液滴分析仪的机械结构设计

姚 尧，田郁郁，王志鹏，程 鹏

（天津市计量监督检测科学研究院，天津 300192）

0 引言

液滴分析技术（DAT：Drop Analysis Technology）[1,2]是利用光纤、电容传感器获得液体在形成液滴过程中的光、电信号，而获得液体特性的新技术。以电容信号为横坐标，光纤信号为纵坐标，可得到反映液体特性的曲线。该曲线可作为识别不同液体的依据，被称为“基于体积的液滴指纹图”[3-5]。其特征就像人手的指纹可用来识别人的身份一样，根据此图可以对液体进行定性识别。实现了液滴分析技术在线监测的可行性，使其可以直接对样品自动取样、测试分析，应用于水质监测变化、酒品饮料的监测。

1 液滴分析技术测量原理

如图1 所示，光纤液滴传感器主要由液滴滴头、输入光纤、输出光纤和供液管组成。光源发出的光，经过输入光纤导入液滴，光线在液滴内部经完全内反射、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。

在液滴体积变化的过程中，电容液滴传感器的电容变化为：

图1 传感器结构示意图Fig.1 Structure of the sensor

图2 液滴分析仪整体结构图Fig.2 Overall structure of droplet analyzer

其中，h 为液滴底部至残留液滴底部的高度，h 随液滴生长过程而变化，R 为环形电极的内圆半径，r 为液滴半径，ε0为真空介电常数，ε1为被测液体在实测环境温度范围内的相对介电常数，εa为环形极板与液滴之间的空气的相对介电常数。

2 液滴分析仪的传感器结构设计

液滴分析仪的整体结构如图2 所示。滴头、环形极板组成电容传感器两电极，滴头通过间隙配合固定在下支撑套上，环形极板的安装位置利用定位芯来保证。在测量电路中，环形极板作为电荷信号检测端，其极易受外界干扰。因此，设计了电容上、下屏蔽罩，把外界干扰与环形极板隔离开，保证测量的稳定性。

2.1 电容传感器核心部件

2.1.1 滴头

滴头是形成稳定液滴、支撑光纤的基础，综合考虑到被测液体对滴头底端固体表面的湿润性及电容理论模型，滴头下端面的直径为6mm，如图3 所示，下端面呈倒锥形，有利于形成完整的液滴[6]。滴头中心有中心孔，供液管插入其中。中心孔两侧对称的位置上留有两个光纤插孔，光纤探头插入其中。

2.1.2 环形极板及上、下屏蔽罩

环形极板作为圆柱电容模型的外极板，材料选用黄铜，要求其中心轴与滴头中心轴重合。如图4 所示，途中环形极板长度应大于液滴尚未滴落过程中的最大拉伸长度，本文设计为14mm。环形极板下部有直径为2mm 的孔，屏蔽线内芯插入其中，环形极板的电荷信号通过屏蔽线内芯传输到测量电路。

图3 滴头结构图Fig.3 Structure of the water dropper

图4 环形极板结构图Fig.4 Structure of toroidal electrode plate

图5 圆柱电容上、下屏蔽罩结构示意图Fig.5 Structure of upper and lower shielding can of cylindrical capacitor

图6 电容传感器定位示意图Fig.6 Diagram of capacitive transducer positoning

图7 轨道示意图Fig.7 Diagram of track

图8 垫片示意图Fig.8 Diagram of gasket

2.1.3 上、下屏蔽罩

测量电路通过“地端”“待测端”两路信号与电容传感器两极板相连，实时测量电容值。液滴生长过程中，滴头长度不断变化，其电荷量也不断变化。测量时，将带电量不稳定的滴头端接入测量电路地端，将环形极板接入测量电路待测端。由于理论电容值只有pF 级，极易受外界因素的干扰，在环形极板外部设计了电容上、下屏蔽罩，如图5 所示。屏蔽罩内壁与环形极板外壁间隙为0.5mm，两屏蔽罩与屏蔽线的外屏蔽层相连，共同接入测量电路屏蔽端。

2.1.4 下支撑套

下支撑套材料采用聚四氟乙烯，完成电容、光纤传感器以及电路板的固定功能。下支撑套结构如图6 所示。其上部和下部分别开有4 个圆孔，用于电容信号线走线。同时，通过它们可以方便地观察电容极板安装位置及光纤插入情况。下支撑套内部开有螺纹孔，塑料顶片通过此螺纹孔从下部旋入下支撑套，将电容下屏蔽罩竖直方向位置固定。下支撑套中部留有圆孔，与滴头通过过盈配合完成滴头的装卡。

