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光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置及方法

阅读：328发布：2023-01-21

专利汇可以提供光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种光纤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。，下面是光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置及方法专利的具体信息内容。

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(2)，位于驱动轴(10)的内部，一端插入测头壳体(1)的内部；
延伸颈(4)，下端连接在从动套(3)的上端；
法兰(5)，固定连接在延伸颈(4)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(4)、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(2)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(2)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(2)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(2)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(12)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(2)上，等强度悬臂梁(13)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(15)中的一个固定在等强度悬臂梁(13)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(20)相连的采集处理单元(23)，以及与采集处理单元(23)相连的上位机(22)，所述的采集处理单元(23)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(12)的两路电路，其中一路有：
依次串联的反向器X1A、反向器X1B和电阻R5，所述的反向器X1A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Q1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X1C和电阻R4，所述的反向器X1C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(20)包括有：宽带光源(24)，与宽带光源(24)相连的第一耦合器(25)，分别与第一耦合器(25)的输出连接的两路信号，其中的一路信号是：与第一耦合器(25)的一路输出相连的第二耦合器(26)，与第二耦合器(26)相连的第三耦合器(27)，所述的第二耦合器(26)的一路输出连接第一光纤Bragg光栅(14)，所述第三耦合器(27)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(32)至第一电压比较电路(36)，第三耦合器(27)的另一路输出通过第二光电探测器(33)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(23)；其中的另一路信号是：与第一耦合器(25)的另一路输出相连的第四耦合器(28)，与第四耦合器(28)相连的第五耦合器(29)，所述的第四耦合器(28)的一路输出连接第二光纤Bragg光栅(15)，所述第五耦合器(29)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(29)的另一路输出通过第四光电探测器(35)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(23)；所述的第一耦合器(25)、第二耦合器(26)、第三耦合器(27)、第四耦合器(28)、第五耦合器(29)以及第一光电探测器(32)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(23)包括有带通滤波电路(40)、信号放大电路(41)、A/D转换电路(42)、单片机(43)及D/A转换电路(43)，其中，所述的带通滤波电路(40)的输入端接收光纤Bragg光栅解调单元(20)输出的两路解调信号，所述的单片机(43)还与上位机(22)连接，所述的D/A转换电路(43)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ΔU，由此得到：
(U+ΔU)*I＝W1+W2
因此，有：
ΔU*I＝W2
因为电流也会发生变化，所以可将公式变形：
2
ΔU/R＝W2
同时，由粘性液体剪切应力公式，可以得到：
2
η＝M/4πhw1r
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；
2
τ＝M/2πhr
2
M＝4πhw1rη
A 为
2
测头的扭振幅度＝ΔU*T/R T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：
ρ指液体的密度，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：
2
F×S+FD×2πr＝ΔU×T/R
由此，可修改黏度和电压变化量之间的关系式：
2
η＝((ΔU*T/R)-FD*2πr)/16πhw1Ar

说明书全文

光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置及方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 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

[0003] 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。

[0004] 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：

[0005] 测头壳体，位于最下面；

[0006] 从动套，下端垂直的固定在测头壳体的顶端；

[0007] 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；

[0008] 固定参考轴，位于驱动轴的内部，一端插入测头壳体的内部；

[0009] 延伸颈，下端连接在从动套的上端；

[0010] 法兰，固定连接在延伸颈的上端；

[0011] 壳体，固定连接在法兰上面，并位于中心部位；

[0012] 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。

[0013] 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。

[0014] 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。

[0015] 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。

[0016] 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X1B和电阻R5，所述的反向器X1A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Q1连接两对电磁线圈中的一对；另一路有：依次串连的反向器X1C和电阻R4，所述的反向器X1C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。

[0017] 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。

[0018] 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。

[0019] 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：

[0020] 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：

[0021] U*I＝W1

[0022] 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；

[0023] 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ΔU，由此得到：

[0024] (U+ΔU)*I＝W1+W2

[0025] 因此，有：

[0026] ΔU*I＝W2

[0027] 因为电流也会发生变化，所以可将公式变形：

[0028] ΔU2/R＝W2

[0029] 同时，由粘性液体剪切应力公式，可以得到：

[0030] η＝M/4πhw1r2

[0031] 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；

[0032] τ＝M/2πhr2

[0033] M＝4πhw1r2η

[0034]2
A为测头的扭振幅度＝ΔU*T/R T为振动周期

[0035]

[0036] 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：

[0037]

[0038] ρ指液体的密度，指液体的流速，A指物体在垂直于来流方向的截面积[0039] 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：

[0040] CD＝24/Re

[0041] 因此，有：

[0042] F×S+FD×2πr＝ΔU2×T/R

[0043] 由此，可修改黏度和电压变化量之间的关系式：

[0044] η＝((ΔU2*T/R)-FD*2πr)/16πhw1Ar

[0045]

[0046]

