本發(fā)明涉及粘度測量設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種基于超聲耦合傾斜光纖光柵的粘度計。

背景技術(shù)：

粘度是流體粘滯性的一種量度，是流體流動力對其內(nèi)部摩擦現(xiàn)象的一種表示。在生產(chǎn)或?qū)嶒炛?，?jīng)常需要測量液體的粘度，以便實現(xiàn)對液體的鑒別。例如，在石油及其附屬品生產(chǎn)中，粘度對各種潤滑油的質(zhì)量鑒別、確定用途及確定各種燃料用油的燃燒性能及用度等放方面具有決定意義?，F(xiàn)有技術(shù)測量粘度一般采用毛細(xì)管式、落球式、錐板式、轉(zhuǎn)筒式等?，F(xiàn)有技術(shù)中粘度測量時間長、效率低，不能快速準(zhǔn)確的測量液體的粘度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于超聲耦合傾斜光纖光柵的粘度計，能夠快速準(zhǔn)確的測量得到液體的粘度。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

一種基于超聲耦合傾斜光纖光柵的粘度計，包括：

粘度計本體；

與所述粘度計本體連接，用于向所述粘度計本體輸出光信號并接收所述粘度計本體反饋的光信號的光信號調(diào)制解調(diào)模塊；

與所述粘度計本體連接，用于向所述粘度計本體輸出超聲波信號的超聲波信號產(chǎn)生模塊；

與所述光信號調(diào)制解調(diào)模塊和所述超聲波信號產(chǎn)生模塊相連接，用于控制二者并顯示液體粘度的控制與顯示模塊，其中：

所述粘度計本體包括光纖連接器、壓電元件、光纖，石英角、玻璃管、傾斜光纖光柵和斜角；所述壓電元件套設(shè)在所述光纖連接器上，所述石英角的一端與所述壓電元件連接，所述玻璃管套設(shè)在所述石英角上，所述傾斜光纖光柵的一端與所述玻璃管相連接，所述光纖穿過所述光纖連接器和石英角，所述傾斜光纖光柵表面鍍有低折射率薄膜，所述傾斜光纖光柵端面切斜角防止反射。

優(yōu)選地，所述壓電元件為鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。

優(yōu)選地，還包括：

設(shè)置在所述粘度計本體上，與所述控制與顯示模塊相連接的，用于檢測待測液體溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)臏囟葌鞲心K。利用溫度傳感模塊進(jìn)行溫度補(bǔ)償可以消除材料溫度變化對粘度測量的影響。

優(yōu)選地，所述光信號調(diào)制解調(diào)模塊采用LED作為所述光纖的光源。

優(yōu)選地，所述超聲波信號產(chǎn)生模塊和所述光信號調(diào)制解調(diào)模塊集成為聲光調(diào)制模塊。

在本申請實施例中，將傾粘度計本體放入待測液體中，利用傾斜光纖光柵與超聲波產(chǎn)生的光柵耦合，獲得反射譜中窄線寬的光譜輸出。利用粘度對超聲波振動的阻尼作用，通過探測反射譜耦合的波長及強(qiáng)度變化，反算出材料的粘度。利用一層低折射率薄膜隔絕傾斜光柵與外界的接觸，避免材料折射率變化影響光譜響應(yīng)，造成粘度測試的不準(zhǔn)確性。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說明如下。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應(yīng)當(dāng)理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應(yīng)被看作是對范圍的限定，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于超聲耦合傾斜光纖光柵的粘度計的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖標(biāo)：10-基于超聲耦合傾斜光纖光柵的粘度計；100-粘度計本體；200-光信號調(diào)制解調(diào)模塊；300-超聲波信號產(chǎn)生模塊；400-控制與顯示模塊；500-溫度傳感模塊；101-光纖連接器；102-壓電元件；103-光纖；104-石英角；105-玻璃管；106-傾斜光纖光柵；107-斜角。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設(shè)計。因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實施例的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

應(yīng)注意到：相似的標(biāo)號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進(jìn)行進(jìn)一步定義和解釋。同時，在本發(fā)明的描述中，術(shù)語“第一”、“第二”等僅用于區(qū)分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

圖1為本發(fā)明的一種基于超聲耦合傾斜光纖光柵的粘度計的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，本申請實施例提供了一種基于超聲耦合傾斜光纖光柵的粘度計10，包括：粘度計本體100、光信號調(diào)制解調(diào)模塊200、超聲波信號產(chǎn)生模塊300和控制與顯示模塊400。

所述粘度計本體100包括光纖連接器101、壓電元件102、光纖103，石英角104、玻璃管105，傾斜光纖光柵106和斜角107；所述壓電元件102套設(shè)在所述光纖連接器101上，所述石英角104的一端與所述壓電元件102連接，所述玻璃管105套設(shè)在所述石英角104上，所述傾斜光纖光柵106的一端與所述玻璃管105相連接，所述光纖103穿過所述光纖連接器101、石英角104與斜角107連接，所述傾斜光纖光柵106表面鍍有低折射率薄膜，所述傾斜光纖光柵106端面鍍有斜角107。