2.2 光纤传感器核心部件

2.2.1 轨道

本文设计了光纤探头竖直位移的轨道，此轨道保证了光纤运动的直线度。轨道一侧开有螺纹孔，通过螺钉将光线探头夹持在所需位置。如图7 所示，轨道另一侧开有一角度为50°的阶梯长孔，供液管通过此孔插入到滴头内部供液。轨道外侧与下支撑套内壁配合，通过轨道下部3 个呈120°圆周对称的孔固定其位置。

2.2.2 垫片

垫片如图8 所示，中心有直径为2mm 的孔，上平面对于下平面的平行度要求为0.01mm。由于垫片厚度相差仅为0.1mm，采用两平行度很高的塞尺作为加工原料，利用线切割技术加工垫片。选用0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、1mm 六种规格厚度的塞尺进行加工，叠加使用得到厚度从1.1mm ～2.4mm 的垫片。更换厚度不同的垫片，叠加组合成所需高度，使得光纤插入深度随之变化。光纤插入深度不同，所得的液滴指纹图也不同。通过实验找到光纤探头插入的最佳深度后，再将光纤探头固定于这一位置。

2.2.3 圆柱芯

圆柱芯基本形状为一阶梯轴。下端以过盈配合的方式插入圆柱导轨上端中心孔内。圆柱芯上端圆柱边线与滴头下端内锥端面接触，保证了圆柱芯与滴头的同轴度。光纤探头、垫片及圆柱芯相对位置如图9 所示。

图9 传感器相对位置局部放大图Fig.9 Partial enlargement of relative location of the sensor

图10 不同光纤端面插入深度的绵竹酒液滴指纹图Fig.10 Droplet footprints of Mianzhu wine with different insertion depth of optical fiber end face

表1 不同厚度垫片对应光纤指纹图特征数量统计表Table 1 Statistics of feature amount of optical fiber footprints with different thickness of gaskets

3 实验与分析

3.1 光纤插入深度实验

选择绵竹酒为被测对象，分别用不同厚度的垫片限制光纤探头端面在滴头中的插入深度，做指纹图提取实验，将6 种规格的垫片拼起使用可以实现0.2mm ～2.0mm 的厚度。记录垫片的每一厚度对应的液滴指纹图，10 组光纤指纹图如图10 所示。

3.2 液滴指纹图特征峰统计

随垫片厚度的线性增加，光纤端面插入滴头的深度线性递减，而液滴指纹图张力峰（将液滴指纹图中后部的较大幅度的峰定义为“张力峰”），随垫片厚度的增加呈递减趋势。在垫片厚度在1.0mm 以下的范围内，张力峰与彩虹峰（将除扰动外的第一个拱形峰定义为“彩虹峰”）之间的波谷有一段为零的区域，这段区域的产生是光纤探头穿透液滴底部边缘轮廓造成的，该区域对应的液滴指纹图特征已丢失。在垫片厚度为0.2mm 时，液滴指纹图没有出现肩峰及彩虹峰，只出现张力峰，前半液滴周期的液滴指纹图特征也已丢失。在垫片厚度为1.0mm 及以下的范围内，液滴指纹图初始值均为零，此范围内光纤探头穿透了残留液滴的底部边缘轮廓。实验中测量水、农夫山泉、利民料酒、绵竹酒、绿茶、天立醋、雪花啤酒7 种液体在每一厚度所对应指纹图，统计每一厚度垫片对应的6 种液滴指纹图初始值、谷值为零的数量，以及彩虹峰肩峰（在液滴指纹图彩虹峰前部还出现一个小幅度凸起的肩峰，将此肩峰定义为“彩虹峰肩峰”）、张力峰肩峰（将液滴指纹图张力峰后部出现的小幅度凸起峰定义为“张力峰肩峰”）的数量，如表1 所示。

在光纤端面插入深度位置的选择方面，需要选择某一深度位置，使得该深度位置对应的液滴指纹图暴露尽可能多的信息，即总特征数量尽可能多。由表1 可知，随垫片厚度的增加，总特征数量呈上升趋势，取1.6mm、1.8mm、2.0mm 垫片厚度作为备选垫片厚度。由图10 可知，随垫片厚度的增加，光信号强度呈下降趋势，即光信号曲线与横轴所包围的面积呈下降趋势。选择1.8mm 厚度作为最终光纤端面插入深度的限制垫片厚度，所得光纤指纹图既可以暴露较多的特征，其光信号强度又不过于微弱。

4 结论

本文所设计的定位芯结构考虑到电容传感器的稳定性，保证了电容传感器两电极间的同轴度。选定厚度为1.8mm的垫片能够实现最优的液滴指纹图，利于找出特征最强的位置，使得液滴实验得以再现最佳状态，为实现基于液滴指纹图的液体识别奠定了基础。