CN101571479B - 基于线阵ccd的光学液体浓度测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于线阵CCD的光学液体浓度测量装置及测量方法置。包括安装于密闭箱体中的点光源、线阵CCD芯片及处理电路单元，密闭箱体的下面的与光源及线阵CCD芯片相对应的位置处为与光源及线阵CCD芯片的形状相同的透光区，其特征是：还包括双面镀反光膜的梯形玻璃块，密闭箱体和梯形玻璃块浸于待测液体中，梯形玻璃块位于线阵CCD芯片和点光源下方，梯形玻璃块的上下表面与密闭箱体下表面平行，且梯形玻璃块的刻有不透光条纹的一个斜面对应点光源、另一斜面对应CCD芯片。本发明相对简便，易于使用，具有精度高、受液体流动和温度变化影响极小、可在腐蚀性等恶劣工业环境下工作等优点。

Description

基于线阵CCD的光学液体浓度测量装置及测量方法
(一)技术领域
本发明涉及的是一种液体浓度测量装置，本发明也涉及一种液体浓度测量方法。
(二)背景技术
在石油、化工、冶金、食品、医药等工业领域均需要对溶液浓度进行测量。传统的液体浓度光学测量方法中，如阿贝折射仪测量范围相对较小，且不能实现在线与自动测量；而用旋光仪测浓度，只适用于旋光性的溶液，也无法实现在线与自动测量，由于要靠人眼来判断三分视场的亮度是否相同，容易产生较大的误差。
随着现代光学技术与光电子技术的进步，电荷耦器件的精密制造技术及性能得到了快速发展。这使得利用线阵CCD的高分辨力测量液体折射率变化成为可能，并为液体浓度的测量提供了新的手段。
目前基于CCD的液体浓度测量方法主要有：一、基于线阵CCD的光学折射法：该方法的实现原理是让一束平行光斜入射到装有待测溶液的矩形玻璃的一个侧面，并从另一面射出，由CCD接收。出射光与入射光平行但不在同一直线上，即出射光相对于入射光有一侧向位移。由于溶液折射率受浓度变化影响，导致这一侧向位移随液体浓度的改变而变化。因此，可以根据位移量测出液位。这种方法采用LED作为光源，玻璃和液体不能过厚，否则减弱光信号，且灵敏度不高，入射角的变化增加测量误差。二、基于线阵CCD的棱镜最小偏向角法：该方法的实现原理是将溶液盛入空心三棱镜中，一束激光入射到三棱镜上，从另一面出射的光相对于入射光有一偏向角，记录出射光在满足最小偏向角情况下在CCD上成像的位置。当溶液浓度发生变化时，液体折射率改变，进而导致最小偏向角改变，在CCD上的成像出现位移。通过测量最小偏向角与浓度之间的关系，用查表方式可以测出液体浓度。该方法将最小偏向角与浓度之间的关系近似为线性进行拟合，且在测量偏向角时误差较大，易受外界环境影响，灵敏度不高。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种测量便捷、稳定度高、易于补偿、测量误差小的基于线阵CCD的光学液体浓度测量装置。本发明的目的还在于提供一种液体浓度测量方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的基于线阵CCD的光学液体浓度测量装置的组成包括安装于密闭箱体中的点光源、线阵CCD芯片及处理电路单元，密闭箱体的下面的与光源及线阵CCD芯片相对应的位置处为与光源及线阵CCD芯片的形状相同的透光区，还包括上下表面均镀反光膜且产生平面镜效果的双面镀反光膜的梯形玻璃块，密闭箱体和梯形玻璃块浸于待测液体中，梯形玻璃块位于线阵CCD芯片和点光源下方，且置有温度传感器，梯形玻璃块的上下表面与密闭箱体下表面平行，且梯形玻璃块对应点光源的斜面上刻有一条不透光条纹、梯形玻璃块的另一斜面对应CCD芯片。
