CN101609044B - 基于线阵ccd和梯形玻璃块的液体浓度测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于线阵CCD和梯形玻璃块的液体浓度测量装置及方法。以激光作为光源，入射光束透过液体射入异型玻璃体的一端，光束在玻璃体内部的两个对面上经过多次的反射之后从另一端射出，再透过液体由CCD接收。当浓度变化时，入射光在玻璃体内的折射角发生变化，导致光束在玻璃内部的反射角随之变化，又由于玻璃体内两反射面成一定角度，从而使得从玻璃另一端出射的光束在CCD上像斑发生较大位移，测量灵敏度比等腰梯形玻璃体方案要高很多。将CCD上像斑位置与液体浓度建立对应关系后，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。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种液体浓度测量方法及装置，具体地说是一种基于线阵CCD和梯形玻璃块的液体浓度光学测量方法及测量装置。
(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具有测量便捷、灵敏度高、易于补偿、测量误差小等特点的基于线阵CCD和梯形玻璃块的液体浓度测量装置。本发明的目的还在于提供一种液体浓度是为测量方法。
本发明的目的是这样实现的：
基于线阵CCD和梯形玻璃块的液体浓度测量装置包括激光光源、线阵CCD芯片、电路单元、密闭箱体和梯形玻璃块；线阵CCD芯片嵌于密闭箱体下表面上的宽度与线阵CCD芯片宽度一样的开槽中，并在密闭箱体内外两侧对开槽与线阵CCD芯片的缝隙实行密封；激光光源同样嵌于密闭箱体下表面上的开槽中，与密闭箱体的缝隙密封；梯形玻璃块的上表面、下表面分别镀银，梯形玻璃块的一个侧面刻有不透光条纹，梯形玻璃块固定于密闭箱体下方，且刻有不透光条纹的侧面对应激光光源，另一侧面对应线阵CCD芯片7的工作面；电路单元设置于密闭箱体中。
所述的梯形玻璃块的上表面和下表面对玻璃体内形成光学反射镜，并且两平面不平行。
所述梯形玻璃块的刻有不透光条纹的侧面与该侧面相对应的另一侧面不平行。
本发明的测量方法为：
采用基于线阵CCD和梯形玻璃块的液体浓度测量装置，所述装置的构成包括激光光源、线阵CCD芯片、电路单元、密闭箱体和梯形玻璃块；线阵CCD芯片嵌于密闭箱体下表面上的宽度与线阵CCD芯片宽度一样的开槽中，并在密闭箱体内外两侧对开槽与线阵CCD芯片的缝隙实行密封；激光光源同样嵌于密闭箱体下表面上的开槽中，与密闭箱体的缝隙密封；梯形玻璃块的上表面、下表面分别镀银，梯形玻璃块的一个侧面刻有不透光条纹，梯形玻璃块固定于密闭箱体下方，且刻有不透光条纹的侧面对应激光光源，另一侧面对应线阵CCD芯片7的工作面；电路单元设置于密闭箱体中；将密闭箱体置于盛有待测液体的容器中，使线阵CCD芯片、激光光源与梯形玻璃块均浸没在待测溶液中，从激光光源发出的激光透过待测溶液射到梯形玻璃块侧面上，光束被条纹分成两束，光束在梯形玻璃块中多次反射，从另一个斜面射出，两束出射光在线阵CCD芯片上成像，待测液体浓度改变时折射率也随之变化，导致出射光在线阵CCD芯片上成像发生较大位移，通过这些位移信息实现液体浓度测量。
本发明的测量装置由一块梯形玻璃块与密闭于箱体中的点光源、线阵CCD及其处理电路构成，梯形玻璃块的上表面和下表面对玻璃体内形成光学反射镜，并且两平面不平行。将该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。线阵CCD嵌于密闭箱体下表面上的长、宽与线阵CCD芯片的长、宽一样的开槽中，并对开槽与CCD芯片的缝隙实行密封，线阵CCD工作面与梯形玻璃块的某一侧面成一定角度；作为光源的激光二极管置于梯形玻璃块的另一侧面，光束与这一侧面成一定角度。梯形玻璃块固定于箱体下方，且与光源对应的侧面刻有不透光条纹，条纹宽度远远大于入射光波长，不产生干涉。
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的某一侧面上，初始状态下条纹位于光斑中间，因此光束将分成两束，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上。由于液体折射率随着浓度变化而变化，当液体浓度改变时，折射角发生变化，由于梯形玻璃块的上表面和下表面不平行，所以光束在玻璃体内部的反射过程中折射角的变化得到放大，最终在线阵CCD上两束光的像斑都出现同一方向的较大位移。利用两像斑的位移量及像斑大小的相对变化可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。
该测量方法相对简便，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。
