空心柱体式光纤Bragg光栅外旋式同轴圆筒粘度计

摘要

本发明提供了一种空心柱体式光纤Bragg光栅外旋式同轴圆筒粘度计，包括测扭光栅，温度补偿光栅，弹性空心柱体，L形温度补偿片，定子及由光谱分析仪、ASE光源、耦合器、光纤组成的粘度仪测量系统。在弹性空心柱体的内壁上粘贴测扭光栅和L形温度补偿片，补偿片长边上粘贴温度补偿光栅。测量所得数值根据测扭光栅和温度补偿光栅对扭矩和温度敏感差异，采用差动运算实现对温度波动干扰扭矩测量的补偿，从而实现对扭矩的精确测量。光纤一端通过耦合器分别连接到光谱分析仪和ASE光源上，另一端与光纤Bragg光栅连接。ASE光源发出宽谱激光进入光纤Bragg光栅，分析仪内嵌式计算机将波长移位通过运算得出粘度值直接读出。本传感器可用于测定各种流体的粘度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种空心柱体式光纤Bragg光栅外旋式同轴圆筒粘度计，属光电子测量技术领域。

背景技术

粘度是指液体受外力作用移动时，分子间产生的内磨擦力的量度。目前，常用于测量粘度的应变式传感器是通过测量各种弹性元件的应变(扭矩)来间接测量粘度的传感器，弹性元件一般有片状，棒状，丝状以及盘状等。如王晓波，吴江涛，刘志刚等人发表的论文“振动盘粘度计的改进及R152a气相粘度实验研究”[《西安交通大学学报》，2008，42(11)]，文中的弹性元件是扭丝，材料是钛镍合金丝。由于独特的电绝缘性赋予光纤Bragg光栅粘度计的抗电磁干扰能力(EMI)和在易燃易爆场合的本征安全性，基于光纤Bragg光栅的粘度测量方案将会发展迅速。张伟刚，开桂云，赵启大，袁树忠，董孝义等人的论文“免受温度影响的光纤光栅线性扭转传感器”，[《中国激光》，2003，30(1)]将光纤光栅应用于扭转传感器，该文以有机材料的实心棒和空心棒粘合后，作为扭转传感器的应变棒，但该文仅至对扭矩测量的研究为止，并未进一步对液体的粘度进行测量；且由于其文章中介绍的测扭光栅直接粘贴在弹性空心柱体的外壁，故容易受到损坏，存在封装保护的问题，又由于其用单光栅实现免受温度影响的扭转传感测量，而扭梁界线两侧并非完全刚性粘接，致使粘贴该处的光纤Bragg光栅应变是非阶跃而呈连续变化，在实心梁与空心梁界线两侧应变分布的差异不可避免的会导致双峰，区域重合，从而造成两个峰之间存在一定的光反射分布，造成二峰值强度不等，没有完全消除外界温度变化带来的波长移位(存在测量误差)，在测量中存在盲点，难以分辨(即测量误差难以消除)。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种不仅能有效地避免光纤光栅受到温度的影响而导致测量数值产生偏差、且光栅不易受到损坏，测量中不会产生盲点，能够较精确地测量流体粘度的光纤Bragg光栅外旋式同轴圆筒粘度计。

本发明的目的是这样实现的：空心柱体式光纤Bragg光栅外旋式同轴圆筒粘度计，不仅包括测扭光栅6、弹性空心柱体5，还包括温度补偿光栅7、L形温度补偿片8、定子10及由光谱分析仪13、ASE光源14、耦合器15、光纤16组成的粘度仪测量系统。弹性空心柱体5与定子10刚性连接，在弹性空心柱体5的内壁上沿轴向粘贴测扭光栅6，还粘贴有一材质与空心柱体材质相同的L形温度补偿片8，其粘贴方式为：L形温度补偿片8的短边的端头粘贴在弹性空心柱体5的内壁上，L形温度补偿片8的长边与弹性空心柱体5轴向平行，在L形温度补偿片8的长边上粘贴温度补偿光栅7；光纤16一端通过耦合器15分别连接到光谱分析仪13和ASE光源14上，另一端与光纤Bragg光栅连接。

