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专利号: 2023112771926
申请人: 广东海洋大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2026-04-06
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种液体表面的油膜厚度测量系统,其特征在于,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;

所述超辐射发光二极管SLED光源用于产生SLED光信号;

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;

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;

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;

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;

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;

所述红光光源用于产生红光;

所述波分复用器用于将红光波长复用到传感臂光纤;

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;

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;

所述系统的实现方法: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;

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;

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,判断所述油膜的表面和所述油液分界面的不同位置反射回来的光信号,得到油膜厚度的光程;

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。

2.根据权利要求1所述的液体表面的油膜厚度测量系统,其特征在于,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;

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。

3.根据权利要求2所述的液体表面的油膜厚度测量系统,其特征在于,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: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;

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。

4.根据权利要求3所述的液体表面的油膜厚度测量系统,其特征在于,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。

5.根据权利要求4所述的液体表面的油膜厚度测量系统,其特征在于,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: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;

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;

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。

6.根据权利要求5所述的液体表面的油膜厚度测量系统,其特征在于,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: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。

7.根据权利要求1所述的液体表面的油膜厚度测量系统,其特征在于,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:以红光颜色粗调;

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。