[0047] 本发明的光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置及方法，可以实现高精度的流体黏度的在线测量，克服了现有测量技术的局限性，分析测量结果更加精确合理。本发明将光纤Bragg光栅测量技术与流体黏度在线测量紧密结合起来，克服了机电测头对环境要求高的弱点；光纤Bragg光栅内置式测头结构，适合应用振动测量流体粘度，无需更换测头，有效直接地得到测头幅度的变化，又对测量光纤Bragg光栅起到保护作用。附图说明

[0048] 图1是本发明装置的结构示意图；

[0049] 图2是图1内部结构示意图；

[0050] 图3是本发明测头的结构示意图；

[0051] 图4是本发明的光纤Bragg光栅传感解调和信号处理系统的构成框图。

[0052] 图5是线圈驱动电路的原理图；

[0053] 图6是光纤Bragg光栅解调单元的构成框图；

[0054] 图7是采集单元的构成框图。

具体实施方式

[0055] 下面结合实施例和附图对本发明的光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置及方法做出详细说明。

[0056] 如图1所示，本发明的光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置，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2，位于驱动轴10的内部，一端插入测头壳体1的内部；延伸颈4，下端连接在从动套3的上端；法兰5，固定连接在延伸颈
4的上端；壳体6，固定连接在法兰5上面，并位于中心部位；

[0057] 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4、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2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2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2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。

[0058] 如图2所示，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2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12与光纤Bragg光栅传感解调和信号处理系统连接。

[0059] 如图3所示，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2上，等强度悬臂梁13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15中的一个固定在等强度悬臂梁13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。

[0060] 本发明的光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置中感受测头振幅的元件采用光纤Bragg光栅等强度悬臂梁结构。根据传统等强度测量振动的原理，把悬臂梁的上下振动改为在外力作用下左右的摆动，通过观测粘贴在等强度悬臂梁上的光纤Bragg光栅中心波长值测得传感测头水平扭动振幅。等强度悬臂梁的共振频率作为仪器测量的极限频率，应高于黏度测量装置扭振频率的2倍。等强度悬臂梁的共振频率取决于梁的材料和尺寸，通过增加梁的厚度、减小梁的长度、选用弹性模量大的材料可以提高梁的共振频率。装置中选用的等强度梁具有共振频率高的特点，而且其对光栅具有无啁啾的调谐作用。

[0061] 当线圈通电后，由于其与磁极片的作用，使悬梁摆动，从而带动与其固定连接的从动套扭动，测头跟随从动套扭动，在扭动的过程中将引起等强度梁的弯曲，进而引发粘贴在等强度梁上第一光纤Bragg光栅的中心波长的移动，通过观察中心波长值来测得测头的扭动振幅。

[0062] 沿测头经线方向选取离等强度悬臂梁临近的区域粘贴测量温度的第二光纤Bragg光栅，此处温度与等强度悬臂梁的温度一致，根据第二光纤Bragg光栅中心波长值可以测量到现场在线温度，确定由温度引起的流体黏度变化，对测量应变的光纤Bragg光栅值进行温度补偿，解决由应变和温度引起的交叉敏感问题。

[0063] 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20相连的采集处理单元23，以及与采集处理单元23相连的上位机22，所述的采集处理单元23还分别通过两路电压补偿电路19、21连接2对驱动线圈
12。

[0064] 将测头伸入被测液体中后，由液体黏度产生的摩擦力将对探头振幅产生影响，此时，通过光纤Bragg光栅传感结构，测得相应的振幅，进行实时数据采集，根据该振幅变化，经由数据处理算法，对线圈的驱动电流进行相应的补偿，直至恢复至原始振幅。同时，将补偿电流值传送至上位机，从而推导出液体的黏度值。从功能角度，信号传感与处理系统可分为驱动单元、光纤Bragg光栅传感解调单元和采集处理单元。

[0065] 如图5所示，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12的两路电路，其中一路有：依次串联的反向器X1A、反向器X1B和电阻R5，所述的反向器X1A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Q1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X1C和电阻R4，所述的反向器X1C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。所述的单片机与图7所示的采集处理单元23共用一个单片机，型号为AT89C51。

[0066] 线圈驱动单元要求实现输出稳定的驱动信号，设计为方波信号，分两路输出，控制2对线圈供电电路，其中一路经由反相器，实现线圈的周期性分时通断，通过与悬梁上磁极片之间的电磁力，驱动悬梁并带动整个机械装置部分实现扭动，从而实现原始振动。

[0067] 如图6所示，所述的光纤Bragg光栅解调单元20包括有：宽带光源24，与宽带光源24相连的第一耦合器25，分别与第一耦合器25的输出连接的两路信号，其中的一路信号是：与第一耦合器25的一路输出相连的第二耦合器26，与第二耦合器26相连的第三耦合器27，所述的第二耦合器26的一路输出连接第一光纤Bragg光栅14，所述第三耦合器27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32至第一电压比较电路36，第三耦合器27的另一路输出通过第二光电探测器33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23；其中的另一路信号是：
与第一耦合器25的另一路输出相连的第四耦合器28，与第四耦合器28相连的第五耦合器
29，所述的第四耦合器28的一路输出连接第二光纤Bragg光栅15，所述第五耦合器29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29的另一路输出通过第四光电探测器35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23；所述的第一耦合器25、第二耦合器26、第三耦合器27、第四耦合器28、第五耦合器29以及第一光电探测器32和第二光纤Bragg光栅15的另一端均连接匹配液。

