CN114813469B - 基于光纤级联微通道结构的液体粘度测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于光纤级联微通道结构的液体粘度测量装置及测量方法，属于液体的粘度测量领域，包括：光源、光纤环形器、光纤级联微通道结构、光谱解调模块、数据采集模块、计算机终端，其中光纤级联微通道结构由两端的单模光纤、两段非对称边孔光纤，以及侧面打磨的空芯光纤熔接而成，并且在非对称边孔光纤纤芯上写入长光栅或弱光栅阵列。进行液体粘度测量时，在侧面打磨的空芯光纤中滴入微量待测液体，利用光栅光谱对边孔光纤微通道中液体流动状态的敏感性，实时获取液体在表面张力驱动下的流动信息，计算出液体的粘度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光纤级联微通道结构的液体粘度测量装置及测量方法，属于液体的粘度测量领域。
背景技术
粘度作为液体的重要特性参数之一，其准确的测定在医学、石油化工、冶金、食品等领域具有重要意义，尤其是在医学领域，血液粘度作为血液流变学的主要参数，可以为心脑血管疾病诊断、治疗和预防提供重要依据。液体所需量也是评价粘度测量方法的重要指标，所需量越少其适用价值更高，尤其是可以有效减少病人的血液采集量。为了解决液体粘度测量样品微量化的问题，近年来涌现出了许多微量粘度计方面的研究，主要可分为微落体粘度计 [Kim W J,Kim S,Huh C,et al.A novel hand-held viscometer applicablefor point-of-care[J]. Sensors and Actuators B:Chemical,2016,234:239-246.]、微旋转粘度计[Parkin S J,
G, Nieminen T A,et al.Picoliter viscometry usingoptically rotated particles[J].Physical Review E, 2007,76(4):041507.]、微振动粘度计[Sánchez A M,Prieto R,Laso M,et al.A piezoelectric minirheometer formeasuring the viscosity of polymer microsamples[J].IEEE Transactions onIndustrial Electronics,2008,55(1):427-436.]、微毛细管粘度计[Chou T C,Lee J,Hsiai T K,et al. A vacuum capillary viscometer that measures the viscosity ofbiofluids[C]//2017 19th International Conference on Solid-State Sensors,Actuators and Microsystems(TRANSDUCERS).IEEE,2017: 1547-1550.]，还包括一系列新兴技术包括光镊微控制技术、微机电系统、粒子图像测速技术、微流控技术和光纤传感技术[Sarma P,Singh H K,Bezboruah T.Fiber Optic Capillary Flow Viscometer[J].IEEESensors Letters,2018,3(2):1-4.]、[Gomes A D,Kobelke J,Bierlich J,et al.Optical Fiber Probe Viscometer Based on Hollow Capillary Tube[J].Journal ofLightwave Technology,2019,37(18):4456-4461.]应用到传统的粘度测量方法中。其中微落体式粘度计的优点在于可以密封，适合挥发性液体的检测，但是也具有难以获取剪切速率和剪切力的缺点；微旋转式粘度计的优点是切变率范围大，缺点是可控性和稳定性较差，因此带来测量精度较低；微振动粘度计的优点是可实现连续测量，但是缺点是对待测液体性质要求严苛，只适用于均匀单一液体；微毛细管粘度计一般具有微量、快速、准确度高、操作简便等特点，非常符合新型微量粘度计的发展趋势，但是依托光纤结构的微毛细管粘度计相关研究工作并不多，尚未发挥光纤传感器高灵敏度、多参量、高集成化、可分布式的优势。本发明针对现有技术的不足，提出一种基于光纤级联结构的新型微量液体粘度测量装置，可以实现测量过程中的温度变化误差修正，实现纳升量级的液体粘度测量。