超聲波信號產(chǎn)生模塊300用于向所述粘度計本體100輸出超聲波信號。光信號調(diào)制解調(diào)模塊200與所述粘度計本體100連接，用于向所述粘度計本體100輸出光信號并接收所述粘度計本體100反饋的光信號并計算出液體的粘度。計算出的結(jié)果送入控制與顯示模塊400中進(jìn)行顯示，同時控制與顯示模塊400控制光信號調(diào)制解調(diào)模塊200和超聲波信號產(chǎn)生模塊300的信號產(chǎn)生。

通過超聲波信號產(chǎn)生模塊300激發(fā)一個聲波，聲波通過光纖103在傾斜光纖光柵106中傳輸時，傾斜光纖光柵106的相位匹配條件會發(fā)生改變。當(dāng)聲波被調(diào)諧到滿足后向纖芯模式和后向包層模式之間的相位匹配，耦合發(fā)生將會誘導(dǎo)出新的在布拉格波長左側(cè)的通道。誘導(dǎo)通道的波長的大小受聲波的頻率影響。

當(dāng)在溶質(zhì)加入原液，溶液的密度，折射率與粘度變大，聲光調(diào)制的影響會受到抑制，主要是隨粘度增加而增大的聲波阻尼的作用。部分是由折射率與相位失諧引起的。折射率越高，光信號越容易散射，折射率越低，光信號穿透穿過薄膜越不容易散射。本申請實施例中在傾斜光纖光柵106表面鍍一層低折射率薄膜隔離周圍介質(zhì)折射率變化對傾斜光纖光柵106透射光譜的影響。使得測量結(jié)果更準(zhǔn)確。

在實際測量粘度時，通過有阻尼的頻率響應(yīng)可以得到與粘度相關(guān)的弛豫時間(非平衡狀態(tài)過渡到平衡狀態(tài)的特征時間)，粘性越大，弛豫時間越長。分析弛豫時間與粘度，可以得出粘度與弛豫時間的關(guān)系。

下面對傾斜光纖光柵106的相位匹配原理做簡要描述。

在傾斜光纖光柵106的纖芯和包層模式之間的耦合可以由相位匹配條件描述，其中的聲波矢量等于后向纖芯模式和后向包層模式波矢量之間的差異。因此，當(dāng)頻率聲波被調(diào)諧到滿足兩種模式之間的相位匹配，耦合發(fā)生會誘導(dǎo)出新的在布拉格波長左側(cè)的通道。

對于傾斜光纖光柵106的中心波長λ_B，前向纖芯傳播常數(shù)與后向纖芯傳播常數(shù)耦合，其相位匹配條件如下：

其中，λ_ac<λ_B，K_gcosθ，n_co(λ_B)是在中心波長的纖芯的有效折射率，Λ_B是光柵周期。

當(dāng)λ_ac<λ_B，光柵波矢量K_gcosθ不足以激發(fā)前向纖芯傳輸常數(shù)于后向纖芯傳輸常數(shù)的耦合。它只可以激發(fā)前向纖芯模式傳輸常數(shù)與后向包層傳輸常數(shù)的耦合。

其中，

當(dāng)聲波在傾斜光纖光柵106中傳輸時，調(diào)節(jié)聲波矢量K_ac后向包層模式-β_cl(λ_ac)與后向纖芯模式-β₀₁(λ_ac)匹配。它們的相位匹配條件：

其中，R是FBG的半徑，c_ext是伸展波長的速度，f_ac是聲波的頻率。由于FBG的傾角一般是在2-5度，聯(lián)立上述方程，可得調(diào)諧波長的等式：

上式表明誘導(dǎo)的波長λ_ac可以通過改變聲波頻率來調(diào)諧。

優(yōu)選的，所述壓電元件102為鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。

優(yōu)選的，所述光信號調(diào)制解調(diào)模塊200可以采用LED作為所述光纖103的光源。

進(jìn)一步的，還包括設(shè)置在所述粘度計本體100上，與所述控制與顯示模塊400相連接的，用于檢測待測液體溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)臏囟葌鞲心K500。通過溫度傳感模塊500可以獲取待測液體的具體溫度，并可以根據(jù)實際情況對粘度計進(jìn)行溫度補(bǔ)償，避免因溫度變化引起的測量結(jié)果的偏差。

在本申請實施例中，將傾粘度計本體100放入待測液體中，利用傾斜光纖光柵106與超聲波產(chǎn)生的光柵耦合，獲得反射譜中窄線寬的光譜輸出。利用粘度對超聲波振動的阻尼作用，通過探測反射譜耦合的波長及強(qiáng)度變化，反算出材料的粘度。利用一層低折射率薄膜隔絕傾斜光纖光柵106與外界的接觸，避免材料折射率變化影響光譜響應(yīng)，造成粘度測試的不準(zhǔn)確性。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。應(yīng)注意到：相似的標(biāo)號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進(jìn)行進(jìn)一步定義和解釋。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。