液滴分析儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

姚 堯，田郁郁，王志鵬，程 鵬

（天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院，天津 300192）

0 引言

液滴分析技術(shù)（DAT：Drop Analysis Technology）[1,2]是利用光纖、電容傳感器獲得液體在形成液滴過(guò)程中的光、電信號(hào)，而獲得液體特性的新技術(shù)。以電容信號(hào)為橫坐標(biāo)，光纖信號(hào)為縱坐標(biāo)，可得到反映液體特性的曲線。該曲線可作為識(shí)別不同液體的依據(jù)，被稱為“基于體積的液滴指紋圖”[3-5]。其特征就像人手的指紋可用來(lái)識(shí)別人的身份一樣，根據(jù)此圖可以對(duì)液體進(jìn)行定性識(shí)別。實(shí)現(xiàn)了液滴分析技術(shù)在線監(jiān)測(cè)的可行性，使其可以直接對(duì)樣品自動(dòng)取樣、測(cè)試分析，應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)變化、酒品飲料的監(jiān)測(cè)。

1 液滴分析技術(shù)測(cè)量原理

如圖1 所示，光纖液滴傳感器主要由液滴滴頭、輸入光纖、輸出光纖和供液管組成。光源發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)輸入光纖導(dǎo)入液滴，光線在液滴內(nèi)部經(jīng)完全內(nèi)反射、透射及液體吸收等作用，部分進(jìn)入輸出光纖作為信號(hào)傳出。這部分傳出光的光強(qiáng)度變化，包含了液滴的物理、化學(xué)綜合特性信息。

在液滴體積變化的過(guò)程中，電容液滴傳感器的電容變化為：

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the sensor

圖2 液滴分析儀整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall structure of droplet analyzer

其中，h 為液滴底部至殘留液滴底部的高度，h 隨液滴生長(zhǎng)過(guò)程而變化，R 為環(huán)形電極的內(nèi)圓半徑，r 為液滴半徑，ε0為真空介電常數(shù)，ε1為被測(cè)液體在實(shí)測(cè)環(huán)境溫度范圍內(nèi)的相對(duì)介電常數(shù)，εa為環(huán)形極板與液滴之間的空氣的相對(duì)介電常數(shù)。

2 液滴分析儀的傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液滴分析儀的整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。滴頭、環(huán)形極板組成電容傳感器兩電極，滴頭通過(guò)間隙配合固定在下支撐套上，環(huán)形極板的安裝位置利用定位芯來(lái)保證。在測(cè)量電路中，環(huán)形極板作為電荷信號(hào)檢測(cè)端，其極易受外界干擾。因此，設(shè)計(jì)了電容上、下屏蔽罩，把外界干擾與環(huán)形極板隔離開(kāi)，保證測(cè)量的穩(wěn)定性。

2.1 電容傳感器核心部件

2.1.1 滴頭

滴頭是形成穩(wěn)定液滴、支撐光纖的基礎(chǔ)，綜合考慮到被測(cè)液體對(duì)滴頭底端固體表面的濕潤(rùn)性及電容理論模型，滴頭下端面的直徑為6mm，如圖3 所示，下端面呈倒錐形，有利于形成完整的液滴[6]。滴頭中心有中心孔，供液管插入其中。中心孔兩側(cè)對(duì)稱的位置上留有兩個(gè)光纖插孔，光纖探頭插入其中。

2.1.2 環(huán)形極板及上、下屏蔽罩

環(huán)形極板作為圓柱電容模型的外極板，材料選用黃銅，要求其中心軸與滴頭中心軸重合。如圖4 所示，途中環(huán)形極板長(zhǎng)度應(yīng)大于液滴尚未滴落過(guò)程中的最大拉伸長(zhǎng)度，本文設(shè)計(jì)為14mm。環(huán)形極板下部有直徑為2mm 的孔，屏蔽線內(nèi)芯插入其中，環(huán)形極板的電荷信號(hào)通過(guò)屏蔽線內(nèi)芯傳輸?shù)綔y(cè)量電路。