发明内容
本发明的目的在于针对微量液体粘度测量需求，提出一种边孔光纤和空芯光纤级联的新型微通道结构，利用光栅谱作为传感信号获取多参量，克服了传统方法测量液体粘度时因样品量小，热容量小，而对温度扰动敏感，误差较大不能有效修正的问题。
本发明的目的是这样实现的：包括光源1、光纤环形器2、光纤级联微通道结构、光谱解调模块4、数据采集模块5、计算机终端6，光纤级联微通道结构由单模光纤31、侧面挖孔的非对称边孔光纤32、非对称边孔光纤33、侧面打磨的空芯光纤34、末端单模光纤35五个部分依次熔接而成，并且两段非对称边孔光纤32、33纤芯上写入光栅；侧面挖孔的非对称边孔光纤32的侧面挖有孔且与外界空气相通，侧面打磨的空芯光纤34中液体可流向半封闭的上侧微通道和与外界相通的下侧微通道。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.侧面挖孔的非对称边孔光纤32和非对称边孔光纤33熔接时需控制光纤轴向角度偏转，保证两者相差180度。非对称边孔光纤的尺寸参数也要保证熔接后两段的双微通道均相通。
2.非对称边孔光纤33纤芯上写入的光栅是一个长光栅，侧面打磨的空芯光纤34纤芯上写入的光栅可以是一个长光栅或弱光栅阵列。
3.一种应用基于光纤级联微通道结构的液体粘度测量装置的测量方法，步骤如下：
步骤一：启动光源1、光谱解调模块4、数据采集模块5、计算机终端6，开始实时检测光谱并记录保存，未加入液体时侧面挖孔的非对称边孔光纤32区域对应的光栅谱I032(λ)，非对称边孔光纤33区域对应的光栅谱I033(λ)；
步骤二：在侧面打磨的空芯光纤34中滴入待测液体，待测液体流入两个微通道，上侧微通道内液体在内部气压、表面张力作用下逐渐稳定，此时非对称边孔光纤33区域对应的光栅谱稳定I133(λ)；下侧微通道内液体在表面张力作用下流动直至从侧面挖孔处流出，此时侧面挖孔的非对称边孔光纤32区域对应的光栅谱稳定，光栅谱连续变化的时间即为液体流动时间 t；
步骤三：根据步骤二中光栅谱I133(λ)和步骤一光栅谱I033(λ)对比，求出上侧微通道内液面位置，结合理想气体状态方程，计算出上侧微通道内气压P1，液体平衡则液体表面张力Pα与气压P1相等；
步骤四：根据步骤二中的液体流动时间t即可求出液体流速，结合步骤三种的液体表面张力和泊肃叶定律即可计算出液体的粘度μ。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明创新性提出了一种光纤级联微通道结构，利用两段非对称边孔光纤光栅熔接构成双通道，有效避免粘度测试过程中不同传感信号之间的串扰；依赖于光纤级联微通道的微尺寸优势，待测液体所需量极小，最低可达纳升量级；利用光栅的温度敏感性提供测量过程中的温度参量，为温度扰动误差修正和建立液体粘度的温度依赖性提供有力参考。
附图说明
图1是非对称边孔光纤横截面示意图；
图2是边孔光纤微通道中流入液体前后示意图和的长光栅光谱示意图；
图3是边孔光纤上通道气压平衡状态示意图；
图4是基于弱光栅阵列的分布式流速测量示意图和单个弱光栅光谱图；
图5是基于扫频光源解调的时间域流速测量数据示意图；
图6是本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
一种基于光纤级联微通道结构的液体粘度测量装置由光源1、光纤环形器2、光纤级联微通道结构、光谱解调模块4、数据采集模块5、计算机终端6，以及连接用的单模光纤和电路所组成，其中光纤环形器2可以替换为光纤耦合器，光谱解调模块4和数据采集模块5能够实时获取光栅光谱。光纤级联微通道结构由单模光纤31、侧面挖孔的非对称边孔光纤32、非对称边孔光纤33、侧面打磨的空芯光纤34、末端单模光纤35五个部分依次熔接而成，并且两段非对称边孔光纤32、33纤芯上写入长光栅，熔接时保证微通道空气孔不塌陷。利用微加工技术在非对称边孔光纤32侧面挖孔，孔的直径与边孔光纤内部微通道空气孔直径相同，并且使得微通道与外界空气相通。侧面挖孔的非对称边孔光纤32和非对称边孔光纤33熔接时需控制光纤轴向角度偏转，保证两者相差180度。非对称边孔光纤的尺寸参数也要保证熔接后两段的双微通道均相通。侧面打磨的空芯光纤34起到微型液池的作用，其中液体可流向半封闭的上侧微通道和与外界相通的下侧微通道。