本发明的目的还可以这样实现：为了能双向测量扭矩，将测扭光栅6与梁轴线成小于15度的β角粘接于弹性空心柱体5的内壁上。

本粘度计的测量原理是：作为敏感元件的弹性空心柱体5通过定子10受到旋转液体的扭矩，弹性空心柱体将流体的扭矩转换为被传感元件调制的Bragg波长移位。首先由ASE光源14发出宽谱激光进入光纤Bragg光栅，当波长满足Bragg条件的光(即波长与光纤Bragg光栅的Bragg波长相匹配的光)被反射后经耦合器15进入光谱分析仪13获取波长移位值，再由分析仪内嵌式计算机将波长移位通过运算得出粘度值直接读出。此外，在弹性空心柱体5内壁上固定的L型温度补偿片8与弹性空心柱体材质相同，粘贴在温度补偿片上的温度补偿光栅7仅受温度的影响，可直接提供空腔内的温度值，从而为测扭传感光栅1提供温度补偿数据。根据测扭传感光栅和温度补偿光栅对扭矩和温度敏感差异，采用差动运算实现对温度波动干扰压力测量的补偿，从而实现对扭矩的测量，最终得到流体粘度的测量。

本发明的有益效果是：1，测扭光栅6，温度补偿光栅7均粘贴在弹性空心柱体5的内壁，容易封装保护，光栅不会受到损坏；2，由于在弹性空心柱体5内壁增加了一片L形补偿片4，彻底消除了扭矩对温度补偿光栅7的干扰，实现了温度补偿光栅7对温度的单一参量测量，进而为扭矩(粘度)测量提供了关键的温度修正数据，采用双光栅温度补偿结构可以完全消除由于外界温度变化带来的波长漂移，测量精确，克服了单光栅免受温度影响波长漂移的问题，消除了测量误差。3，本粘度计可以直接由测量系统(见附图2)读出粘度值，即作为敏感元件的弹性空心柱体3通过定子5受到旋转液体的扭矩，弹性空心柱体将流体的扭矩转换为被传感元件调制的Bragg波长移位，通过测量系统二次仪表直接读出了液体粘度值。

本传感器测量流量的数学模型如下：

当定子与流体环境接触，并发生相对旋转时，定子受到液体的旋转力矩，并传递给弹性空心柱体，弹性空心柱体受到的流体扭矩见图3所示。

直径为d的圆柱体表面应变公式：

${ϵ}_1=\frac{\mathrm{dM}}{2G{I}_p}---\left(1\right)$

为了能双向测量扭矩，将测扭光栅6与弹性空心柱体5的轴线成不大于15°的角度β粘接于弹性空心柱体5的内壁上。于是，在扭角不大(角度在±30°范围内)的条件下，测扭光栅6的应变ε₂表示为：

${ϵ}_2=\frac{1}{2}·{ϵ}_1·\sin 2\beta ---\left(2\right)$

将(2)式代入到均匀轴向应变引起测扭光栅6波长移位的纵向应变灵敏度公式得：

$\frac{\Delta {\lambda }_B}{{\lambda }_B}=S_{ϵ}·{ϵ}_2=S_{ϵ}·\frac{1}{2}·{ϵ}_1·\sin 2\beta =S_{ϵ}·\frac{1}{2}·\sin 2\beta ·\frac{\mathrm{dM}}{2G{I}_p}=\frac{1}{4}{S}_{ϵ}·\sin 2\beta ·\frac{\mathrm{dM}}{{\mathrm{GI}}_p}---\left(3\right)$

其中极惯性矩I_p可计算出，如式：

$I_p=\frac{\pi (D^4-d^4)}{32}$(其中d、D为圆环内外直径)(4)

联立(3)、(4)式得出：

$\frac{\Delta {\lambda }_B}{{\lambda }_B}=\frac{1}{4}{S}_{ϵ}·\sin \beta ·\mathrm{dM}·\frac{32}{\mathrm{\pi G}(D^4-d^4)}=\frac{8S_{ϵ}·\sin 2\beta ·\mathrm{dM}}{\mathrm{\pi G}(D^4-d^4)}---\left(5\right)$

