一种液体表面的油膜厚度测量方法及系统

本发明属于光纤干涉测量，具体涉及一种液体表面的油膜厚度测量方法及系统。

背景技术：

1、液面的油膜厚度是重要的一个参数，涉及到许多领域的实际应用。液面油膜厚度的测量是一个既重要又实用的方向，对于工业生产、石油勘探、生命科学等科研实验以及海洋养殖业的水面油品污染监测都具有重要意义。随着技术的不断发展，液面油膜厚度的测量方法也在不断发展和改进，目前常用的测量方法有电阻法，电容法，超声波法，差分激光三角法，激光诱导荧光法等方法。然而，常用的这些测量方法存在因为是电子类传感器而需要对其电极进行液面隔离等原因所以导致传感器变得复杂和不稳定、油膜厚度过小时电容值的变化导致测量不准确等问题，光学测量法因为需要光路分离、荧光物质影响稳定性和灵敏度以及污染样品等所以也存在一些问题。因此，上述液面油膜厚度的测量方法都有着各自的缺点，光纤传感器的发展为实现为液面油膜厚度的测量方法开辟了一条新的途径。

2、光纤传感技术起源于20世纪70年代，光纤传感技术用光作为介质，光纤作为媒介，光源发出的光信号经过光纤传输媒介传输到目标位置，与被测量的物理量相互作用后，光信号的某些特性会发生变化，例如光强、光频、光相位等，这些变化被光接收器接收之后转换成电信号经过信号处理和解析，最终得到被测量的信息，从而实现对各种物理量、化学量或生物量的测量和检测。光纤传感器具有质量轻、体积小、灵敏度高、抗环境干扰、耐腐蚀、电绝缘性好和远程传输等优势。其中，光纤迈克尔逊干涉就是其中重要的一种，这种测量方法作为一种高精度、高灵敏度的无损测量技术，涵盖了物理、工程、化学、生物、医学、环境、食品等领域的测量，在高精度检测、生物医学、物质监测、环保等领域发挥重要作用，其可以测量物体的很小长度、位移、振动、应变、温度等多种物理量。在液面的油膜厚度测量领域，该技术能够实现对液面油膜厚度高精度和高稳定性的测量，光纤迈克尔逊干涉测量能够实现非接触、精度高、稳定性好等优点，并且不会对被测油液产生影响。

3、白光干涉测量技术是一种低相干测量方法。白光是一种复合光，一般由两个波长或者三个波长的光混合而成，通常所说的白光是包含多种颜色的光，用3种原色中的任意两种相互重叠，就会产生间色，蓝色、红色和绿色3种原色按一定比例混合就得到白光。白光干涉技术提到白光不是通常所说的这种白光，而是一种谱线宽度为几十纳米甚至上百纳米的发光二极管称之为白光，将发光二极管这种宽光谱的白光作为光纤传感器的光源，实现光谱域的光纤白光干涉测量技术，因光源的谱宽比较宽所以只有几十微米的相干长度，其干涉包络非常窄，能够测量光纤干涉仪的绝对光程差，且动态范围大，测量精度高。其基本原理是宽带光源输出的信号注入到光纤干涉仪，在输出端用光谱仪或者示波器按油膜上下表面位置接收干涉仪的输出光谱，通过分析输出的白光光谱特征就可以得到环境参量引起的干涉仪的绝对光程差。获得绝对光程差不需要本地接收干涉仪对光程差进行扫描，从而使得传感系统没有必要使用机械扫描装置，减小了系统的体积和重量，结构紧凑、可靠性高。因此，利用油膜厚度产生一定的光程差，结合光纤迈克尔逊干涉和白光干涉技术可以实现对油膜厚度的光程差实现绝对量的精确可靠测量。然而，像文献于龙成的硕士学位论文《水面油膜厚度及油品特性的白光干涉测量研究（2005）》采用步进电机来回扫描带动反射镜在参考臂光纤的外侧反射光信号，并且最好是在反射镜上再加振动装置，从而实现参考臂与传感臂的光程匹配来寻找白光干涉峰值的位置，体积和结构都比较大，反射光信号进入参考臂光纤调整起来也非常不方便，可靠性差，对干涉光谱的峰值寻找也依赖于步进电机的步长，步进电机越精密，价格越昂贵，而且参考臂和传感臂也不太好放置在同一个位置，这样使得测量装置易受环境的温度等参数干扰，文献中的参考臂也不只是光纤，而是包括光纤端面到步进电机上反射镜之间的空气，所以这段参考臂也易导致系统不稳定以及测量误差的增加。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出了一种液体表面的油膜厚度测量方法及系统，利用干涉测量精度高的特点以及白光干涉可以实现绝对物理量、绝对位置测量的特点，通过锯齿波驱动电压和多个管状压电陶瓷改变参考臂光纤的长度，从而实现对油膜上下表面的位置确定，最终实现油膜厚度的精确测量和信号解调。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种液体表面的油膜厚度测量方法，包括以下步骤：

