温度对液滴指纹图水质识别的影响分析*

冯国红，裘祖荣 ，廖和琴

(1.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072;2.东北林业大学工程技术学院，哈尔滨150040)

液滴分析技术是依据一定测试条件下得到的液滴指纹图，来细微识别液体的［1－3］。如图1所示，在同一测试条件下，得到的两种矿泉水的液滴指纹图存在明显差别，可见，可以借助液体的液滴指纹图进行不同水质的识别。

目前液滴分析技术的研究，主要是在保证测试条件相同的前提下，获得不同液体的液滴指纹图，通过对液滴指纹图进行特征提取，实现液体的识别。但在实际应用中，很难保证测试条件不变，尤其是水本身温度及周围环境温度，此时水本身温度及环境温度的变化是否会引起液滴指纹图发生很大变化?如果液滴指纹图受这两方面温度影响较大，将不利于液滴分析仪进行户外连续监测，设计仪器时，需要设计温度补偿方案;如果影响较小，则不需要进行温度补偿设计。可见，研究温度对液滴指纹图的影响，对设计投入实际应用的水质液滴分析仪，有着不容忽视的实际意义。

图1 两种矿泉水的液滴指纹图

目前用于液滴分析技术采用的方法主要有光纤液滴分析法［4－5］，电容液滴分析法［6－7］，光纤、电容液滴分析法［8］，图像液滴分析法和光谱液滴分析法等［9－10］。其中光纤、电容液滴分析法是光纤液滴分析技术和电容液滴分析技术的融合，既可以获得液滴形成时的轮廓信息，又可以获得液滴不同生长时刻的体积信息。将两者信号融合，形成的基于体积的液滴指纹图，不受供液泵供液速度的影响，提高了测量的重复性和可比性。本文将基于光纤、电容液滴分析技术，在环境温度基本不变，水本身由较高温度(57℃)降至接近室温(31.3℃)期间，连续采集液滴指纹图，比较各组液滴指纹图，给出光纤信号和电容信号的变化幅度;并由光纤信号与折射率，电容信号与表面张力和介电常数的关系，计算不同温度下纯水的光纤信号和电容信号的变化幅度。

1 光纤、电容液滴分析法原理

光纤、电容液滴分析法的原理框图如图2所示。

图2 光纤、电容液滴分析仪原理框图

液体由供液泵推动注射器、经毛细管缓慢流向滴头，由滴头形成液滴。

光纤传感器由光源、输入光纤和输出光纤组成。光源发出的光，由输入光纤导入液滴，光线经液滴反射、吸收和透射等作用后，部分反射光进入输出光纤，经光电二极管接收，转换成电信号，再对电信号做相应的放大滤波处理后，由采集卡进入计算机，得到光纤液滴指纹图。

电容传感器由环形极板和滴头组成。随着液滴生长过程中体积和形状的变化，电容液滴传感器的电容量也随之发生变化，且二者呈线性关系。液滴体积(V)与电容变化量(C－C0)的关系为［11］:

式(1)中，V是液滴体积(m3);C0是无液滴时，环形极板和滴头形成的本体电容(pF)，C是液滴体积V时的电容值(pF);ε0为真空介电常数(F/m)，其值为8.85×10－12F/m，εa为电容液滴传感器的环形极板与液滴之间的空气相对介电常数，其值为1，ε1为被测液体在实测环境温度范围内的相对介电常数;k1(m2)，k2(无量纲)是与滴头的几何尺寸有关的修正系数，本文滴头半径 r=3 mm，k1=11.23×10－6m2，k2=0.185。

电容传感器获得的电容值，通过电容信号处理电路［12－13］，由采集卡进入计算机，可得到电容体积变化曲线。

将得到的电容信号做横坐标，对应的光纤信号做纵坐标，可得到基于体积的液滴指纹图。

2 水本身温度对液滴指纹图的影响分析

为了研究当环境温度基本保持不变、被测液体本身温度发生变化时，液滴指纹图受影响的程度。本文在室内温度为26.3℃ ～27.1℃时，对20 mL注射器中水温由较高(57℃)降至接近室温(31.3℃)期间，连续采集了16组液滴指纹图。经过比较各组液滴指纹图，发现各组液滴指纹图几乎重合。为了表示清晰，文中仅给出最开始(第1组)、中间组(第8组)及最后一组(第16组)的液滴指纹图，如图3所示。