圖3 滴頭結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the water dropper

圖4 環(huán)形極板結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of toroidal electrode plate

圖5 圓柱電容上、下屏蔽罩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of upper and lower shielding can of cylindrical capacitor

圖6 電容傳感器定位示意圖Fig.6 Diagram of capacitive transducer positoning

圖7 軌道示意圖Fig.7 Diagram of track

圖8 墊片示意圖Fig.8 Diagram of gasket

2.1.3 上、下屏蔽罩

測(cè)量電路通過(guò)“地端”“待測(cè)端”兩路信號(hào)與電容傳感器兩極板相連，實(shí)時(shí)測(cè)量電容值。液滴生長(zhǎng)過(guò)程中，滴頭長(zhǎng)度不斷變化，其電荷量也不斷變化。測(cè)量時(shí)，將帶電量不穩(wěn)定的滴頭端接入測(cè)量電路地端，將環(huán)形極板接入測(cè)量電路待測(cè)端。由于理論電容值只有pF 級(jí)，極易受外界因素的干擾，在環(huán)形極板外部設(shè)計(jì)了電容上、下屏蔽罩，如圖5 所示。屏蔽罩內(nèi)壁與環(huán)形極板外壁間隙為0.5mm，兩屏蔽罩與屏蔽線的外屏蔽層相連，共同接入測(cè)量電路屏蔽端。

2.1.4 下支撐套

下支撐套材料采用聚四氟乙烯，完成電容、光纖傳感器以及電路板的固定功能。下支撐套結(jié)構(gòu)如圖6 所示。其上部和下部分別開(kāi)有4 個(gè)圓孔，用于電容信號(hào)線走線。同時(shí)，通過(guò)它們可以方便地觀察電容極板安裝位置及光纖插入情況。下支撐套內(nèi)部開(kāi)有螺紋孔，塑料頂片通過(guò)此螺紋孔從下部旋入下支撐套，將電容下屏蔽罩豎直方向位置固定。下支撐套中部留有圓孔，與滴頭通過(guò)過(guò)盈配合完成滴頭的裝卡。

2.2 光纖傳感器核心部件

2.2.1 軌道

本文設(shè)計(jì)了光纖探頭豎直位移的軌道，此軌道保證了光纖運(yùn)動(dòng)的直線度。軌道一側(cè)開(kāi)有螺紋孔，通過(guò)螺釘將光線探頭夾持在所需位置。如圖7 所示，軌道另一側(cè)開(kāi)有一角度為50°的階梯長(zhǎng)孔，供液管通過(guò)此孔插入到滴頭內(nèi)部供液。軌道外側(cè)與下支撐套內(nèi)壁配合，通過(guò)軌道下部3 個(gè)呈120°圓周對(duì)稱的孔固定其位置。

2.2.2 墊片

墊片如圖8 所示，中心有直徑為2mm 的孔，上平面對(duì)于下平面的平行度要求為0.01mm。由于墊片厚度相差僅為0.1mm，采用兩平行度很高的塞尺作為加工原料，利用線切割技術(shù)加工墊片。選用0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、1mm 六種規(guī)格厚度的塞尺進(jìn)行加工，疊加使用得到厚度從1.1mm ～2.4mm 的墊片。更換厚度不同的墊片，疊加組合成所需高度，使得光纖插入深度隨之變化。光纖插入深度不同，所得的液滴指紋圖也不同。通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到光纖探頭插入的最佳深度后，再將光纖探頭固定于這一位置。

2.2.3 圓柱芯

圓柱芯基本形狀為一階梯軸。下端以過(guò)盈配合的方式插入圓柱導(dǎo)軌上端中心孔內(nèi)。圓柱芯上端圓柱邊線與滴頭下端內(nèi)錐端面接觸，保證了圓柱芯與滴頭的同軸度。光纖探頭、墊片及圓柱芯相對(duì)位置如圖9 所示。