本发明基于线阵CCD的液体浓度光学测量方法是通过这样的装置来实现的：
光源由激光二极管构成，处理电路的逻辑功能可由FPGA或单片机实现，光源与线阵CCD集成于密闭箱体中；线阵CCD嵌于密闭箱体表面上宽度与CCD芯片宽度一样的开槽中，并在密闭箱体内外两侧对开槽与CCD芯片的缝隙实行密封；激光二极管同样嵌于箱体表面且密封缝隙；上下表面镀膜的梯形玻璃块固定在箱体下方，线阵CCD工作面与梯形玻璃块的某一侧面相对，光源与梯形玻璃块刻有不透光条纹的另一侧面相对。
本发明的装置还可以包括：
1、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。
2、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。
(四)附图说明
图1是本发明的原理示意图；
图2是本发明中梯形玻璃块示意图；
图3是本发明中入射光在梯形玻璃块界面上的光斑示意图；
图4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下表面的开槽中，与箱体4的缝隙密封。梯形玻璃块6上表面10、下表面11分别镀银，固定于密闭箱体4下方，且刻有不透光条纹的侧面对应光源5，另一侧面对应线阵CCD芯片7的工作面。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射到梯形玻璃块侧面上，于是可得入射界面光斑示意图3，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，两束出射光在线阵CCD芯片7上成像如图4。待测液体浓度改变时折射率也随之变化，导致出射光在线阵CCD芯片7上成像发生较大位移，通过这些位移信息可实现液体浓度测量。梯形玻璃块6具有放大入射端折射角变化的作用。
该方法利用液体浓度与折射率的关系及光线在异型玻璃体中的折射、反射原理，以激光作为光源，入射光束透过液体射入异型玻璃体的一端，光束在玻璃体内部的两个对面上经过多次的反射之后从另一端射出，再透过液体由CCD接收。当浓度变化时，入射光在玻璃体内的折射角发生变化，导致光束在玻璃内部的反射角随之变化，又由于玻璃体内两反射面成一定角度，从而使得从玻璃另一端出射的光束在CCD上像斑发生较大位移，测量灵敏度比等腰梯形玻璃体方案要高很多。将CCD上像斑位置与液体浓度建立对应关系后，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。
Claims (3)
1.一种基于线阵CCD和梯形玻璃块的液体浓度测量装置，包括激光光源、线阵CCD芯片、电路单元、密闭箱体和梯形玻璃块；其特征是：线阵CCD芯片嵌于密闭箱体下表面上的宽度与线阵CCD芯片宽度一样的开槽中，并在密闭箱体内外两侧对开槽与线阵CCD芯片的缝隙实行密封；激光光源同样嵌于密闭箱体下表面上的开槽中，与密闭箱体的缝隙密封；梯形玻璃块的上表面、下表面分别镀银，梯形玻璃块的上表面和下表面对玻璃体内形成光学反射镜、并且两平面不平行，梯形玻璃块的一个侧面刻有不透光条纹，梯形玻璃块固定于密闭箱体下方，且刻有不透光条纹的侧面对应激光光源，另一侧面对应线阵CCD芯片7的工作面；电路单元设置于密闭箱体中。
2.根据权利要求1所述的基于线阵CCD和梯形玻璃块的液体浓度测量装置，其特征是：所述梯形玻璃块的刻有不透光条纹的侧面与该侧面相对应的另一侧面不平行。
3.一种液体浓度的测量方法，其特征是：
采用基于线阵CCD和梯形玻璃块的液体浓度测量装置，所述装置的构成包括激光光源、线阵CCD芯片、电路单元、密闭箱体和梯形玻璃块；线阵CCD芯片嵌于密闭箱体下表面上的宽度与线阵CCD芯片宽度一样的开槽中，并在密闭箱体内外两侧对开槽与线阵CCD芯片的缝隙实行密封；激光光源同样嵌于密闭箱体下表面上的开槽中，与密闭箱体的缝隙密封；梯形玻璃块的上表面、下表面分别镀银，梯形玻璃块的上表面和下表面对玻璃体内形成光学反射镜、并且两平面不平行，梯形玻璃块的一个侧面刻有不透光条纹，梯形玻璃块固定于密闭箱体下方，且刻有不透光条纹的侧面对应激光光源，另一侧面对应线阵CCD芯片7的工作面；电路单元设置于密闭箱体中；将密闭箱体置于盛有待测液体的容器中，使线阵CCD芯片、激光光源与梯形玻璃块均浸没在待测溶液中，从激光光源发出的激光透过待测溶液射到梯形玻璃块侧面上，光束被条纹分成两束，光束在梯形玻璃块中多次反射，从另一个斜面射出，两束出射光在线阵CCD芯片上成像，待测液体浓度改变时折射率也随之变化，导致出射光在线阵CCD芯片上成像发生较大位移，通过这些位移信息实现液体浓度测量。
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