非对称边孔光纤33纤芯上写入的光栅是一个长光栅，侧面打磨的空芯光纤34纤芯上写入的光栅可以是一个长光栅，也可以是弱光栅阵列，两种设计匹配相应的解调方案，均可以实现微通道内液体流速的测量。
进行液体的粘度测量步骤如下：
步骤一：启动光源1、光谱解调模块4、数据采集模块5、计算机终端6，开始实时检测光谱并记录保存，未加入液体时侧面挖孔的非对称边孔光纤32区域对应的光栅谱I032(λ)，非对称边孔光纤33区域对应的光栅谱I033(λ)。
步骤二：在侧面打磨的空芯光纤34中滴入待测液体，待测液体流入两个微通道，上侧微通道内液体在内部气压、表面张力作用下逐渐稳定，此时非对称边孔光纤33区域对应的光栅谱稳定I133(λ)；下侧微通道内液体在表面张力的作用下流动直至从侧面挖孔处流出，此时侧面挖孔的非对称边孔光纤32区域对应的光栅谱稳定，光栅谱连续变化的时间即为液体流动时间t。
步骤三：根据步骤二中光栅谱I133(λ)和步骤一光栅谱I033(λ)对比，可以求出上侧微通道内液面位置，结合理想气体状态方程，可以计算出上侧微通道内气压P1，液体平衡则液体表面张力Pα与气压P1相等。
步骤四：根据步骤二中的液体流动时间t即可求出液体流速，结合步骤三种的液体表面张力和泊肃叶定律即可计算出液体的粘度μ。
对光栅光谱的连续检测，得到时间域的光谱分布，可以计算出液体流经微通道时的流速分布。
边孔光纤作为主要的液体粘度测量传感部分，纤芯两侧的边孔呈现非对称结构，截面如图1所示，包括包层331、纤芯332、远离纤芯的微通道空气孔333和靠近纤芯的微通道空气孔334。其中靠近纤芯的微通道空气孔334中流入液体会对纤芯中的传光造成影响，当纤芯 332上写入长光栅时，液体的流入会导致光栅谱的变化，如图2所示。具体原理为：当在表面张力作用驱动下液体进入到光纤内部时，光纤纤芯模的有效折射率将随之变化，进而会导致光栅中心波长的变化。当光栅被部分浸没时，由于纤芯有效折射率的差别，原有光栅被一分为二，二者的长度比由微通道内液位所决定，两个光栅反射强度可以反映通道内液位，即IB和IC大小相等时(IB对应剩余空气部分，IC对应液体浸没部分)，液位处于正中央；液位位置与IC-IB成线性关系，设定其线性系数为k(初始标定可得到较为准确的k值)，则如图3微通道中液体浸没部分长度
此外，在图2中A和B两个谱峰中心波长的偏移，代表了进行测量过程中，外界扰动或液体自身温度引入的温度变化，这个温度变化会对后续测量引入干扰，而这里通过λB-λA的数值定量，即可准确获取温度信息，便于整个装置的导热性分析以及液体粘度与温度的准确相关性。
微通道处于半封闭状态下，微通道内气体压力与表面张力平衡，微通道内的气体压力可以通过理想气体状态方程求得，即PV＝nRT。其中P表示压强，V表示所分析气体对象的体积，n是物质的量，R是气体常数，T是绝对温度，半封闭状态下液体流入微通道的前后，微通道中的气体量不变，气体常数不变，温度不变，即压强与体积成反比，则微通道内气压
其中P0是实验环境外界大气压，数值已知。因为该转态下液体表面张力Pα和微通道内气压P1平衡，Pα＝P1，鉴于上下两个微通道尺寸参数相同，所以下通道液体流动的驱动力也就知道了。
在组成如图6所示的级联结构时，分为侧面挖孔的非对称边孔光纤32和非对称边孔光纤 33两段光栅区域，这两者在写入时对应的中心波长不同且偏离较大，保证测量过程中两者不会造成部分重叠，避免难于解调分析光谱，后者光谱用于获取液体流动驱动力，而前者光谱则用于获取液体流速信息。两者尺寸参数相同，并且其中一段绕轴旋转180度后，相熔接时能够满足微通道能够连通，这也跟熔接时的熔接机参数设定有关，需保证熔接时微通道空气孔不会塌陷。侧面挖孔的非对称边孔光纤32对应光栅不的实时解调采集，获取得到液体流动过程的时间相关量，得到液体流经微通道的时间t，那么根据泊肃叶定律可以求得液体的粘度为
其中r是边孔光纤微通道的半径，L是侧面挖孔的非对称边孔光纤32段长度， Vt表示该时间内液体流过的体积，也就是侧面挖孔的非对称边孔光纤32下侧微通道的体积。