4、获取液体表面的油膜，以及油膜和液体之间形成的油液分界面；

5、控制入射光照射液体表面的油膜，以使得所述油膜的表面和所述油液分界面分别产生菲涅尔反射光信号；

6、利用两所述菲涅尔反射光信号之间的光程差以及反射回来的宽带光源干涉信号的特征，判断所述油膜表面和所述油液分界面不同位置反射回来的光信号，得到油膜厚度的光程；

7、基于所述油膜厚度的光程以及所述油膜的油品折射率之间的预设关系，确定所述油膜的厚度。

8、本发明还提供了一种液体表面的油膜厚度测量系统，所述液体表面的油膜厚度测量系统用于实施所述液体表面的油膜厚度测量方法，包括：超辐射发光二极管sled光源、3db光纤耦合器、压电陶瓷及其驱动电压装置、光纤准直器、探测器及其数据处理部分、红光光源、波分复用器以及面阵ccd探测器；

9、所述超辐射发光二极管sled光源用于产生sled光信号；

10、所述3db光纤耦合器用于将所述sled光信号分成以1:1功率比的两路光信号；

11、所述光纤准直器用于将耦合后的一路光信号转换成平行光并入射到混入油膜的液体表面，同时接收油膜表面和油液分界面反射回来的光信号；

12、所述面阵ccd探测器用于探测油膜表面和油液分界面反射回来的红光光信号并进行显示；

13、所述压电陶瓷用于基于油膜表面和油液分界面反射回来的光信号，获得最大的干涉条纹峰值，基于所述最大的干涉条纹峰值，获得油膜厚度对应的光程，基于所述油膜厚度对应的光程，获得油膜的厚度；

14、所述压电陶瓷驱动电压装置用于利用参考臂光纤在压电陶瓷驱动电压的作用下伸缩变化，根据干涉条纹的光谱特点对油膜表面位置、油液分界面位置进行判断；

15、所述红光光源用于产生红光；

16、所述波分复用器用于将红光波长复用到传感臂光纤；

17、所述光纤准直器还用于基于复用到传感臂光纤上的红光波长，接收从油膜表面和油液分界面反射回来的光信号是否可以进入光纤准直器；

18、所述探测器及其数据处理部分用于接收耦合后的另一路光信号并转换成电信号。

19、优选的，所述压电陶瓷为n个管状压电陶瓷，n≥1，参考臂光纤分段分别缠绕于所述压电陶瓷的外表面，并用光学胶进行固定；

20、所述压电陶瓷的内外电极连接驱动电压的控制器，通过所述控制器施加锯齿波电压，使得所述压电陶瓷随着锯齿波的电压变化产生径向伸缩的位移，使得缠绕于所述外表面的参考臂光纤随着伸长或缩短。

