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专利名称：光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种流体黏度测量装置。特别是涉及一种将光纤Bragg光栅测量与扭振式黏度测量相结合的光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置及方法。
背景技术：
流体的黏性是在流体微团间发生相对滑移时产生切向阻力的性质，是流体抵抗剪切变形的能力，且只有在相对运动的情况下才会表现出来。流体的黏度测定在许多工业部门和科学研究领域十分重要，特别是在医药、食品和化工等生产流程中需要准确测量，以提高产品的质量水平。但是，流体的黏度不能直接测量，它们的数值往往是通过测量与其有关的物理量，在进行计算得到的。目前，黏度测量最常用的方法有管流法、落球法、旋转法等， 但是传统的方法存在着离线分析实时性差、在线分析成本高、参数测量单一等缺陷。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种围绕流体黏度与光纤Bragg光栅感测振动参量之间的内在关系，通过建立测头感测参量与被测流体黏度关系式的方式，制作适用于传感的光纤Bragg光栅扭振式测量结构的光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置及方法。本发明所采用的技术方案是一种光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置，包括有测头壳体，位于最下面；从动套，下端垂直的固定在测头壳体的顶端；驱动轴，位于从动套的内部，底端垂直的固定在测头壳体的顶端；固定参考轴，位于驱动轴的内部，一端插入测头壳体的内部；延伸颈，下端连接在从动套的上端；法兰，固定连接在延伸颈的上端；壳体，固定连接在法兰上面，并位于中心部位；所述的位于从动套内部的驱动轴的另一端，依次贯穿延伸颈、法兰和壳体并位于壳体的顶部，所述的位于驱动轴内部的固定参考轴的另一端随驱动轴伸出壳体的顶端，所述的固定参考轴的内部设置有2条光纤，所述两条光纤的一端伸出固定参考轴的顶端与光纤Bragg光栅传感解调和信号处理系统连接，另一端伸出固定参考轴的底端连接位于测头壳体内的光纤Bragg光栅传感结构，所述的壳体内设置有驱动结构和与光纤Bragg光栅传感解调和信号处理系统连接的驱动线圈。所述的位于壳体内的驱动结构包括有悬梁，中心固定套在内部设置有固定参考轴的驱动轴的端部，所述的悬梁两侧对应的4个端面上分别嵌入有磁极片；所述的驱动线圈，设置有2对，通过支架固定在壳体内，并与所述的悬梁上的4个磁极片对应的设置，所述的2对驱动线圈与光纤Bragg光栅传感解调和信号处理系统连接。
所述的光纤Bragg光栅传感结构，包括有一端大一端小的等强度悬臂梁、第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅，其中，所述的等强度悬臂梁的大端固定连接在固定参考轴上，等强度悬臂梁的小端固定连接在测头壳体的内壁上；所述的第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅中的一个固定在等强度悬臂梁上，另一个固定在测头壳体的内壁上，并且，所述的第一光纤Bragg光栅和第二光纤Bragg光栅分别与所述的伸出固定参考轴底端的2条光纤对应相连。所述的光纤Bragg光栅传感解调和信号处理系统，包括有分别与2对驱动线圈相连的线圈驱动单元，与光纤Bragg光栅传感结构相连的光纤Bragg光栅解调单元，与光纤 Bragg光栅解调单元相连的采集处理单元，以及与采集处理单元相连的上位机，所述的采集处理单元还分别通过两路电压补偿电路连接2对驱动线圈。所述的线圈驱动单元包括有分别对应连接两对电磁线圈的两路电路，其中一路有依次串联的反向器X1A、反向器XlB和电阻R5，所述的反向器XlA的输入端连接单片机的信号输出端，所述的电阻R5的另一端连接光电耦合器U4，所述光电耦合器U4依次通过电位器R6、电阻R14、场效应管Ql连接两对电磁线圈中的一对；另一路有依次串连的反向器 XlC和电阻R4，所述的反向器XlC的输入端连接单片机的信号输出端，所述的电阻R4的另一端连接光电耦合器U5，所述光电耦合器U5依次通过电位器R7、电阻R15、场效应管Q2连接两对电磁线圈中的另一对。所述的光纤Bragg光栅解调单元包括有宽带光源，与宽带光源相连的第一耦合器，分别与第一耦合器的输出连接的两路信号，其中的一路信号是与第一耦合器的一路输出相连的第二耦合器，与第二耦合器相连的第三耦合器，所述的第二耦合器的一路输出连接第一光纤Bragg光栅，所述第三耦合器的一路输出依次通过第一长周期光纤光栅和第一光电探测器至第一电压比较电路，第三耦合器的另一路输出通过第二光电探测器至第一电压比较电路，所述的第一电压比较电路的输出构成第一解调信号进入采集处理单元；其中的另一路信号是与第一耦合器的另一路输出相连的第四耦合器，与第四耦合器相连的第五耦合器，所述的第四耦合器的一路输出连接第二光纤Bragg光栅，所述第五耦合器的一路输出依次通过第二长周期光纤光栅和第三光电探测器至第二电压比较电路，第五耦合器的另一路输出通过第四光电探测器至第二电压比较电路，所述的第二电压比较电路的输出构成第二解调信号进入采集处理单元；所述的第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器以及第一光电探测器和第二光纤Bragg光栅的另一端均连接匹配液。