构，45°角上的一根光纤为入射光纤。

10、所述的三光纤探头为：三根光纤排列成一条直线，入射光纤置于探头的轴心位置。

11、所述的光源为：根据液体对不同波长的光的敏感性，可以选择488nm、532nm、633nm、670nm、808nm、980nm、1064nm、1310nm、1550nm等多个波长。

本发明的光源、入射光纤、接收光纤和光检测器集成在一起组成光路集成单元，在光纤探头相对于被测液体做上下往复运动时，可以避免因光纤本身的相对运动带来的信号波动。

本发明的光纤探头可以选择多种结构形式，适应不同的需求：(1)其结构具有双光纤，三光纤等多种组合方式；(2)光纤的组合形式具有多光纤平行和光纤之间具有一个0～175°之间的夹角等多种形式；(3)光纤端的形状也具有平端面、圆锥形端面、多棱体锥端面以及斜角端面等多种形状；(4)清洗方便彻底，可用于不同液体的重复测量，不会产生交叉污染。

光纤检测探头安装在由电机控制器15、多维电控组合位移台16和探头把持装置17组成的光纤探头位置精密控制***18。

本发明的光纤探头配备有探头位置精密控制***，其由电机控制器15、多维电控组合位移台16和探头把持装置17构成，探头把持装置固定在电控组合位移台上，通过计算机编程可以控制光纤探头的三维移动并实现探头位置的记忆功能，提高了***的稳定性和测量数据的可重复性。

本发明所述的一种能够同时测量液体多个物理参量的光纤液体传感器。其工作过程和原理是：光纤探头位置精密控制***18控制光纤探头6做上下往复运动，与被测液体进行周期性的接触，光源2发出的光由入射光纤3进入被测液体，经液体作用后一部分光返回到接收光纤4。在光纤探头的一个周期运动的过程中，进入接收光纤4的反射信号分别来自，待测液体表面、液体内部，光纤与液体蘸粘部，以及探头残余液体表面。光检测器7将接收到的光信号转变成电信号，送给信号采集与处理电路10进行初步处理，最后利用计算机12对所得信号进行分析，利用光纤探头在一个运动周期内收集到来自于不同反射部位的特征信号，通过与预先测得并存储的信号进行比对，获得被测液体折射率、粘滞系数、表面张力以及浓度等多个物理特性参量。该装置具有结构简单，蕴涵的信息量多，信号一致性好，探头尺寸小，易清洗等优点，可以应用在化学、医药卫生、饮料生产和环境检测等领域的在线监测。

本发明具有如下优点：

(1)不需要多种不同的测试仪器便可实现对液体的多个物理量的同时检测，提高了工作效率，避免了因不同仪器多次测量所带来的误差。

(2)测试信号的生成装置简单，不需要复杂的液滴头和供液装置；

(3)光纤探头的结构简单，清洗方便，彻底解决了供液毛细管不易清洗，以及液体残留对分析产生的干扰问题；

(4)具有多种形式的光纤探头，在实际应用中可以根据需要选择不同形式的探头。

(5)光源具有多种波长可选择，可以根据液体对不同波长的光的敏感性选择合适的波长。

(6)标准设置是发射光纤与接收光纤均采用标准的通信用单模光纤，不存在模式耦合问题，不会对接收到的光强信号产生影响，可以提高测量结果的准确度；光纤探头的尺寸可以很小，最小可做到直径250μm。

(7)表征液体的各物理量的信号各部分彼此独立，信号分析过程简便。

(四)附图说明

图1为本发明的双光纤探头结构的***构成框图。

图2为本发明的三光纤探头结构的***构成框图。

图3、图4、图5分别为三种形式的双光纤探头的结构示意图。

图6、图7、图8分别为图3、图4、图5的右视图。

图9、图10、图11分别为三种形式的三光纤探头的结构示意图。

图12、图13、图14分别为图9、图10、图11的右视图。

图15为实施例一所得的不同液体的信号。其中点虚线是大豆油的信号，破折线为酒精的信号，实线为蒸馏水的信号。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本实用新型做更详细地描述：

