CN103926175A - 基于光纤fp腔的液体表面张力系数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于光纤FP腔的液体表面张力系数测量装置，采用中心波长为1550nm的宽光谱作为测量用光源，利用单模空芯光纤作为FP腔，被测液体在毛细作用下进入空芯光纤，改变了空芯光纤空气腔也即FP腔的长度，导致输出光干涉条纹发生变化，通过监测该变化可以获得被测液体表面张力系数。本发明的优点在于：利用光的干涉条纹变化就能准确测量液体表面张力系数，测量精度高、结构简单、使用方便，避免了传统测量方法中由于个体操作的差异导致的精度低、可控性差等缺点。该方法适用于科研、医学等需快速、准确测量液体表面张力系数的场合。

Description

基于光纤FP腔的液体表面张力系数测量装置

技术领域

本发明属于液体表面参数测量领域，具体为一种能够测量液体表面张力系数的测量装置。

技术背景

液体表面张力决定了液态物质的流动能力和特性，是微观毛细管内液态物质入侵固态物质的动力来源，长期以来受到国内外流体材料领域研究学者的高度关注。传统的液体表面张力系数测量方法有拉脱法挂环法、滴重法、毛细管升高法等，这些方法，由于测量中间参数的可控性差以及人工参与的个体操作差异等问题，导致测量速度慢、精度低，无法满足应用领域的需求。近年来，随着光纤传感技术的快速发展，基于光纤技术在液体表面张力测量方面的应用也得到关注，利用光纤传感技术实现液体表面张力系数的非接触测量，具有实时、快速、高精度等优点。有研究者利用被测液体表面的毛细波结合自由空间光干涉原理实现液体表面张力系数的测量，但该方法计算量大，且受测量环境等方面的影响，测量结果精度不高，可靠性低。

本发明采用光纤布拉格光栅和空芯光纤作为液体表面张力系数测量传感头，采用中心波长为1550nm的宽谱光源作为测量用光源，当被测液体在毛细作用下进入空芯光纤后，改变了空芯光纤空气腔也即FP腔的长度，导致输出光干涉条纹间距发生变化，监测该变化就可以获得被测液体表面张力系数。该测量方法仅通过检测光的干涉条纹变化就可以获得被测量，避免了传统测量时中间变量可控性差的缺点，具有测量精度高、结构简单、测量方便等优点。

发明内容

本发明的目的是提出一种结构简单、测量精度高的光纤液体表面张力系数测量装置。

本发明的技术解决方案如下：

基于光纤FP腔的液体表面张力系数测量装置，其特征是包括宽谱光源、光环行器、由光纤布拉格光栅和空芯光纤组成的液体表面张力测量传感头、光谱分析仪。光环行器具有三个端口，其中输入端口与宽谱光源相连，输出端口与光纤布拉格光栅的任意一端相连，反射端口与光谱分析仪相连，光纤布拉格光栅的另一端口与空芯光纤的任意一端相连。

本发明中，所提及的宽谱光源的工作波长为1530nm-1570nm；所提及的液体表面张力测量传感头由光纤布拉格光栅和空芯光纤组成，其中空芯光纤的长度为1mm-10mm。

本发明的有益效果在于：

本发明的基于光纤FP腔的液体表面张力系数测量装置，适用于测量液体的表面张力系数，仅通过光的干涉条纹变化量就能准确获得液体表面张力系数，测量精度高、结构简单、使用方便，避免了传统测量方法中由于个体操作的差异导致的精度低、可控性差等缺点。

附图说明

图1是基于光纤FP腔的液体表面张力系数测量装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步描述。

参见图1所示，光纤FP腔液体表面张力系数测量装置包括宽谱光源1、光环行器2、由光纤布拉格光栅3和空芯光纤4组成的液体表面张力测量传感头，光谱分析仪5。光环行器2具有三个端口，其中输入端口与宽谱光源1相连，输出端口与光纤布拉格光栅3的任意一端相连，反射端口与光谱分析仪5相连，光纤布拉格光栅3的另一端口与空芯光纤4的任意一端相连。

上述的宽谱光源的工作波长为1530nm-1570nm；液体表面张力测量传感头，由光纤布拉格光栅3和空芯光纤4组成，其中空芯光纤4的长度为1mm-10mm。

本发明基于以下原理：

将待测液体滴在置于可移动平台的玻片上，调节移动平台，使液面接触垂直放置的传感头，毛细作用使液面进入空芯光纤的空气孔中，进入的程度跟被测液体的表面张力系数有关。液体的表面张力系数γ可表示为：

$\mathrm{\γ}=\frac{F}{s}=\frac{\mathrm{mg}+F_p}{s}---\left(1\right)$

式中F为液体表面张力，s为上升液面的周长，m为进入空芯光纤内液体的质量，g为重力加速度，F_p为FP腔内空气对液面的压力。理论研究可知F_p>>mg，因此公式(1)可简化为

$\mathrm{\γ}=\frac{F_p}{s}=\frac{L_0{P}_0}{L}\·\frac{1}{2{\mathrm{\π}}^2{r}^3}---\left(2\right)$

式中P₀为外界大气压强，L、L₀分别为空气腔(FP腔)的长度和空芯光纤的长度，r为空心光纤纤芯半径。

当测量光通过FP腔后，其干涉条纹的间距△λ与空气腔长L的关系可表示为：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{nL}}---\left(3\right)$

式中λ为测量光的中心波长，n为空芯光纤内气体折射率，此处腔内为空气，因此n=1。

结合式(2)和式(3)可得液体表面张力系数与干涉条纹间距的关系可表示如下：

$\mathrm{\γ}=\frac{L_0{P}_0}{{\mathrm{\λ}}^2{\mathrm{\π}}^2{r}^3}\·\mathrm{\Δ\λ}---\left(4\right)$

式中L₀、P₀、λ、r均为已知量，且不随被测液体的变化而变化，测量时，通过观察传感头与不同被测液体接触后导致的光谱分析仪中干涉条纹的变化，即可测得液体表面张力系数γ。

Claims (3)

1.基于光纤FP腔的液体表面张力系数测量装置，其特征是包括宽谱光源(1)、光环行器(2)、由光纤布拉格光栅(3)和空芯光纤(4)组成的液体表面张力系数测量传感头，光谱分析仪(5)。光环行器(2)具有三个端口，其中输入端口与宽谱光源(1)相连，输出端口与光纤布拉格光栅(3)的任意一端相连，反射端口与光谱分析仪(5)相连，光纤布拉格光栅(3)的另一端口与空芯光纤(4)的任意一端相连。

2.根据权利要求书1所述的基于光纤FP腔的液体表面张力系数测量装置，其特征是宽谱光源(1)的工作波长为1530nm-1570nm。

3.根据权利要求书1所述的基于光纤FP腔的液体表面张力系数测量装置，其特征是液体表面张力系数测量传感头由光纤布拉格光栅(3)和空芯光纤(4)组成，其中空芯光纤(4)的长度为1mm-10mm。