及

$M=\frac{\mathrm{G\pi }(D^4-d^4)}{8S_{ϵ}\sin 2\beta ·d·{\lambda }_B}·\Delta {\lambda }_B=K·\Delta {\lambda }_B---\left(6\right)$

上式是光纤测扭光栅6光栅粘贴在空心柱体上的基本公式牛顿液体的粘度公式，即马科斯公式为：

$\mu =\frac{M}{4\mathrm{\pi h\Omega }}(\frac{1}{{r_1}^2}-\frac{1}{{r_2}^2})---\left(7\right)$

联立式(6)、式(7)得：

$\mu =\frac{\mathrm{G\pi }(D^4-d^4)}{32\mathrm{\pi h\Omega }{S}_{ϵ}\sin 2\beta ·d·{\lambda }_B}(\frac{1}{{r_1}^2}-\frac{1}{{r_2}^2})\Delta {\lambda }_B=K_{\eta }·\Delta {\lambda }_B---\left(8\right)$

(式中：μ为液体动力粘度，G为空心柱体弹性模量，D为空心柱体外壁直径，d为空心柱体内壁直径，h为定子高度，Ω为外筒旋转角速度，S_ε为利用纯熔融石英参数得出的光纤光栅相对波长移位应变灵敏度系数，约等于0.784，β为测扭光栅6沿梁轴线成一定角度β，λ_B为光纤Bragg光栅中心波长，r₁为定子外半径，r₂为外筒内半径，Δλ_B为波长移位量，K_η为粘度系数)

附图说明

图1是本发明粘度计的结构图；

图2是本发明测量液体粘度时的装置图；

图3是弹性元件受扭曲变形示意图。

图中各标记为：1、基座，2、矩形支架，3、紧固螺丝，4、法兰盘，5、弹性空心柱体，6、测扭光栅，7、温度补偿光栅，8、L形温度补偿片，9、连接螺杆，10、定子，11、外筒，12、电机，13、光谱分析仪，14、ASE光源、15、耦合器，16、光纤。

具体实施方式

以硬铝合金材料制成的弹性空心柱体为实施例，按附图2配置实验，本实施例中，定子完全浸入被测液体中，液体由电机搅动。设计参数为：

1、弹性空心柱体尺寸参数为：外壁直径D＝8.6mm，内壁直径d＝7.8mm；

2、弹性空心柱体，材料参数为：硬铝合金，剪切模量为G＝26GPa；

3、定子，尺寸参数为：h＝100mm，定子外半径r₁＝10mm；

4、外筒，根据电机得出角速度Ω＝4πr/s，即每分钟两转，外筒内半径r₂＝30mm；

5、光纤Bragg光栅的技术参数为：中心波长B＝1542.5nm，光纤光栅相对波长移位应变灵敏度系数S_ε约等于0.784；

6、光纤Bragg光栅沿弹性空心柱体轴线成一定角度β＝15°；

7、用光纤光栅分析仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长。

根据公式(8)，光纤Bragg光栅的Bragg波长[32]移位对与弹性空心柱体所受粘度的响应灵敏度为：

$\frac{\Delta {\lambda }_B}{\mu }=\frac{1}{K_{\eta }}=\frac{32\mathrm{\pi h\Omega }{S}_{ϵ}·d·{\lambda }_B·{r_1}^2{r_2}^2}{\mathrm{G\pi }(D^4-d^4)({r_2}^2-{r_1}^2)}---\left(9\right)$

将已知量带入公式(9)，理论计算表明，该空心柱体式光纤Bragg光栅外旋式同轴圆筒粘度仪的灵敏度为0.918pm/Pa·s。因此，当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨率为1pm时，该传感器的分辨率为1.08935Pa·s。因此，对比分析结果表明，该空心柱体式光纤Bragg光栅外旋式同轴圆筒黏度计具有高测量分辨率，测量误差小，重复性好等优点。