实施例一：结合图1，蘸粘式光纤液体分析测量传感器的组成包括光源驱动1、光源2、入射光纤3、接收光纤4、光检测器7、光纤探头6，信号采集及处理电路10和计算机12，光源驱动连接光源，光源输出的光进入入射光纤，入射光纤的输出进入光纤探头，光纤探头的反射光进入接收光纤，接收光纤经光检测器连接信号采集及处理电路，信号采集及处理电路连接计算机，光纤检测探头安装在由电机控制器15、多维电控组合位移台16和探头把持装置17组成的光纤探头位置精密控制***18的探头把持装置上，光纤探头的下方设置盛液容器13。光源2、入射光纤3、接收光纤4和光检测器7集成在一起构成光路集成单元9。盛液容器13固定在容器固定装置14上。结合图3-图8，光纤探头为有一根入射光纤和一根接收光纤组成的双光纤探头，其具体形式可以在以下3种任选其一：(1)入射光纤与接收光纤互相平行，并且入射光纤与接收光纤对称地排列在探头轴心的两侧。(2)入射光纤与接收光纤互相平行，并且入射光纤置于探头的轴心，接收光纤位于一侧，与发射光纤紧密接触或者是有一定的距离。可以通过选择不同的距离，获得不同光强信号。(3)入射光纤与接收光纤成一定的夹角，夹角的取值范围为0-175°之间。可以通过选择不同的夹角，获得不同的光强信号。利用基于LabVIEW编写的控制程序，控制多维电控组合位移台16移动，从而带动光纤探头做进出被测液体的上下往复运动，光源2发出的光由入射光纤3进入被测液体，经液体作用后一部分光返回到接收光纤4，光检测器7将接收到的光信号转变成电信号，送给信号采集与处理电路10进行初步处理，最后利用计算机12对所得信号进行分析，从而获得被测液体的物理特性参量。图15为实测的的不同液体的信号，其中破折线是大豆油的信号，点虚线为蔗糖溶液的信号，实线为蒸馏水的信号。

实施例二：结合图9-图14，本发明的第二种实施方式，包括了第一种实施方式的基本组成，其区别在于其光纤探头为有一根入射光纤和两根接收光纤组成的三光纤探头。其具体形式可以在以下3种任选其一：(1)三根光纤排列成正三角结构，其中一根作为入射光纤，其他两根作为接收光纤。(2)三根光纤排列成等腰直角三角形结构，45°角上的一根光纤为入射光纤。(3)三根光纤排列成一条直线，入射光纤置于探头的轴心位置。

Claims

1、一种蘸粘式光纤液体分析方法，其特征是通过光纤探头上下往复地运动，使其与固定不动的待测液体进行周期性地接触，借助于从光纤探头得到待测液体表面、内部以及蘸粘部位的反射光信号，获得液体表面张力、粘滞系数、浓度以及折射率等特性参数。

2、一种蘸粘式光纤液体分析方法的专用分析装置，它包括光源、入射光纤、光纤探头、接收光纤、光检测器，信号采集及处理电路，计算机和往复运动机构，其特征是：光源输出的光进入入射光纤，入射光纤的输出进入光纤探头，光纤探头的反射光进入接收光纤，接收光纤经光检测器连接信号采集及处理电路，信号采集及处理电路连接计算机，光纤检测探头的下方设置盛液容器，光纤检测探头安装在往复运动机构上。

3、根据权利要求2所述的蘸粘式光纤液体分析方法的专用分析装置，其特征是：光纤检测探头安装在往复运动机构上，所述的往复运动机构是由电机控制的多维组合位移台。

4、根据权利要求2所述的蘸粘式光纤液体分析方法的专用分析装置，其特征是：所述的光纤探头为有一根入射光纤和一根接收光纤组成的双光纤探头。

5、根据权利要求4所述的蘸粘式光纤液体分析方法的专用分析装置，其特征是：所述的双光纤探头为：入射光纤与接收光纤互相平行，并且入射光纤与接收光纤对称地排列在探头轴心的两侧。

6、根据权利要求4所述的蘸粘式光纤液体分析方法的专用分析装置，其特征是：所述的双光纤探头为：入射光纤置于探头的轴心，接收光纤位于一侧，与入发射光纤紧密接触或者是有一定的距离。

7、根据权利要求4所述的蘸粘式光纤液体分析方法的专用分析装置，其特征是：所述的双光纤探头为入射光纤与接收光纤成一定的夹角，夹角的取值范围为0°＜θ≤175°。

8、根据权利要求2所述的蘸粘式光纤液体分析方法的专用分析装置，其特征是：所述的光纤探头为有一根入射光纤和两根接收光纤组成的三光纤探头。

9、根据权利要求8所述的蘸粘式光纤液体分析方法的专用分析装置，其特征是：所述的三光纤探头的几何排列结构为：三根光纤排列成正三角结构，其中一根作为入射光纤，其他两根作为接收光纤，或者三根光纤排列成等腰直角三角形结构，45°角上的一根光纤为入射光纤；或者三根光纤排列成一条直线，中心为入射光纤。