专利名称：一种基于光声效应的粘滞系数测量方法
技术领域：
本发明属于物理测量技术领域，特别涉及一种基于光声效应的粘滞系数测量方 法。
背景技术：
粘滞系数是一个表示流体性质的重要物理量，液体的粘滞系数又称内摩擦系数，在工程技术和生产技术以及医学等方面，测定液体的粘滞系数具有重大的意义。例如研究 水、石油等流体在长距离输送时的能量损耗，造船工业中研究减小运动物体在液体中阻力， 医学上通过测定血液的粘滞力可以得到有价值的诊断等，这些均与测定液体的粘滞系数有关。斯托克斯法是测定液体粘滞系数的基本方法。传统测量方法存在以下三个问题 1、使用秒表人工计时，精度低。2、难以判断小球是否沿着玻璃管中心线下落，而恰恰是实验 误差的一个来源。3、落球测量时间重复性差。光声效应以及光声层析成像技术的研究在近几年受到越来越多的关注。当用脉冲 光源或调制光源辐照某物体时，物体内瞬间温度的起伏会引起其体积的伸缩，因而向外辐 射声波。这种现象称为光致声场效应(简称光声效应)。光声效应实际上是一种能量转换 过程，激光与受辐照物体相互作用的机理非常复杂，产生的效应不仅与激光参数有关，又很 大程度上取决于物体本身光学、热学及力学等特性参数的影响。粘滞系数正是热力学中的 一个重要参数，直接影响由热能(吸收的激光能量)向机械能(热膨胀)的转换。本发明 针对粘滞性对光声信号产生的影响，提出了一种利用光声效应无损测量液体粘滞系数的快 速有效方法。
发明内容
为了克服现有传统的粘滞系数测量仪的不足，本发明的目的在于提供一种利用光 声效应测量液体粘滞系数的方法；该方法快速、高精度、有很强实用性。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种基于光声效应的粘滞系数测量 方法，包括以下操作步骤(1)将已知粘滞系数ξ ,的液体样品放置于容器中，将脉冲激光聚焦后辐照在液体 样品上，激发光声信号；(2)利用采集系统记录液体样品的光声信号，提取光声信号的主频或带宽Q1 ；采 用超声换能器探测得到光声压函数p(t)；根据下述光声信号频域表达方程式中光声信号 主频与粘滞系数的关系，得到待定常数α的数值；<formula>formula see original document page 3</formula>
其中，Γ为格留乃森参数，I0为正比于光能量密度的因子，Α(χ)为样品位置χ处 能量沉积，f (t)为激光脉冲波形，Csl为液体样品中超声传播速度(下标1表示样品编号)，=为脉冲激光函数表达式，X为激光脉冲宽度，Ivl= I1ZiP1Csl为液体样品
的粘滞长度，P ！为液体样品的密度；
(4)将待测液体置于容器中，将与步骤(1)所述脉冲激光相同频率的脉冲激光聚 焦后辐照在待测液体上，激发光声信号；(5)利用超声探测器接收待测液体的光声信号，将光声信号经信号放大器放大后 进行数据采集记录；(6)用Matlab处理记录的光声信号，对记录的光声信号进行傅里叶变换，提取 光声信号的主频ωη(下标n表示样品编号)，根据Ic1 = CO1Asl, kn= 乂‘和Ivn2 = lvAG^-kj/a4，得到待测液体的粘滞长度lvn(下标η表示样品编号)，所述Csn为待测液 体中超声传播速度；然后根据ξη= IvnPnCsn，得到待测液体的实际粘滞系数ξη，所述P1 为待测液体的密度。步骤(1)所述τ为Ins Ius。步骤(1)和(4)所述脉冲激光是由脉冲激光发生器或连续调制的连续激光器发
出ο步骤(1)和(4)所述聚焦是将脉冲激光通过透镜进行聚焦，研究粘滞性对光声信 号产生的影响。本发明的原理是声振动作为一个宏观的物理现象，必然要满足三个基本的物理定律，即牛顿第二 定律、质量守恒定律以及描述压强、温度与体积等状态参数关系的物态方程。运用这些基本 定律，可以分别导出推导出三个物理量之间关系的三个方程的运动方程、连续性方程和物 态方程。利用上述理想介质声场特性的三个基本方程，可以完整地描述处于静止无源的状 态下声场特性。当脉冲激光照射在介质上，由于介质的吸收效应导致光能量的沉积、温度的 增加和超声信号的产生。在这状态下，介质中的声场变为了有源场，介质中的吸收体都可以 看成超声波发生源。此时，用于描述压强、温度与体积等状态参数关系的物态方程会有适当 的修正。粘滞性对运动方程的影响用Navier-Stokes方程描述ρ^· +p{v- V)v = -Vp + ηψν + (ξ + }7)V(V · ν)(I)其中ξ为容积粘滞，η为剪切粘滞。忽略热传导方程中的热扩散并带与连续性方程结合，得到髻+▽.( )=悬丑(“)(2)将声压及密度用平衡值加上小的声扰动来表示，即ρ = Ptl+ δ ρ，ρ = ρ # δ ρ。线性化方程⑴(2)并由关系式δ ρ = Cs2 δ ρ得到