圖9 傳感器相對(duì)位置局部放大圖Fig.9 Partial enlargement of relative location of the sensor

圖10 不同光纖端面插入深度的綿竹酒液滴指紋圖Fig.10 Droplet footprints of Mianzhu wine with different insertion depth of optical fiber end face

表1 不同厚度墊片對(duì)應(yīng)光纖指紋圖特征數(shù)量統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of feature amount of optical fiber footprints with different thickness of gaskets

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 光纖插入深度實(shí)驗(yàn)

選擇綿竹酒為被測(cè)對(duì)象，分別用不同厚度的墊片限制光纖探頭端面在滴頭中的插入深度，做指紋圖提取實(shí)驗(yàn)，將6 種規(guī)格的墊片拼起使用可以實(shí)現(xiàn)0.2mm ～2.0mm 的厚度。記錄墊片的每一厚度對(duì)應(yīng)的液滴指紋圖，10 組光纖指紋圖如圖10 所示。

3.2 液滴指紋圖特征峰統(tǒng)計(jì)

隨墊片厚度的線性增加，光纖端面插入滴頭的深度線性遞減，而液滴指紋圖張力峰（將液滴指紋圖中后部的較大幅度的峰定義為“張力峰”），隨墊片厚度的增加呈遞減趨勢(shì)。在墊片厚度在1.0mm 以下的范圍內(nèi)，張力峰與彩虹峰（將除擾動(dòng)外的第一個(gè)拱形峰定義為“彩虹峰”）之間的波谷有一段為零的區(qū)域，這段區(qū)域的產(chǎn)生是光纖探頭穿透液滴底部邊緣輪廓造成的，該區(qū)域?qū)?yīng)的液滴指紋圖特征已丟失。在墊片厚度為0.2mm 時(shí)，液滴指紋圖沒(méi)有出現(xiàn)肩峰及彩虹峰，只出現(xiàn)張力峰，前半液滴周期的液滴指紋圖特征也已丟失。在墊片厚度為1.0mm 及以下的范圍內(nèi)，液滴指紋圖初始值均為零，此范圍內(nèi)光纖探頭穿透了殘留液滴的底部邊緣輪廓。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量水、農(nóng)夫山泉、利民料酒、綿竹酒、綠茶、天立醋、雪花啤酒7 種液體在每一厚度所對(duì)應(yīng)指紋圖，統(tǒng)計(jì)每一厚度墊片對(duì)應(yīng)的6 種液滴指紋圖初始值、谷值為零的數(shù)量，以及彩虹峰肩峰（在液滴指紋圖彩虹峰前部還出現(xiàn)一個(gè)小幅度凸起的肩峰，將此肩峰定義為“彩虹峰肩峰”）、張力峰肩峰（將液滴指紋圖張力峰后部出現(xiàn)的小幅度凸起峰定義為“張力峰肩峰”）的數(shù)量，如表1 所示。

在光纖端面插入深度位置的選擇方面，需要選擇某一深度位置，使得該深度位置對(duì)應(yīng)的液滴指紋圖暴露盡可能多的信息，即總特征數(shù)量盡可能多。由表1 可知，隨墊片厚度的增加，總特征數(shù)量呈上升趨勢(shì)，取1.6mm、1.8mm、2.0mm 墊片厚度作為備選墊片厚度。由圖10 可知，隨墊片厚度的增加，光信號(hào)強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，即光信號(hào)曲線與橫軸所包圍的面積呈下降趨勢(shì)。選擇1.8mm 厚度作為最終光纖端面插入深度的限制墊片厚度，所得光纖指紋圖既可以暴露較多的特征，其光信號(hào)強(qiáng)度又不過(guò)于微弱。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的定位芯結(jié)構(gòu)考慮到電容傳感器的穩(wěn)定性，保證了電容傳感器兩電極間的同軸度。選定厚度為1.8mm的墊片能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)的液滴指紋圖，利于找出特征最強(qiáng)的位置，使得液滴實(shí)驗(yàn)得以再現(xiàn)最佳狀態(tài)，為實(shí)現(xiàn)基于液滴指紋圖的液體識(shí)別奠定了基礎(chǔ)。