光纤、电容液滴分析仪(二):系统设计

　　1　引　　言

　　光纤、电容液滴分析仪(FCDA:Fiber CapacitiveDrop Analyzer)利用光纤液滴分析技术和电容液滴分析技术制成特殊的液滴传感器,获取经过液滴的光强信号随液滴生长变化的规律,得到反映液体综合特性的“液滴指纹图”。图1为光纤、电容液滴分析仪的总体设计原理框图,仪器的基本工作原理、信号分析和样品实验在“光纤、电容液滴分析仪(一):原理与实验”中已经作了详细的阐述[1],主要介绍该仪器的系统设计方案和各组成部分的具体实现方法,解决光纤液滴分析方法和电容液滴分析方法在技术组合时遇到的机械结构、信号采集与处理及仪器控制等方面的问题。

　　根据图1,光纤、电容液滴分析仪的设计主要包括以下四个部分:光纤、电容液滴传感器的设计;程控微量供液系统的设计;光纤信号和电容信号处理电路的设计;仪器研究平台的开发,数据采集和数据、图形处理软件的编制。下面逐一进行介绍。

　　2　光纤、电容液滴传感器

　　液滴分析技术的基本要求是:对一定的被测液体,应形成一个形状唯一的稳定液滴。因此,液滴传感器的核心零件为滴头,它的作用是形成液滴并导入光纤。滴头的形状结构和几何尺寸,对液滴的体积、轮廓形状以及液滴的生长过程都有着十分密切的关系[2]。图2为液滴滴头的机械结构图。

　　由于滴头尺寸微小,考虑到加工性能和滴头的导电性能,滴头材料选择黄铜。注液孔设计为阶梯孔,上方大孔为Φ1.6mm,与外部供液装置连接,如与注液针管相连;下方毛细管孔径设计为1mm。由于必须留有光纤插孔的位置,滴头下端面直径应至少设计成6mm。同时,根据电容液滴传感器数学模型的要求[3],滴头半径为3mm也是合理的。

　　滴头底端面设计成锥角为90°的倒锥形,是为了增强被测液体对滴头底端固体表面的湿润性能[4],有利于形成饱满、形状均匀的液滴。经过实验验证,取得了预期的效果。

　　图3为光纤、电容液滴传感器的机械结构装配图。输入光纤和输出光纤插入液滴滴头的两个光纤孔中,输入光纤将调制后的光源信号导入液滴,光线在液滴内部经完全内反射(TIR:Total Internal Reflection)、透射及液体吸收等作用,部分进入输出光纤作为信号传出。这部分传出光的光强度变化,包含了液滴的物理、化学综合特性信息[5]。

　　对相同形状和体积的液滴来说,如果输入、输出光纤端面相对于滴头底面的高度位置不同,即光纤插入液滴内部的深度不同,那么光线在液滴内部的传播路径也将不同,这必然导致接收光信号的不同。因此,对特定的系统,光纤的位置确定以后,是不能够再变动的,否则液滴指纹图将失去可比性。确定光纤位置的原则是在信号不失真的前提下,光纤信号最强,液滴指纹　　图特征最明显。