本发明的基于线阵CCD的光学液体浓度测量装置还可以包括：
1、在线阵CCD芯片前有一光学放大镜。
2、所述的点光源是激光光源。
3、点光源沿线阵CCD芯片的长度方向布置。
4、所述的梯形玻璃块是一等腰梯形光学玻璃块。
基于本发明的测量装置的测量方法为：
由双面镀反光膜的梯形玻璃块与密闭于箱体中的点光源、线阵CCD芯片及处理电路单元构成的测量装置浸于待测液体中，其中梯形玻璃块必需完全浸在液体中；点光源产生平行光束，梯形玻璃块上下表面均镀反光膜且产生平面镜效果，梯形玻璃块固定于线阵CCD芯片和点光源下方，并梯形玻璃块的上下表面平行于线阵CCD芯片表面，将刻有不透光条纹的梯形玻璃块的一个斜面对应于点光源，另一斜面对应线阵CCD芯片，不透光条纹的宽度远远大于入射光波长，不产生干涉；点光源发出的平行光束透过液体斜入射到刻有不透光条纹的梯形玻璃块斜面上，初始状态下条纹位于光斑中间，光束将分成两束，并同时在液体和玻璃界面处发生折射，两束光在梯形玻璃块内部经过多次反射之后在另一个斜面再次发生折射，出射光透过液体射到线阵CCD芯片上；当液体浓度改变时，折射角发生变化，使得光束在玻璃内部的反射角也相应发生变化，在CCD上两束光的像斑随之出现位移，利用两像斑的位移量及像斑大小的相对变化获得液体浓度及温度补偿的信息。因为温度变化会导致光源、CCD、梯形玻璃块位置的相对改变，而两像斑大小的相对变化裹挟了相对尺寸变化信息。
本发明利用了激光的特性和液体浓度与折射率的关系及光学的折射、反射原理。以激光作为光源，入射光透过液体射入梯形玻璃块的一端，在玻璃内部经过多次的反射之后从另一端射出，再透过液体由CCD接收。由于液体浓度与折射率相关，当浓度变化时，入射光的折射角发生变化，导致光束在玻璃内部的反射角随之变化，进而使得从玻璃另一端出射的光束在CCD上像斑发生位移。因此，CCD上像斑便可与液体浓度建立对应关系，从像斑就可以测出液体的浓度。在入射端面上刻有条纹，条纹不透光，可以将入射光分成两束，两束光同时在CCD上成像，可以从中获得温度补偿的信息。该测量方法结构简单、易于布放，可以实时测量液体浓度的变化，并可在腐蚀性等恶劣工业环境中工作。
本发明是一种基于线阵CCD的光学液体浓度测量方法及装置，适用于透明及半透明液体的浓度测量。
(四)附图说明
图1是本发明的原理示意图；
图2是本发明中入射光在梯形玻璃块界面上的光斑示意图；
图3是本发明中线阵CCD成像示意图。
(五)具体实施方式
结合图1，基于线阵CCD的液体浓度光学测量装置包括激光光源5、线阵CCD芯片7、电路单元3(包括：CCD驱动、数据采集与处理和数据传输功能)、密闭箱体4、梯形玻璃块6。线阵CCD芯片7嵌于密闭箱体4下表面宽度与CCD芯片7宽度一样的开槽中，并在密闭箱体4内外两侧对开槽与CCD芯片7的缝隙实行密封。激光光源5同样嵌于箱体4下表面在CCD长度方向上的开槽中，与箱体4的缝隙密封。梯形玻璃块6上下表面镀银，固定于密闭箱体4下方，使梯形玻璃块6的上下表面与箱体4下表面平行，且刻有不透光条纹的一个斜面对应光源5，另一斜面对应CCD芯片7，条纹宽度远远大于入射光波长，不产生干涉。将密闭箱体4置于盛有待测液体2的容器1中，使线阵CCD芯片7、激光光源5与梯形玻璃块6均浸没在待测溶液2中，从激光光源5发出的激光透过待测溶液2射到梯形玻璃块斜面上，于是可得入射界面光斑示意图2，光束8被条纹9分成两束。光束在梯形玻璃块6中多次反射，从另一个斜面射出，两束出射光在CCD芯片7上成像如图3。待测液体浓度改变时折射率也随之变化，导致出射光在CCD芯片7上成像发生位移，通过这些位移信息可实现液体浓度测量。梯形玻璃块6具有放大位移的作用，为提高测量精度，可增加其厚度或者长度。