[0068] 由宽带光源输出的光经第一耦合器分成两路，一路经过第二耦合器进入传感光纤Bragg光栅，由光纤Bragg光栅1反射的光经过耦合器13后分为两路进行传播。其中一路经过第一长周期光纤光栅透射进入光电探测器，测得电压为Vt；另外一束光则经过第二长周期光纤光栅反射进入光电探测器，测得电压为Vr。

[0069]

[0070] 其中k为经过长周期光纤光栅反射的光束测得电压的补偿参数。

[0071] 经过电压比较电路得到Vn，并将Vn作为第一解调信号传送到采集处理单元。另一路经过第二光纤Bragg光栅的光信号也是一样的原理，得到第二解调信号，并送至采集处理单元。

[0072] ΔVn＝KΔλ (2)

[0073] 其中K为校准参数，为一常数。可以得到电压与光纤Bragg光栅中心波长变化的比例关系，作为后续检测。这种检测方法比较新颖，有别于传统的边缘滤波法，光栅匹配滤波法，它是一种基于光强的检测，可以克服光源不稳定的影响，同时可以实现动态和静态的同时检测，原理简单，分辨率高，解调速度快。

[0074] 如图7所示，所述的采集处理单元23包括有带通滤波电路40、信号放大电路41、A/D转换电路42、单片机43及D/A转换电路43，其中，所述的带通滤波电路40的输入端接收光纤Bragg光栅解调单元20输出的两路解调信号，所述的单片机43还与上位机22连接，所述的D/A转换电路43的输出分别连接两路电压补偿电路19、21。

[0075] 为保证黏度测量精度，对相关的数据采集和处理模块也提出了较高的要求。对于光纤Bragg光栅解调信号，首先需要进行滤波。由于黏度测头振动频率已知，因此可通过带通滤波器消减干扰信号。而后，再对信号进行放大，通过高精度A/D芯片进行数据采样，获得相应的振幅参量，并将其传输至单片机。单片机将采集得到的振幅数据与原始振幅进行比较，并根据两路光纤Bragg光栅解调信号消除由温度引起的中心波长的变化，并计算所需的补偿值，并提供给D/A芯片，使其输出电流补偿信号以增加线圈驱动电流，使测头恢复原始振幅。同时，该电流补偿值将会存储在单片机中，并依据通讯协议传输至上位机，运用上述推导的电流-黏度模型，计算出相应液体的黏度值。

[0076] 本发明的光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置，线圈驱动单元通过线圈带动伸入流体内的测头扭振，通过基于光纤Bragg光栅的振动敏感型结构测得相应的振幅，经由数据处理算法，对线圈的驱动电流进行相应的补偿，直至测头恢复至原始空载振幅。同时，将补偿电流值传送至上位机，从而推导出液体的黏度值。

[0077] 本发明的用于光纤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：

[0078] 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：

[0079] U*I＝W1

[0080] 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；

[0081] 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ΔU，由此得到：

[0082] (U+ΔU)*I＝W1+W2

[0083] 因此，有：

[0084] ΔU*I＝W2

[0085] 因为电流也会发生变化，所以可将公式变形：

[0086] ΔU2/R＝W2

[0087] 同时，由粘性液体剪切应力公式，可以得到：

[0088] η＝M/4πhw1r2

[0089] 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；

[0090] τ＝M/2πhr2

[0091] M＝4πhw1r2η

[0092]

[0093] A为测头的扭振幅度

[0094] ＝ΔU2*T/R T为振动周期

[0095]

[0096] 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：

[0097]

[0098] ρ指液体的密度，指液体的流速，A指物体在垂直于来流方向的截面积[0099] 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：

[0100] CD＝24/Re

[0101] 因此，有：

[0102] F×S+FD×2πr＝ΔU2×T/R

[0103] 由此，可修改黏度和电压变化量之间的关系式：

[0104] η＝((ΔU2*T/R)-FD*2πr)/16πhw1Ar

[0105]

[0106]

[0107] 本发明的光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置及方法，实现了真正的高精度的流体粘度在线测量。它将光纤Bragg光栅测量技术与扭振式黏度测量原理的结合，根据光纤Bragg光栅传感器抗干扰能力强、可测参量广、灵敏度高、易小型化等优点，将其代替了传统的机电类传感器，突破了现有测量技术的局限性，实现高温高压等恶劣环境下流体粘度的在线测量；设计适用于光纤Bragg光栅传感的扭振式结构，测量对象为振动参量，建立测头振动参量与被测流体黏度之间的响应关系，测量范围大，克服了离线分析实时性差的缺点。

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光纤Bragg光栅扭振式黏度在线测量装置及方法

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