对于侧面挖孔的非对称边孔光纤32区域，也可以均匀写入弱光栅阵列，如图4所示。采用这种方案的流速测量原理与长光栅的方案有所不同，液体流经某个弱光栅位置，就会改变该单个光栅的光谱中心波长，由λM变为λN。在侧面挖孔的非对称边孔光纤32整个区域内，每个弱光栅对应的中心波长相同即可，便于光栅写入的制作成本(不必制作多个不同的相位掩模板)。利用扫频光源，基于OFDR的分布式测量原理，可以对侧面挖孔的非对称边孔光纤 32区域所有的弱光栅进行精确定位，随着液体流动，时间域测量数据的采集结果如图5所示，某个区域的流速即为该区域2-3段光栅长度(ΔL)除以波长变化对应的时间量(Δt)。值得注意的是，这里的分布式测量空间分辨率，取决于弱光栅阵列中单个弱光栅的长度，即单个光栅越短，空间分辨率越高。相比于图2所示采用的长光栅的流速测量方案，采用弱光栅阵列的方案可以测出侧面挖孔的非对称边孔光纤32区域液体流速变化情况，配合微通道的尺寸效应分析，可以更加准确的获取待测液体粘度。
综上，本发明属于液体的粘度测量领域，具体涉及一种基于光纤级联微通道结构的液体粘度测量装置及测量方法。液体粘度测量装置包括：光源、光纤环形器、光纤级联微通道结构、光谱解调模块、数据采集模块、计算机终端，其中光纤级联微通道结构由两端的单模光纤、两段非对称边孔光纤，以及侧面打磨的空芯光纤熔接而成，并且在非对称边孔光纤纤芯上写入长光栅或弱光栅阵列。进行液体粘度测量时，在侧面打磨的空芯光纤中滴入微量待测液体，利用光栅光谱对边孔光纤微通道中液体流动状态的敏感性，实时获取液体在表面张力驱动下的流动信息，计算出液体的粘度。
Claims (3)
1.一种基于光纤级联微通道结构的液体粘度测量装置，其特征在于：包括光源(1)、光纤环形器(2)、光纤级联微通道结构、光谱解调模块(4)、数据采集模块(5)、计算机终端(6)，光纤级联微通道结构由单模光纤(31)、侧面挖孔的非对称边孔光纤(32)、非对称边孔光纤(33)、侧面打磨的空芯光纤(34)、末端单模光纤(35)五个部分依次熔接而成，并且两段非对称边孔光纤(32、33)纤芯上写入光栅；侧面挖孔的非对称边孔光纤(32)的侧面挖有孔且与外界空气相通，侧面打磨的空芯光纤(34)中液体可流向半封闭的上侧微通道和与外界相通的下侧微通道；侧面挖孔的非对称边孔光纤(32)和非对称边孔光纤(33)熔接时需控制光纤轴向角度偏转，保证两者相差180度；非对称边孔光纤的尺寸参数也要保证熔接后两段的双微通道均相通。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤级联微通道结构的液体粘度测量装置，其特征在于：非对称边孔光纤(33)纤芯上写入的光栅是一个长光栅，侧面打磨的空芯光纤(34)纤芯上写入的光栅是一个长光栅或弱光栅阵列。
3.一种应用权利要求1或2所述的基于光纤级联微通道结构的液体粘度测量装置的测量方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：启动光源(1)、光谱解调模块(4)、数据采集模块(5)、计算机终端(6)，开始实时检测光谱并记录保存，未加入液体时侧面挖孔的非对称边孔光纤(32)区域对应的光栅谱I032(λ)，非对称边孔光纤(33)区域对应的光栅谱I033(λ)；
步骤二：在侧面打磨的空芯光纤(34)中滴入待测液体，待测液体流入两个微通道，上侧微通道内液体在内部气压、表面张力作用下逐渐稳定，此时非对称边孔光纤(33)区域对应的光栅谱稳定I133(λ)；下侧微通道内液体在表面张力作用下流动直至从侧面挖孔处流出，此时侧面挖孔的非对称边孔光纤(32)区域对应的光栅谱稳定，光栅谱连续变化的时间即为液体流动时间t；
步骤三：根据步骤二中光栅谱I133(λ)和步骤一光栅谱I033(λ)对比，求出上侧微通道内液面位置，结合理想气体状态方程，计算出上侧微通道内气压P1，液体平衡则液体表面张力Pα与气压P1相等；液位位置与IC-IB成线性关系，设定其线性系数为k，微通道中液体浸没部分长度
其中P0是实验环境外界大气压，IB对应剩余空气部分，IC对应液体浸没部分，L1侧面挖孔的非对称边孔光纤段长度；
步骤四：根据步骤二中的液体流动时间t即可求出液体流速，结合步骤三中的液体表面张力和泊肃叶定律即可计算出液体的粘度μ。
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