CN101614664B - 基于y型光纤的天然橡胶干胶含量测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于Y型光纤的天然橡胶干胶含量测量系统，该测量系统包括信号源模块；光纤耦合模块；导光模块；可升降载物台模块；光电转换模块；探测器模块；以及数据处理模块，用于将通过若干浓度已知且互不相同的天然橡胶的测量所得的数据拟合成一个公式，并且还用于从探测器模块上读出其反射光的光强，再代入拟合得到的公式，从而计算出未知天然浓缩胶乳样品的干胶含量百分比。
Description
一、技术领域
本发明所述的是一种基于Y型光纤的天然橡胶干胶含量测量系统，它是基于Y型光纤传光通路的，涉及到测量光程的最优调节和保证系统测量稳定的方法；同时涉及一种可通过定标来得到光纤接收的信息与天然橡胶干胶含量关系的信号的处理方法，因为从光纤接收的信息是承载有所测天然橡胶样品信息的，分析从光纤接收的信息可以实现对天然橡胶干胶含量的测量。
二、背景技术
作为可再生资源，天然橡胶比起以石油为原料的合成橡胶具有相当大的生态优势。橡胶由于具有其他材料所没有的特殊性能，即高弹性，还具有良好的物理机械性能和电绝缘性等，因而用途极为广泛，无论在国防工业、交通运输、机械制造方面，还是农业、医药、卫生、日常生活方面都或多或少地使用橡胶。目前，对天然橡胶乳粒的高需求造成了其价格的激增。天然橡胶乳粒中干胶含量是确定它价格的关键因素，制造能快速、准确测量天然橡胶乳粒中干胶含量的设备具有重大的意义，它能实现天然橡胶市场交易的高效性和公平性，防止在天然橡胶市场交易中的欺诈行为。
测定天然橡胶中干胶含量的方法主要是化学的方法，这是一种直接测量的方法。基本原理是将浓缩胶乳试料稀释至总固体含量为20％，并用乙酸酸化。然后将凝固的橡胶压成薄片，在70℃下干燥，最后进行称量计算。还有一些直接测量方法包括杓子法、比重测定法、扭力天平法等等，测量的基本原理都一样的，只是在局部操作或试剂用量上有所不同。
此外，也采用一些间接测量方法，电容式传感器测量法和微波技术测量法就是其中的两种。前者的基本原理是电容的容量正比于极板面积、介质的介电常数，反比于极板之间的距离。如果极板面积和极板之间的距离保持不变，则电容容量正比于介质的介电常数。因此，可以通过测量电容的容量来得到介质的介电常数，进而研究橡胶样品的干胶含量。后者的基本原理是基于微波共振原理，测量微波通过天然橡胶后的衰减量来得到橡胶样品的浓度。
在上述的天然橡胶干胶含量测量的直接测量方法中，以标准化学测量方法为例，整个过程需要非常仔细的操作，并且每个细节操作必须按照相应的国家标准来进行，既费时又费力。其他的直接测量方法要么就是测量设备笨重、测量周期长，要么就是有损测量、操作麻烦，同时还需一个熟练的工作人员来使用这些仪器，这使得测量变得很不方便，并且成本很高。
同样，在上述的间接测量方法中，无论是微波技术测量法，还是电容式传感器测量法，其高昂的价格往往使一些小型胶厂、研究所、产胶园望而生却，并且维护要求高，需要定期维护，原因是它的定标曲线使用较长时间后，各参数会发生变化，这将引起定标曲线形状、宽窄幅度的变化，从而导致检测过程产生较大误差。不管怎样调整定标点，都无法将定标曲线拉回至标准位置。因而，定标曲线必须重新进行测定，才能保证检测结果的准确性。
近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。本发明提出一种基于Y型光纤的天然橡胶干胶含量测量系统，利用光纤传输具有频带宽、损耗低、重量轻、抗干扰能力强、保真度高、工作性能可靠，并且成本不断下降的优点，使用Y型光纤作为非功能型传感器，即用作传光通路，它能够快速准确的测量天然浓缩胶乳中的干胶含量，适应性强，使用范围广，不受外界条件干扰，并且成本低，使用操作易于上手，维护方便。
三、发明内容
本发明要解决的第一个问题设计一种高灵敏度的探测器结构，主要是基于Y型光纤传光通路和光电池以及光功率计结合的探测器结构；第二个问题是保证系统的稳定性的方法，主要是最优测量光程的调节和消除外界环境的影响；第三个问题是提供信号处理的方法，根据该方法处理得到的信号，可获得关于天然橡胶中干胶含量的标准方程，进而计算得到其干胶含量百分比。
为了达到上述发明目的，本发明的技术方案为基于Y型光纤的天然橡胶干胶含量测量系统，其相应的测量系统组成如图1系统框图所示，具体包括下列模块：