本发明的的装置中：光源由激光二极管构成，为提高测量灵敏度可在线阵CCD前加一放大镜，处理电路的逻辑功能可由FPGA或单片机实现；所述的处理电路包括CCD驱动电路、数据采集与处理电路、数据传输电路以及点光源驱动电路。梯形玻璃块固定于密闭箱体下方，可以与箱体合为一体，也可以单独放置。所述的双面镀反光膜梯形玻璃块是指一等腰梯形或由等腰梯形构成的光学玻璃块，且为提高测量精度所用光学玻璃材料的热膨胀系数应尽量小。

Claims (10)

1.一种基于线阵CCD的光学液体浓度测量装置，包括安装于密闭箱体中的点光源、线阵CCD芯片及处理电路单元，密闭箱体的下面的与点光源及线阵CCD芯片相对应的位置处为与点光源及线阵CCD芯片的形状相同的透光区，其特征是：还包括上下表面均镀反光膜且产生平面镜效果的双面镀反光膜的梯形玻璃块，密闭箱体和梯形玻璃块浸于待测液体中，梯形玻璃块位于线阵CCD芯片和点光源下方，且置有温度传感器，梯形玻璃块的上下表面与密闭箱体下表面平行，且梯形玻璃块对应点光源的斜面上刻有一条不透光条纹、梯形玻璃块的另一斜面对应CCD芯片。
2.根据权利要求1所述的基于线阵CCD的光学液体浓度测量装置，其特征是：在线阵CCD芯片前有一光学放大镜。
3.根据权利要求1或2所述的基于线阵CCD的光学液体浓度测量装置，其特征是：所述的点光源是激光光源。
4.根据权利要求1或2所述的基于线阵CCD的光学液体浓度测量装置，其特征是：点光源沿线阵CCD芯片的长度方向布置。
5.根据权利要求3所述的基于线阵CCD的光学液体浓度测量装置，其特征是：点光源沿线阵CCD芯片的长度方向布置。
6.根据权利要求1或2所述的基于线阵CCD的光学液体浓度测量装置，其特征是：所述的梯形玻璃块是一等腰梯形光学玻璃块。
7.根据权利要求3所述的基于线阵CCD的光学液体浓度测量装置，其特征是：所述的梯形玻璃块是一等腰梯形光学玻璃块。
8.根据权利要求4所述的基于线阵CCD的光学液体浓度测量装置，其特征是：所述的梯形玻璃块是一等腰梯形光学玻璃块。
9.根据权利要求5所述的基于线阵CCD的光学液体浓度测量装置，其特征是：所述的梯形玻璃块是一等腰梯形光学玻璃块。
10.一种基于线阵CCD的光学液体浓度测量方法，其特征是：
由双面镀反光膜的梯形玻璃块与密闭于箱体中的点光源、线阵CCD芯片及处理电路单元构成的测量装置浸于待测液体中，其中梯形玻璃块必须完全浸在液体中；点光源产生平行光束，梯形玻璃块上下表面均镀反光膜且产生平面镜效果，梯形玻璃块固定于线阵CCD芯片和点光源下方，并梯形玻璃块的上下表面平行于线阵CCD芯片表面，将刻有不透光条纹的梯形玻璃块的一个斜面对应于点光源，另一斜面对应线阵CCD芯片，不透光条纹的宽度远远大于入射光波长，不产生干涉；点光源发出的平行光束透过液体斜入射到刻有不透光条纹的梯形玻璃块斜面上，初始状态下条纹位于光斑中间，光束将分成两束，并同时在液体和玻璃界面处发生折射，两束光在梯形玻璃块内部经过多次反射之后在另一个斜面再次发生折射，出射光透过液体射到线阵CCD芯片上；当液体浓度改变时，折射角发生变化，使得光束在玻璃内部的反射角也相应发生变化，在CCD芯片上两束光的像斑随之出现位移，利用两像斑的位移量及像斑大小的相对变化获得液体浓度及温度补偿的信息；因为温度变化会导致点光源、CCD芯片、梯形玻璃块位置的相对改变，而两像斑大小的相对变化反映了点光源、CCD芯片、梯形玻璃块位置的相对变化信息。
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