21、优选的，利用两台测微仪或者其他光学方法测量出所述压电陶瓷在不同的驱动电压下形成的径向位移，即所述压电陶瓷的半径变化量δr，基于所述半径变化量δr，计算出光纤缠绕一圈的周长变化量δc，具体过程如下：

22、当驱动电压为v1时，测得所述压电陶瓷的半径变化量为δrv1，则δcv1=2π×δrv1；

23、基于周长变化量δcv1和光纤缠绕的圈数n，得出每一个压电陶瓷上缠绕的光纤伸长量δl与锯齿波驱动电压v1之间的关系δl=n×δcv1，进而得出每一个压电陶瓷上缠绕的光纤伸长量δl=n×2π×δrv1。

24、优选的，锯齿波的某一驱动电压与光纤伸长量δl一一对应，确定了光纤伸长量之后，计算光纤纤芯的折射率n1与光纤伸长量δl之积，得到对应的光程od1，具体表示为od1=n1×δl。

25、优选的，基于所述最大的干涉条纹峰值，获得油膜厚度对应的光程的过程包括：

26、在驱动电压增加的过程中，缠绕在压电陶瓷外表面的参考臂光纤的长度被拉长，然后在某一驱动电压下参考臂光纤的光程达到与传感臂光纤的长度、l空之和对应的光程一样，获得第一个大峰值的干涉图样的最大值，其中，l空是传感臂上光纤准直器的端面到油膜上表面之间的距离；

27、驱动电压继续增加，参考臂光纤继续被压电陶瓷拉长，当增加到某一驱动电压时参考臂光纤继续被拉长的量对应的光程等于油膜厚度对应的光程，获得第二个小峰值的干涉图样的最大值；

28、利用两个干涉图样的最大值两个时刻的驱动电压以及压电陶瓷的驱动电压v与光纤伸长量δl的关系，确定油膜厚度的对应的光程od2。

29、优选的，基于所述油膜厚度对应的光程，获得油膜的厚度的过程包括：

30、根据光程od2和油品成分的折射率n2计算出油膜厚度h，h=od2/n2。

31、优选的，判断从油膜表面和油液分界面反射回来的光信号是否可以进入光纤准直器的过程包括：

32、以红光颜色粗调；

33、根据面阵ccd探测器接收到的从油膜表面和油液分界面反射回来的红光光信号的光强分布进行微调，使反射回来的光信号进入传感臂光纤。

34、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

35、本发明不需要步进电机，更不需要振镜，参考光信号在光纤末端反射，而且末端的反射可以直径利用光纤端面与空气的菲涅尔反射就可以，装置简单、可靠，成本低。

36、本发明充分利用白光干涉技术、光纤迈克尔逊干涉技术、压电陶瓷改变参考臂光纤的伸长与缩短，实现油膜表面位置的定位、油液分界面位置的定位，利用压电陶瓷驱动电压与参考臂光纤伸长量之间的一一对应关系很容易确定对应的驱动电压参考臂光纤变化了多少，进而根据对应的压电陶瓷驱动电压确定油膜厚度对应的光程差，最后利用该光程差和油品成分的折射率即可得到油膜厚度，实现油膜厚度的精确和绝对测量，同时因为通过管状压电陶瓷改变参考臂光纤的长度来获取油膜表面位置、油液分界面位置的干涉峰，所以只要确定了对应的驱动电压就可以很快得到油膜的厚度，从而使得干涉信号的解调变得简单快捷。另外，参考臂无需复杂的机械扫描装置，所以参考臂光纤和传感臂光纤基本上可以放置于同一位置，这样可以避免温度等环境参数干扰测量装置，所以从整体设计上就可以做到误差更小、精度更高。

37、本发明提出的液面油膜厚度测量装置，不依赖其他精密仪器和机械扫描机构，构造简单、维护成本低，使用光纤迈克尔逊干涉技术、白光干涉测量技术和管状压电陶瓷实现液面油膜厚度的测量与信号解调，具有光路调整简单、快捷，测量安全可靠、信号解调方法简单、成本低、精度高等特点。