信号源模块101，用于系统的初始信号发射。该信号源发射的信号是本系统的关键，对稳定性的要求很高。激光具有方向性好，亮度高，单色性好和相干性好等特点。因为激光具有以上的优点，满足本发明的要求，因此选择激光器作为系统的信号源。
光纤耦合模块102，用于将信号源模块101发射的初始信号耦合至导光模块104中。这里对光纤耦合方法以及本发明使用的光纤耦合方法进行说明。
光源与光纤的耦合主要由两种方式：直接耦合和透镜耦合。直接耦合是直接将光纤对准光源，这种方式的耦合效率很低；透镜耦合即在光源和光纤之间加入某种透镜系统，以使光源发出的光斑最大限度地会聚成一个小于光纤直径的光斑，再传输到光纤端面上，这样耦合效率就会大大提高。在本发明所述的系统中我们采用透镜耦合方式，在信号源模块101和导光模块104的输入端面间放置一些与实验装置相匹配的光学元件以实现高效耦合，这里所述的光学元件可以是一个单透镜201和一个显微镜筒202，其实验装置如图2所示。
激光器101发出的某一波长的光束，经直径为20mm、焦距30mm的单透镜201会聚后，输入到显微镜筒202的窗口上。这是一个通用的放大倍数为30倍的显微镜筒，包括目镜单元203和物镜单元204。使用时，让目镜203作为光束的输入端，物镜204作为光束的输出端，以实现光斑30倍的缩小，再将Y型光纤输入端301调整到显微镜筒202输出焦点的中心位置，就实现了信号源模块101和导光模块104的最佳耦合。
导光模块104，在本系统中起导光作用的是Y型光纤。Y型光纤是一种新型光纤，利用它可以实现入射光和反射光的分离，从而极大地消除了背景光的影响，其结构如图3所示。在这里，对Y型光纤的具体操作进行说明。
导光模块104，即Y型光纤，包括三个端口，即输入端301，输出端302以及光纤探头303。其中301和302分别作为导光模块的信号输入端面304和输出端面305，而光纤探头303的端面则包括两部分，内层部分306和外层部分307。其中光纤探头303的内层306用于将进入导光模块104输入端面304的光垂直入射到天然橡胶乳液的表面，光纤探头303的外层307用于接收由天然橡胶乳液反射的光。
由光纤探头303的外层307进入光纤的光线，是经过待测橡胶样品反射后的光线，因此必定携带了橡胶样品的信息。由于反射光的强度与待测橡胶样品浓度，即样品中的干胶含量，是有密切关系的，因此根据由输出端302射出的反射光的强度，就可以得出待测橡胶样品的干胶含量百分比，这也就是本系统的测量原理所在。
本系统测量天然橡胶干胶含量的关键就是测量由输出端302射出的光线的强度。因此，保证它的稳定性是得到准确测量结果的关键。
影响由输出端302射出的光信号的强度稳定性的因素主要有以下三个。第一，由输入端301进入光纤的初始光强的稳定性，即信号源模块101输出的稳定性。本系统的信号源为激光器。我们给激光器供电的电源为稳压电源，经过测定，输出电压稳定，符合测量要求。
第二，光纤探头303与橡胶液面的距离。影响输出端302射出光信号强度的因素不仅是橡胶样品的浓度，还与光纤探头303到待测橡胶样品液面的距离有关。因此，只有保持这个距离不变，才能保证输出端302射出的光信号的强度只与橡胶样品的浓度有关。
具体测量中，由于光纤探头303的内层306射出的初始光，经待测橡胶液面反射后，要从外层307返回。因此，要想保证经橡胶液面反射的光从外层307返回光纤，必须保证垂直入射，即保证光纤探头303与橡胶液面保持垂直。将Y型光纤的探头303从放置系统的平台上垂下，用铁架台固定，使其在以后的测量中都保持垂直。
将待测的橡胶样品取合适的量，倒入测量杯108中，然后将测量杯108放在一个可以微调的升降台105上，将升降台放于垂下的光纤探头303的正下方，保证由探头射出的光正好可以打到测量杯的正中央，即射到橡胶液面的中央。然后就可以通过调整升降台的高度来控制光纤探头303到液面的距离。
通过上述大量的实验发现，通过调整升降台的高度使待测橡胶样品的液面由远及近向光纤探头靠近时，从输出端302射出的光强先变大再变小。当光强达到最大值之前，随着距离的靠近，光强变化率越来越小；当待测光强达到最大值后再从大变小时，随着距离的靠近，光强变化率又变得越来越大。光强变化规律如图4所示。