剛轳⑶ 令r = f (格留乃森参数)，H= IcAOOfUMl。为正比于光能量密度的
因子；A(r)为样品位置r处能量沉积；f(t)为激光脉冲波形，通常为高斯函数，即 fit) = /T^ )上式可化为
古’誃*袋(Π。/*) +争(4)如果仅考虑均勻黏弹介质中沿χ轴方向传播的平面波解，则上式化为
古多彻如功+尝态彻)+[如趟沖广尝则略·1 (5)将源项设为S,即令<formula>formula see original document page 5</formula> 先考虑χ = O处一脉冲激发源作用下方程的解，令S = δ (χ, t)，上式可化为设<formula>formula see original document page 5</formula>)，带入(7)中，得到+<formula>formula see original document page 5</formula>(8)对方程两边取傅里叶反变换，得到其频域的两个根，并用留数定理计算得到方程 的解为(9)其中ω =为光声信号频率。+为粘滞长度，α为常数。 当只考虑沿一个方向传播的平面波时，光声压可以进一步简化为P(f)=上式说明了粘滞系数对光声效应转化效率的影响，粘滞性不仅影响光声信号的幅 值，还影响其频率及带宽。通过下述方程可以反演计算出被测样品的粘滞系数。<formula>formula see original document page 5</formula>其中波数& = ;f。本发明基于光声产生原理，利用粘滞系数对光声信号产生的影响，通过光声频移 反演计算得到液体实际的粘滞系数值。本发明相对于现有技术具有如下的优点及有益效果本发明方法与传统的粘度计 法相比，具有快速，在线测量的能力的特点；本发明与基于声在粘滞介质传输过程中高频衰 减的方法相比，不需要在粘滞介质中传输较长路径来提取粘滞系数，而只需很小的样本量 就能实现快速精确测量；本发明方法操作简便，快速，精度高，有着很强的实用性。
图1是本发明系统的结构示意图，其中1-1为光声激发源发生器，1-2为光传输媒 质(光纤或反光影)，1-3为光声信号探测器，1-4为信号放大器，1-5为计算机，1-6为函数发生器，1-7为数据采集系统，1-8为被测物质。图2为不同粘滞系数甘油水溶液光声信号时域及频域图，其中(a)为所示，光声信 号幅值随着粘滞系数增加有较明显的减小，其光声化转化效率有较大幅度的减小；(b)为 所示，光声信号主频随着粘滞系数增加而向下偏移，带宽减小。图3为利用本发明方法测量不同粘度甘油水溶液的粘度结果图，图中直线表示甘 油水溶液实际粘滞系数值。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。实施例1、测量不同粘滞系数的甘油水溶液的时域光声信号(1)将不同粘滞系数ξ 的液体样品分别放置于容器中，将脉冲激光聚焦后辐照在 液体样品上，激发光声信号；(2)利用采集系统记录液体样品的光声信号P(t)。用Origin绘制热声信号图 2 (a)，并通过已知的参数计算出热声转化效率。通过该图可以看出，随着粘滞系数的增加，液体热声信号幅值有所减小，并与方程 (10)的变化规律相符。由于粘滞性引起的热耗散影响，热声信号转化效率有明显的降低。实施例2、测量不同粘滞系数的甘油水溶液的频域光声信号(1)将不同粘滞系数ξ 的液体样品分别放置于容器中，将脉冲激光聚焦后辐照在 液体样品上，激发光声信号；(2)利用采集系统记录液体样品的光声信号P(t)。利用采集系统记录液体样品的 光声信号用Matlab对记录的光声信号进行傅里叶变换，得到不同粘滞系数液体热声信号 频谱图2(b)。通过该图可以看出，随着粘滞系数的增加，液体热声信号主频及带宽均有所减小， 并与方程(10)的变化规律相符。实施例3、通过热声信号频移计算得到不同粘滞系数甘油水溶液的粘滞系数(1)将已知粘滞系数ξ ,的甘油水溶液放置于容器中，将脉冲激光(连续调制的激 光)聚焦后辐照在甘油水溶液上，激发光声信号；(2)利用采集系统记录液体样品的光声信号P (t)，并用Matlab对记录的光声信号 进行傅里叶变换；(3)提取光声信号的主频或带宽Co1，根据Ic1= ω/。