所述的采集处理单元包括有带通滤波电路、信号放大电路、A/D转换电路、单片机及D/A转换电路，其中，所述的带通滤波电路的输入端接收光纤Bragg光栅解调单元输出的两路解调信号，所述的单片机还与上位机连接，所述的D/A转换电路的输出分别连接两路电压补偿电路。一种用于光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置的计算方法，包括如下的计算步骤1)建立电参量与黏度之间的函数关系，从功率角度出发，当黏度计空载时，即当测头不浸入液体中时，由驱动电路部分驱动机械结构进行扭动，有= W1其中，U、I分别为加在驱动电路两端的电压和驱动电路中的电流，W1则是空载时驱动电路耗费的功率；2)当测头被浸入到液体中后，系统通过信号处理电路对驱动电压进行调整，电压发生了变化，假设增加的电压是Δυ，由此得到(U+AU)*I = W^ff2因此，有= W2因为电流也会发生变化，所以可将公式变形Δ U2/R = W2同时，由粘性液体剪切应力公式，可以得到η = Μ/4 31 hwf2其中，η是运动黏度，W1是测头的角速度，h是测头浸入液体的长度，r是测头的半径，M则是测头受到的阻力矩；τ = Μ/2 π hr2M = 4 π hwf2 η
权利要求
1.一种光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置，其特征在于，包括有测头壳体(1)，位于最下面；从动套(3)，下端垂直的固定在测头壳体(1)的顶端；驱动轴(10)，位于从动套(3)的内部，底端垂直的固定在测头壳体(1)的顶端；固定参考轴O)，位于驱动轴(10)的内部，一端插入测头壳体(1)的内部；延伸颈G)，下端连接在从动套(3)的上端；法兰(5)，固定连接在延伸颈的上端；壳体(6)，固定连接在法兰(5)上面，并位于中心部位；所述的位于从动套(3)内部的驱动轴(10)的另一端，依次贯穿延伸颈、法兰(5)和壳体(6)并位于壳体(6)的顶部，所述的位于驱动轴(10)内部的固定参考轴O)的另一端随驱动轴(10)伸出壳体(6)的顶端，所述的固定参考轴(2)的内部设置有2条光纤(8、9)， 所述两条光纤(8、9)的一端伸出固定参考轴( 的顶端与光纤Bragg光栅传感解调和信号处理系统连接，另一端伸出固定参考轴O)的底端连接位于测头壳体(1)内的光纤Bragg 光栅传感结构(18)，所述的壳体(6)内设置有驱动结构(17)和与光纤Bragg光栅传感解调和信号处理系统连接的驱动线圈(12)。
2.根据权利要求1所述的光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置，其特征在于，所述的位于壳体(6)内的驱动结构(17)包括有悬梁(7)，中心固定套在内部设置有固定参考轴O)的驱动轴(10)的端部，所述的悬梁(7)两侧对应的4个端面上分别嵌入有磁极片 (11)；所述的驱动线圈(12)，设置有2对，通过支架固定在壳体(6)内，并与所述的悬梁(7) 上的4个磁极片(11)对应的设置，所述的2对驱动线圈(1 与光纤Bragg光栅传感解调和信号处理系统连接。
3.根据权利要求1所述的光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置，其特征在于，所述的光纤Bragg光栅传感结构(18)，包括有一端大一端小的等强度悬臂梁(13)、第一光纤 Bragg光栅(14)和第二光纤Bragg光栅(15)，其中，所述的等强度悬臂梁(13)的大端固定连接在固定参考轴( 上，等强度悬臂梁(1 的小端固定连接在测头壳体(1)的内壁上； 所述的第一光纤Bragg光栅(14)和第二光纤Bragg光栅(1 中的一个固定在等强度悬臂梁(1 上，另一个固定在测头壳体(1)的内壁上，并且，所述的第一光纤Bragg光栅(14) 和第二光纤Bragg光栅(15)分别与所述的伸出固定参考轴(2)底端的2条光纤(8、9)对应相连。
4.根据权利要求1所述的光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置，其特征在于，所述的光纤Bragg光栅传感解调和信号处理系统，包括有分别与2对驱动线圈(12)相连的线圈驱动单元(16)，与光纤Bragg光栅传感结构(18)相连的光纤Bragg光栅解调单元(20)， 与光纤Bragg光栅解调单元00)相连的采集处理单元(23)，以及与采集处理单元Q3)相连的上位机(22)，所述的采集处理单元还分别通过两路电压补偿电路(19、21)连接2 对驱动线圈(12)。