因此我们发现，在待测光强最大的这个液面高度时，液面高度的波动引起的光强变化最弱。所以选择这个液面高度最为合适。在光纤探头303上固定一根打蜡的细铁丝，并保持其垂直状态，其长度(从光纤探头到待测橡胶液面的距离)选择为上述的最佳长度，为1.5cm，或约为1.5cm，我们将这个最佳长度的铁丝称为标准针。同时，为了起到参考作用，在固定标准针的同时，再固定两根细铁丝，一根比标准针长(我们将其称为长针)，一根比标准针短(称为短针)。测量时，通过调整升降台的的高度控制探头到液面的距离，当固定在探头303的针尖(包括长针、短针和标准针)与待测橡胶液面刚好接触时，记录此时的光强，标准针作为主要参考数据，当标准针产生较大误差时，可以选择用长针的数据或短针的数据。
第三，杂散光的影响。从光纤探头303的内层306射出的光，经橡胶液面反射后，从外层307返回光纤中。由于探头裸露在外，必然会有杂散光也随着反射光一起进入光纤中。杂散光主要包括外界光和经盛放橡胶样品的容器的杯壁反射的光。这两种杂散光由于只与外界条件有关，并不携带有任何橡胶样品的信息。因此，必须让其保持稳定性，或者滤除，不然的话就会使得测量结果产生偏差。外界光由于时间和天气等原因很难保持稳定，而杯壁的反射更是和众多因素有关，所以要想保持这两种杂散光的稳定性是很难做到的，所以只有考虑将它们滤除。
为了滤除上述的杂散光，特设计了如图5所示的屏蔽环。屏蔽环501可以用任何硬质材料做成，将其圈成圆柱状，底面半径比光纤探头303稍大，可以将其固定在光纤探头303上，长度根据光纤探头到橡胶液面的高度做合适的选择。屏蔽环501伸出光纤探头303的部分，其内壁用黑色胶布黏贴。
由于使用了屏壁环501，原来固定在光纤探头上的三种探针502(长针、短针、标准针)可以固定在屏蔽环501的外侧，并保持垂直。根据上面的分析，标准针的长度为1.5cm，或约为1.5cm，而探针伸出屏蔽环的距离可以选择为1cm，因此屏蔽环伸出探头的长度为0.5cm，或约为0.5cm。使用屏蔽环501后，由于是垂直入射，从光纤探头303内层306射出的光反射后仍旧能够从外层307返回到光纤中。而经杯壁反射的光和外界光由于屏蔽环501的阻挡和其内壁黑色胶布的吸收，绝大部分无法进入光纤中，对测量结果已经没有影响。
系统采用Y型光纤传光通路，具有以下优点：①简化了光路设计，缩小检测探头的尺寸，方便定位；②利用光纤抗拉强度大等特点大大缩小仪器尺寸和降低仪器成本；③由于采用光纤传输，光能集中，损耗小，对光源要求低，相对提高了灵敏度。所以，对比利用传统光学，光纤检测系统设计结构紧凑、简单合理、机动性好。
可升降载物台模块105，用于放置盛放橡胶样品容器108，可升降载物台的高度能够调节，从而控制橡胶乳液表面与光纤探头303的距离。
光电转换模块，用于将光信号转换成电信号。具体包括一个耦合器103和光电传感器106。耦合器103的结构可以使用和耦合器102一样的结构，用于实现导光模块104的输出和光电传感器106的高效耦合。而光电传感器106是将被测量的光信号转换成电信号的传感器。
本发明中起光电转换作用的是光电池。光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，栅状电极下涂有抗反射膜，用以增加透光，减小反射。下电极是一层衬底铝。当光照射PN结的一个面时，电子空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势，一般可产生0.2V～0.6V电压。
从导光模块104的输出端302射出的光线，通过耦合器103后，射到光电池106表面上，由光电池106将这个光信号装换成电信号。光电池密封在一个暗盒中，以避免外界光的影响。光强度不同，则电信号的强度(如电压、电流、功率等)也不同，二者成正比。检测这个电信号的强度，即相当于检测光信号的强度，所以电信号的强弱也就反映了待测天然橡胶的干胶含量。
探测器模块107，用于测量光电转换模块输出的电信号强度，就可以得到橡胶样品的浓度信息。在光纤系统中，测量光功率是最基本的，本系统使用光功率计作为探测器。将光电池106的输出接到一个光功率计107上，即实现了光功率的测量。光功率计107上的读数就反应了由光纤输出端口302射出的光的强度，也就反应了橡胶样品的浓度。
数据处理模块。由于光功率计107上的读数反应了橡胶样品的浓度，要想从这个功率读数得到橡胶浓度的具体值，定标是必须的。具体做法就是配置浓度已知的且互不相同的天然橡胶样品若干个，分别将其放入本系统中，依次读出其反射光的功率并记录。将所得的数据通过软件拟合成一个公式，该公式如下形式：
y＝a0+a1e-t+a2te-t