得到波长Ic1 ；利用超声 换能器探测得到光声压函数p(t)，根据下述光声信号频域表达方程式中光声信号主频 2acJV队/2)2与粘滞系数的关系，得到待定常数α的数值；其中，Γ为格留乃森参数，I0为正比于光能量密度的因子，A(X)为样品位置r处 能量沉积，/ =广(i〃)2/r|为高斯脉冲激光函数表达式，Csl为液体样品中超声传播速度 (下标1表示样品编号)，τ为激光脉冲宽度，Ivl = ξ ,/P1Csl为液体样品的粘滞长度，P ！为液体样品的密度；(4)将不同浓度的待测粘滞系数的甘油水溶液置于容器中，将与步骤(1)所述脉冲激光相同频率的脉冲激光聚焦后辐照在待测粘滞系数的甘油水溶液上，激发光声信号；(5)利用超声探测器接收待测粘滞系数的甘油水溶液的光声信号，将光声信号经 信号放大器放大后进行数据采集记录；(6)用Matlab处理记录的光声信号，对记录的光声信号进行傅里叶变换，提取光 声信号的主频或带宽ωη，根据kn = 乂‘和Ivn2 = lv^+G^-kj/a4，得到待测液体的粘 滞长度1 ，所述Csn为待测液体中超声传播速度；然后根据ξη = Ivn PnCsn，得到待测粘滞系 数的甘油水溶液的实际粘滞系数ξ η(结果如图2所示，图3横坐标为已知粘滞系数I1，纵 坐标为测量所得实际粘滞系数ξη)，所述P1为待测粘滞系数的甘油水溶液的密度。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受实施例的限 制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均 应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种基于光声效应的粘滞系数测量方法，其特征在于包括以下操作步骤(1)将已知粘滞系数ξ1的液体样品放置于容器中，将脉冲激光聚焦后辐照在液体样品上，激发光声信号；(2)利用采集系统记录液体样品的光声信号，用Matlab处理记录的光声信号，对记录的光声信号进行傅里叶变换，提取光声信号的主频ω1；采用超声换能器探测得到光声压函数P(t)；根据下述光声信号频域表达方程式中光声信号主频与粘滞系数的关系，得到待定常数α的数值； <mrow><mi>P</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msup> <mi>I</mi> <mo>′</mo></msup><msub> <mi>I</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow> <mrow><mi>a</mi><msub> <mi>c</mi> <mrow><mi>s</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><msqrt> <mn>4</mn> <mo>-</mo> <msup><mi>a</mi><mn>2</mn> </msup> <msup><msub> <mi>l</mi> <mrow><mi>v</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mn>2</mn> </msup></msqrt> </mrow></mfrac><msup> <mi>e</mi> <mrow><mo>-</mo><msup> <mi>a</mi> <mn>2</mn></msup><msub> <mi>c</mi> <mrow><mi>s</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><msub> <mi>l</mi> <mrow><mi>v</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mi>t</mi> </mrow></msup><mi>sin</mi><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>a</mi> <msub><mi>c</mi><mrow> <mi>s</