5.根据权利要求4所述的光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置，其特征在于，所述的线圈驱动单元(16)包括有分别对应连接两对电磁线圈(1 的两路电路，其中一路有 依次串联的反向器X1A、反向器XlB和电阻R5，所述的反向器XlA的输入端连接单片机的信号输出端，所述的电阻R5的另一端连接光电耦合器U4，所述光电耦合器U4依次通过电位器R6、电阻R14、场效应管Ql连接两对电磁线圈(12)中的一对；另一路有依次串连的反向器 XlC和电阻R4，所述的反向器XlC的输入端连接单片机的信号输出端，所述的电阻R4的另一端连接光电耦合器U5，所述光电耦合器U5依次通过电位器R7、电阻R15、场效应管Q2连接两对电磁线圈(12)中的另一对。
6.根据权利要求4所述的光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置，其特征在于，所述的光纤Bragg光栅解调单元00)包括有宽带光源(M)，与宽带光源04)相连的第一耦合器(25)，分别与第一耦合器0 的输出连接的两路信号，其中的一路信号是与第一耦合器0 的一路输出相连的第二耦合器(26)，与第二耦合器06)相连的第三耦合器(27)， 所述的第二耦合器06)的一路输出连接第一光纤Bragg光栅(14)，所述第三耦合器(JT) 的一路输出依次通过第一长周期光纤光栅(30)和第一光电探测器(3 至第一电压比较电路(36)，第三耦合器(XT)的另一路输出通过第二光电探测器(3 至第一电压比较电路 (36)，所述的第一电压比较电路(36)的输出构成第一解调信号进入采集处理单元；其中的另一路信号是与第一耦合器0 的另一路输出相连的第四耦合器( )，与第四耦合器08)相连的第五耦合器( )，所述的第四耦合器08)的一路输出连接第二光纤Bragg 光栅(15)，所述第五耦合器09)的一路输出依次通过第二长周期光纤光栅(31)和第三光电探测器(34)至第二电压比较电路(37)，第五耦合器09)的另一路输出通过第四光电探测器(3 至第二电压比较电路(37)，所述的第二电压比较电路(37)的输出构成第二解调信号进入采集处理单元；所述的第一耦合器0 、第二耦合器06)、第三耦合器(XT)、 第四耦合器( )、第五耦合器09)以及第一光电探测器(3 和第二光纤Bragg光栅(15) 的另一端均连接匹配液。
7.根据权利要求4所述的光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置，其特征在于，所述的采集处理单元包括有带通滤波电路(40)、信号放大电路Gl)、A/D转换电路(42)、 单片机^幻及D/A转换电路(43)，其中，所述的带通滤波电路00)的输入端接收光纤 Bragg光栅解调单元00)输出的两路解调信号，所述的单片机还与上位机0 连接， 所述的D/A转换电路03)的输出分别连接两路电压补偿电路(19、21)。
8.一种用于权利要求1所述的光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置的计算方法， 其特征在于，包括如下的计算步骤1)建立电参量与黏度之间的函数关系，从功率角度出发，当黏度计空载时，即当测头不浸入液体中时，由驱动电路部分驱动机械结构进行扭动，有U*I = W1其中，U、I分别为加在驱动电路两端的电压和驱动电路中的电流，W1则是空载时驱动电路耗费的功率；2)当测头被浸入到液体中后，系统通过信号处理电路对驱动电压进行调整，电压发生了变化，假设增加的电压是Δυ，由此得到(U+AU)*I = W^ff2因此，有Δ U* I = W2因为电流也会发生变化，所以可将公式变形Δ U2/R = W2同时，由粘性液体剪切应力公式，可以得到 η = M/4 Tl IiVI1T2其中，η是运动黏度，W1是测头的角速度，h是测头浸入液体的长度，r是测头的半径， M则是测头受到的阻力矩； τ = Μ/2 π hr2 M = 4 π hwf2 n 测头的扭振幅度=AU2*T/RT为振动周期 3)当液体开始流动时，根据伯努利方程，物体所受的绕流阻力如下式 Fd = CdPVIAP指液体的密度，G指液体的流速，A指物体在垂直于来流方向的截面积 Cd则是一个无量纲系数，其具体和物体的形状和液体的雷诺数有关， 当液体的雷诺数处于低雷诺数区时，有 CD = 24/Re 因此，有FXS+FDX2Jir = AU2XT/R由此，可修改黏度和电压变化量之间的关系式
全文摘要
一种光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置，测头壳体，位于最下面；从动套，下端垂直的固定在测头壳体的顶端；驱动轴，位于从动套的内部，底端垂直的固定在测头壳体的顶端；固定参考轴，位于驱动轴的内部，一端插入测头壳体的内部；延伸颈，下端连接在从动套的上端；法兰，固定连接在延伸颈的上端；壳体，固定连接在法兰上面；用于光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置的计算方法，建立电参量与黏度之间的函数关系；当测头被浸入到液体中后，系统通过信号处理电路对驱动电压进行调整；当液体开始流动时，根据伯努利方程求物体所受的绕流阻力。本发明适合应用振动测量流体粘度，有效直接地得到测头幅度的变化，可以实现高精度的流体黏度的在线测量。
文档编号G01N11/16GK102175577SQ20111003518
公开日2011年9月7日 申请日期2011年2月9日 优先权日2011年2月9日
发明者宋乐, 林玉池, 赵美蓉, 黄银国, 齐永岳 申请人:天津大学