图3 注射器中水温下降过程中的液滴指纹图

为了定量对比每组液滴指纹图的变化情况，考虑到光纤信号和电容信号最大值(Vmax)不受液滴生长时间影响，比较有代表性，如图4和图5所示。本文将每组液滴指纹图的光纤信号和电容信号最大值(Vmax)进行了汇总比较，得到的数值如表1所示。

由表1可知，在水温由57℃降至31.3℃期间，光纤信号和电容信号最大值最大变化分别为0.17%和1.23%。通过对系统进行稳定性实验，发现半小时内系统采集到液滴指纹图中，光纤信号最大值(Vmax)最大变化 0.16%，电容信号最大值(Vmax)最大变化0.99%。可见水温由57℃降至31.3℃期间，光纤信号和电容信号最大值最大变化与系统误差相当。

图4 光纤液滴指纹图

图5 电容信号的变化曲线

表1 光纤信号及电容信号的最大值汇总

为什么液体本身温度相差25.7℃，对液滴指纹图影响这么小呢?分析原因发现，实验装置中采用的毛细管直径为3 mm、长度为41 cm，仅可存储约3 mL的水。在流速很慢的情况下，毛细管中温度很快接近测量环境温度，再加上一滴液滴的体积仅为0.08 mL左右，液滴从生成到滴落大约需20 s，因此，尽管注射器中液体温度很高，但是经毛细管流到滴头形成的液滴温度基本接近了测量环境温度，而整个测试过程中，室温最大变化为0.8℃，从而使得到的液滴指纹图几乎重合。

3 环境温度对液滴指纹图的影响分析

由水本身温度对液滴指纹图影响分析的结论可知，环境温度的变化，将导致被测液滴产生相同的温度变化。因此，本文以纯水为例，对液滴温度对光纤、电容信号的影响进行了计算，以此反映环境温度对液滴指纹图的影响。

3.1 光纤信号的影响分析

光从一种介质入射到另一种介质时，将发生反射，折射和吸收。如果入射光的强度为I0，吸收光的强度为Ia，透过光的强度为It，反射光的强度为Ir，则它们之间的关系为:

吸收光强主要由液体成分、浓度和厚度决定，温度改变时，对吸收光强影响较小，可忽略。此时引起液滴指纹图中光纤信号改变的主要是反射光强，且两者成正比关系。反射光强与入射光强之间的关系为:

式(3)中，ρ为反射率。在入射光强不变的情况下，光纤信号的相对变化与反射率的相对变化相等。下面分析一下，不同温度下，反射率的相对变化情况。

当光以入射角θ1从折射率n1的介质射向折射率为 n2、折射角为 θ2的介质时，反射率 ρ可表示为［14］:

当光线垂直入射或入射角很小时，式(4)可简化为:

液滴分析中，光是从水中射向空气，故有n2=1，反射率ρ主要取决于n1。本文为简化起见，仅考虑折射角很小的情况。

由物理化学简明手册查得［15］，水在不同温度下的折射率，如表2所示。

表2 不同温度下水的折射率n1

由式(5)和表2中数据，可计算出不同温度下水的反射率大小，如表3所示。

表3 不同温度下水的反射率ρ

由表3中得到的反射率数据，可计算出表3中任意温度差引起的反射率的相对变化率。本文计算了几种典型温度范围的反射率变化率，如表4所示。

表4 几种典型温度范围水的反射率变化率

3.2 电容信号的影响分析

由式(1)可知，电容信号的大小与被测液滴的体积及介电常数有关。

又由物理化学简明手册可知，表面张力γ(mN/m)与液滴体积V(m3)之间的关系为:

式(8)中:d为被测液体与周围介质的密度差异系数(kg/m3)，简化时可用被测液体的密度ρ(kg/m3)代替，g为测量当地的重力加速度(m2/s)，r为毛细管外圈半径(m)，F是经验修正系数。

由物理化学手册查得，不同温度下水的表面张力及介电常数值如表5和表6所示。

表5 不同温度下水的表面张力γ

表6 不同温度下水的介电常数εl

由式(6)及表6中数据，可计算出不同温度下水的ε，如表7所示。

表7 不同温度下水的ε

由式(9)、表5及表7中数据，可计算出表5中任意两个温度差之间的电容相对变化量，这里给出几个典型温度变化范围的电容相对变化情况。

由于实验室环境温度变化在1℃左右，而现有液滴分析仪实验系统的光纤信号误差为0.16%、电容信号误差为0.99%，因此，暂时无法进行此部分的实验验证。

4 结语

在环境温度基本不变，对水温由57℃降至31.3℃期间，进行了连续采集液滴指纹图实验，分析了水本身温度对液滴指纹图的影响;由不同温度下纯水的折射率、表面张力和介电常数值，分析了环境温度对纯水液滴指纹图中光纤信号和电容信号的影响大小，得出结论如下:

(1)液体本身温度对液滴指纹图几乎无影响。

(2)环境温度对光纤信号的影响比对电容信号影响小。

(3)环境温度相差较小，如18℃ ～20℃，光纤信号和电容信号的相对变化仅为0.1%和0.5%，可忽略不计;

(4)环境温度相差较大，如18℃ ～30℃，光纤信号和电容信号的相对变化分别为0.64%和3%，对电容信号影响较大。识别精度要求较高时，需要进行温度补偿。

由上述结论可以看出，液体本身温度不影响液滴指纹图识别水中的成分及硬度、粘度等;环境温度变化大时，识别时需要进行温度补偿，此时只需要用普通温度计或在系统中加入温度传感器测出环境温度，根据环境温度对光纤、电容信号影响的大小进行补偿即可，较容易实现。需要说明的是，关于环境温度对光纤信号和电容信号的影响，本文仅进行了理论推导，推导过程中采用了近似计算，因此，本文的结果对实际温度补偿设计仅起到参考作用，实际补偿数据还需要通过实验获得。

［1］ 刘晶，宋晴，黄加勇，等.基于液滴指纹图的波形分析算法的改进［J］.计算机测量与控制，2011，19(3):670－672.

［2］ Sun Wei-Min，Liu Qiang，Li Ying-Juan，et al.Analysis of Liquid Samples of Alcohol Solutions etc.Based on the Fiber Fingerprint Drop Trace［J］.Journal of Harbin Engineering University，2006，27(6):931－934.

［3］ Sun Wei-min，Li Xiao-mei，Zeng You-min，et al.The Application of Cross-Correlation Analysis in the Fiber Fingerprint Drop Trace［J］.Acta Photonica Sinica，2007，36(11):2033－6.

［4］ Sun Weimin，WangXiaoli，ZhangZhilin，etal.Studyon Propagation of Light inside Liquid Drop［J］.Acta Optica Sinica，2008，28(7):1257－1261.

［5］ Liu Qiang，Sun Wei-Min，Li Ying-Juan，et al.Liquid Testing Using Fiber Drop Sensors［J］.Optical Technique，2006，32(1):65－70.

［6］ Wang C H，Augousti A T，Mason J，et al.The Capacitive Drop Tensiometer—A Novel Multianalysing Technique for Measuring the Properties of Liquids［J］.Measurement Science ＆ Technology，1999，10(1):19－24.

［7］ Ernst A，Streule W，Schmitt N，et al.A Capacitive Sensor for Non-Contact Nanoliter Droplet Detection［J］.Sensors and Actuators:A Physical，2009，153(1):57－63.

［8］ Song Qing，Zhang Guoxiong，Qiu Zurong.Improvementsin Microflow Feeding Pump and Measurement Software of the Optoelectronic Liquid Signature Analyzer［J］.Mechanics Based Design of Structures and Machines，2007，35(3):245－66.

［9］ Chen Haixiu，Zhang Guoxiong，Qiu Zurong，et al.Liquid Drop Measuring Device for Analyzing Liquid Properties［J］.Transactions of Tianjin University，2006，12(2):121－124.

［10］ Chen Haixiu， Tang Huiqiang. Application of Miniature Spectrometer in Liquid Signature Analysis Technology［J］.Applied Optics，2011，50(26):5093－5098.

［11］裘祖荣，张永杰，李杏华.液滴传感器结构以及数据处理方法的研究［J］.电子测量技术，2008，31(8):41－43.

［12］刘摇瑾，杨海马，陈摇军，等.电容传感器的信号处理及其在机床主轴热变形测量中的应用研究［J］.传感技术学报，2011，24(1):149－154.

［13］王斌，黄晓东，秦明，等.一种微电容式传感器检测电路的分析与改进［J］.传感技术学报，2008，21(2):265－268.

［14］竺子民.物理光学［M］.武汉:华中科技大学出版社，2009.

［15］印水嘉.物理化学简明手册［M］.北京:高等教育出版社，1988.