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <msqrt><mn>1</mn><mo>-</mo><msup> <mi>a</mi> <mn>2</mn></msup><msup> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>l</mi> <mrow><mi>v</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </msqrt> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>*</mo><mo>[</mo><mi>A</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo></mrow><mfrac> <mo>∂</mo> <mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi> </mrow></mfrac><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>c</mi> <mrow><mi>s</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><msub> <mi>l</mi> <mrow><mi>v</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mfrac> <msup><mo>∂</mo><mn>2</mn> </msup> <mrow><mo>∂</mo><msup> <mi>x</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><mi>A</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow>其中，Γ为格留乃森参数，I0为正比于光能量密度的因子，A(x)为样品位置x处能量沉积，为高斯脉冲激光函数表达式，cs1为液体样品中超声传播速度，τ为激光脉冲宽度，lv1＝ξ1/ρ1cs1为液体样品的粘滞长度，ρ1为液体样品的密度；(4)将待测液体置于容器中，将与步骤(1)所述相同的脉冲激光聚焦后辐照在待测液体上，激发光声信号；(5)利用超声探测器接收待测液体的光声信号，将光声信号经信号放大器放大后进行数据采集记录；(6)用Matlab处理记录的光声信号，对记录的光声信号进行傅里叶变换，提取光声信号的主频ωn，根据k1＝ω1/cs1，kn＝ωn/csn和lvn2＝lv12+(k12-kn2)/a4，得到待测液体的粘滞长度lvn，所述csn为待测液体中超声传播速度；然后根据ξn＝lvnρncsn，得到待测液体的实际粘滞系数ξn，所述ρn为待测液体的密度。FSA00000079150600011.tif,FSA00000079150600013.tif
2.根据权利要求1所述的一种基于光声效应的粘滞系数测量方法，其特征在于步骤 (1)所述激光脉冲宽度τ为Ins 1 μ s。
3.根据权利要求1所述的一种基于光声效应的粘滞系数测量方法，其特征在于步骤 (1)和(4)所述脉冲激光是由激光发生器发出，所述激光器可以使脉冲激光器，也可以使连 续调制的连续激光器。
全文摘要
本发明公开了一种基于光声效应的粘滞系数测量方法。该方法包括将已知粘滞系数的液体样品置于容器中，将脉冲激光聚焦后辐照在液体样品上，激发光声信号；采集液体样品的光声信号，提取光声信号的主频；采用超声换能器探测得到光声压函数P(t)；根据光声信号频域表达方程式，得到常数α；将待测液体置于容器中，将脉冲激光聚焦后辐照在待测液体上，激发光声信号；利用超声探测器接收待测液体的光声信号，经信号放大器放大后进行数据采集；用Matlab处理记录的光声信号，对记录的光声信号进行傅里叶变换，提取光声信号的主频；根据ξn＝lvnρncsn，得到待测液体的粘滞系数ξn。该方法速度快，精度高，无损，在线测量能力强，实用性强。
文档编号G01N11/00GK101813598SQ201010139119
公开日2010年8月25日 申请日期2010年3月30日 优先权日2010年3月30日
发明者娄存广, 邢达 申请人:华南师范大学