此公式是y关于t的函数，t代表所测得的光强数值，y代表橡胶样品的干胶百分含量值，a0，a1，a2为待测系数。通过已经得到的定标数据，可得到这三个系数的值。以后测量中，保持测量条件不变(主要指信号源模块101的输入光强和光纤探头303到橡胶液面的距离)，将未知浓度的橡胶样品放入系统中，从功率计107上读出其反射光的光强，再代入已经得到的公式，就可以计算出这个未知橡胶天然浓缩胶乳样品的干胶含量百分比。
四、附图说明
图1一种基于Y型光纤的天然橡胶干胶含量测量系统的系统原理图；
图2一种基于Y型光纤的天然橡胶干胶含量测量系统的光纤耦合方法示意图；
图3一种基于Y型光纤的天然橡胶干胶含量测量系统的Y型光纤示意图；
图4一种基于Y型光纤的天然橡胶干胶含量测量系统的光强变化规律示意图；
图5一种基于Y型光纤的天然橡胶干胶含量测量系统的屏蔽环示意图；
图6一种基于Y型光纤的天然橡胶干胶含量测量系统的数据拟合曲线图。
图中符号说明：
101激光器 102耦合器1 103耦合器2 104Y型光纤
105可升降载物台 106光电池 107光功率计 108测量杯
201透镜 202微镜筒 203目镜 204物镜
301光纤输入端 302光纤输出端 303光纤探头
304初始光线入射口 305反射光线出射口 306初始光线出射口
307反射光线入射口 501屏蔽环 502标准针
五、具体实施方式
实施例子：以普通天然橡胶浓缩乳胶中干胶含量测量为例，在测量未知浓度样品之前需要先进行定标，当然只需一次定标即可，以后就可直接测量了。配置标准浓度样品，最低干胶含量浓度为15％，最高干胶含量浓度为45％，间隔5％，共7组样品。将这7组样品依次放入本发明所述的系统中，读出功率计的读数，并进行归一化处理。将归一化后的数据记录如表1。其中信号源模块101，即激光器的的输出功率为1.35mw。
表1测量实例数据表
| 橡胶样品浓度(质量分数) | 光强(mw) | 橡胶光强反射比 |
| 45％ | 0.97 | 7.185％ |
| 40％ | 0.85 | 6.296％ |
| 35％ | 0.75 | 5.556％ |
| 30％ | 0.71 | 5.259％ |
| 25％ | 0.69 | 5.111％ |
| 20％ | 0.61 | 4.519％ |
| 15％ | 0.56 | 4.148％ |
得到的拟合方程1为
y＝-14.3315-96.4721e-t+261.9649te-t
拟合的曲线如图6所示，横坐标为反射光的光强，纵坐标为天然橡胶的百分浓度含量。
具体测量时，将未知浓度的天然橡胶样品放入本发明所述的系统中，从光功率计上读出其反射光光强，再带入所得公式，即可计算出它的干胶百分含量。
Claims (2)
1.一种基于Y型光纤的天然橡胶干胶含量测量系统，用于测量天然橡胶中的干胶百分含量，所述系统包含以下装置：
信号源模块，用于系统的初始信号发射，具体为激光器；
光纤耦合模块，包括一单透镜和一显微镜筒，该光纤耦合模块用于将信号源发射的初始信号耦合到导光模块中，实现激光器光斑30倍的缩小；
导光模块，具体为Y型光纤，包括光纤探头，该导光模块用于整个系统光信号的传导，所述光纤探头包括内层和外层两部分，其中光纤探头的内层用于将进入导光模块输入端的光垂直入射到天然橡胶的表面，光纤探头的外层用于接收由天然橡胶反射的光；
可升降载物台模块，用于放置盛放天然橡胶的容器，可升降载物台模块的高度能够调节，从而控制天然橡胶液面与光纤探头的距离；
光电转换模块，包括一光纤耦合器和一光电池，该光电转换模块用于将导光模块输出端的光信号转换为电信号，该电信号由光电池输出；
探测器模块，用于测量光电池输出的电信号的强度；
数据处理模块，用于处理所得电信号的强度，从而得知天然橡胶的干胶含量；用于将通过若干浓度已知且互不相同的天然橡胶的测量所得的数据拟合成一个公式1，该公式1为：
y＝a0+a1e-t+a2te-t
此公式是y关于t的函数，t代表所测得的反射光光强数值，y代表天然橡胶的干胶百分含量值，a0，a1，a2为系数；并且所述数据处理模块还用于从探测器模块上读出未知天然橡胶反射光的光强，再代入拟合得到的公式1，从而计算出未知天然橡胶的干胶含量百分比。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，系统的探测器模块具体为光功率计。
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