[发明专利]一种微结构光纤光栅串联装置及液体密度测量方法

说明书

本发明属于液体密度测量技术领域，具体涉及一种微结构光纤光栅串联装置及基于该装置的液体密度测量方法。本发明通过将微结构光纤光栅串联装置竖直插入液体中，对比插入液体前后两个微结构光纤光栅反射光谱，测出边孔光纤内部和外部液体液位高度，对比分析边孔光纤内部和外部液体的受力，计算出待测液体的密度和表面张力系数。本发明有效利用了边孔光纤光栅对液位的传感测量技术，结合光纤打磨技术，制备侧面打磨的D型光纤光栅，便于外部液体液位的测量。本发明实现了同时测出液体的密度和表面张力系数。本发明基于光纤微结构装置的小型化优势，测量所需液体量很小，便于临床的血液密度和微量生物样本密度检测。

技术领域

本发明属于液体密度测量技术领域，具体涉及一种微结构光纤光栅串联装置及基于该装置的液体密度测量方法。

背景技术

液体密度是用来表征液体特性的重要物理量，通过液体密度的测量，可以有效实现生产中原料组分的控制，完成化学组分检测中物理属性分析，尤其在石油化工和生物医学领域具有重要研究意义，例如通过准确测量血液密度可以判别出是否患有艾滋病。

液体密度测量和传感技术方法主要包括浮子式、电容式、谐振式、射线式、超声波式、光纤传感式等。上世纪人们通常使用浮子式，结构简单，费用成本也相对较低，但是测试精度比较低。之后研究学者在浮子式的基础上改进，提出电容式，即通过与浮子相连的电容两极板间距变化来测量液体密度，但是测量精度依旧受限。谐振式也称振动式，主要通过液体改变振子弹性元件的共振频率，来实现对液体的密度测量，其性能受弹性元件的影响，所需液体体积相对较大。射线式对操作人员的身体健康有很大危害，对于工作场合要求比较高。超声波式和光纤传感式是当下研究热门，lamb波传感器，其体积相对更小，灵敏度也较高，但是超声探头的制作工艺相对更加严格复杂。目前应用光纤传感的液体密度测量装置包括光纤光栅和光纤环等，测量所需液体量比较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微结构光纤光栅串联装置。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括边孔光纤光栅、单模光纤光栅和单模光纤；所述的边孔光纤光栅、单模光纤光栅和单模光纤的包层直径相同，且三者的纤芯直径相同；所述的单模光纤光栅的侧面打磨，单模光纤光栅的包层截面成D型，且打磨面平行于单模光纤光栅的纤芯轴向；所述的边孔光纤光栅的边孔为设置在纤芯一侧的轴向圆柱空气孔，边孔光纤光栅与单模光纤光栅的中心波长不同；所述的边孔光纤光栅、单模光纤光栅和单模光纤串联熔接，三者的纤芯对齐串联成一体，且边孔光纤光栅的边孔与单模光纤光栅的打磨面分置于纤芯轴向两侧，使得边孔光纤光栅的边孔处于上端密封下端开口的半封闭状态；所述的单模光纤光栅外部固定有等长的毛细管，在外围形成上端密封下端开口的半封闭式套筒结构。

本发明的目的还在于提供一种基于微结构光纤光栅串联装置的液体密度测量方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：

步骤1：安装光源、光纤耦合器、微结构光纤光栅串联装置和光谱仪，使光源出射的连续光信号经过光纤耦合器进入微结构光纤光栅串联装置，依次经过单模光纤光栅和边孔光纤光栅后反射对应中心波长下的光信号，反射的光信号再次经过光纤耦合器后被光谱仪实时接收检测；

步骤2：对单模光纤光栅和边孔光纤光栅进行初始状态标定；

在空气中竖直固定微结构光纤光栅串联装置，通过光谱仪记录初始未测试时边孔光纤光栅和单模光纤光栅的反射光谱；

步骤3：将微结构光纤光栅串联装置插入液体，使边孔光纤光栅刚好完全浸入液体，液体进入毛细管内和边孔光纤光栅的边孔内；待液位稳定后，记录此时边孔光纤光栅和单模光纤光栅的反射光谱；

步骤4：对比步骤2和步骤3中的反射光谱变化，获取边孔光纤光栅的边孔内液位高度H₁和毛细管内部的液位高度H₂；

步骤5：根据方程组，计算液体密度ρ和液体的表面张力系数α；