CN101762462B - 溶质维尔德常数分离检测装置 - Google Patents

Abstract

溶质维尔德常数分离检测系统涉及一种溶质维尔德常数分离检测系统结构，接收分析装置(18)、光路装置(16)、工作装置(17)从左到右依次放置。光路装置(16)是由光源(1)、光隔离器(2)和第一偏振分束棱镜(3)、第二偏振分束棱镜(4)组成；光隔离器(2)置于光源(1)的右侧，第一偏振分束棱镜(3)置于光隔离器(2)的右侧，第二偏振分束棱镜(4)平行置于第一偏振分束棱镜(3)的上侧，光源(1)发出的光垂直经过光隔离器(2)后为平面偏振光，该光经过第一偏振分束棱镜(3)、第二偏振分束棱镜(4)后成为第一束平面偏振光(5)、第二束平面偏振光(6)作为初始入射光进入工作装置(17)。

Description

溶质维尔德常数分离检测装置

技术领域

本发明专利涉及一种溶质维尔德常数分离检测系统及其工作原理，属于光检测、光电传感和光信息处理的技术领域。

背景技术

磁性是物质的基本属性之一，通过对物质磁性的研究有助于了解物质的分子组成结构。磁光学是一门古老而又经久不衰的学科，其在光学检测及光电传感领域的应用越来越广泛；其中应用最多的是法拉第磁光效应，包括电流传感器、磁场传感器、磁光隔离器、磁光环行器等遍及光检测、光传感、光通信等多个光学领域。

在法拉第效应中，维尔德常数表征某种材料磁致旋光率的大小，同时它也受多种因素的制约，因而在科研中对其进行实际测量尤其重要。一般固体材料的测量方法比较简单，且精度可靠，但是对于溶液中溶质维尔德常数的精确测量却比较麻烦，因为一般方法无法消除容器及溶剂等背景旋光的影响，特别在微流控光学检测系统中样品微量，背景旋光的影响不容忽视。

对于含有顺磁和抗磁物质的溶液，还可以通过法拉第磁致旋光效应来测量溶液的浓度。但一般的方法是通过测量标准浓度的某种溶液的维尔德常数，得到该溶液浓度与维尔德常数之间的定标关系后再去测量未知浓度的该溶液，这种方法虽然可行但不利于检测技术的推广应用，原因是当溶剂和容器改变时，又需要重新进行定标实验，给检测工作增加了不必要的麻烦和困难。

本文设计的溶质维尔德常数分离检测系统，可以消除容器和溶剂等背景旋光的影响，实现了溶质的维尔德常数的分离检测；同时对接收光强信号进行除法放大处理，提高了系统检测灵敏度。

该检测系统由于实现了溶质维尔德常数的分离检测，一是为溶质磁光性质的研究提供了条件；二是一旦经过测量得到某种溶质的维尔德常数与浓度的定标关系后，可以将该关系作为科技资料记载。实际工作中通过本系统测量溶液中溶质的维尔德常数即可根据资料记载的关系得到溶液的浓度，由于和使用的容剂种类无关所以不再需要重新定标，非常利于检测技术的推广普及。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提出一种溶质维尔德常数分离检测装置，解决溶质维尔德常数分离检测问题。

技术方案：本发明的一种溶质维尔德常数分离检测装置由光路装置、工作装置和接收分析装置组成；接收分析装置、光路装置、工作装置从左到右依次放置。光路装置是由光源、光隔离器和第一偏振分束棱镜、第二偏振分束棱镜组成；光隔离器置于光源的右侧，第一偏振分束棱镜置于光隔离器的右侧，第二偏振分束棱镜平行置于第一偏振分束棱镜的上侧，光源发出的光垂直经过光隔离器后为平面偏振光，该光经过第一偏振分束棱镜、第二偏振分束棱镜后成为第一束平面偏振光、第二束平面偏振光作为初始入射光进入工作装置；

工作装置由溶剂及其第一容器、标准物质、溶液及其容器、全反射镜、上下调节螺旋和磁场组成；容第一器、标准物质、第二容器自上而下依次放置于上下调节螺旋之上，全反射镜置于第一容器、标准物质、第二容器右侧用于反射光线；第一容器、标准物质、第二容器处于磁场中，磁场的方向和光的传播方向一致，使穿过第一容器、标准物质、第二容器的平面偏振光的偏振方向转过一角度；接收分析装置由第一光电探测器、第二光电探测器和除法放大器组成；第一光电探测器、第二光电探测器分别与除法放大器的输入端相连。

所述的光源为激光器。所述的光隔离器为偏振相关型光隔离器，保证经过光隔离器的光为平面偏振光。所述的第二工作物质为标准物质，采用维尔德常数已知且较小的逆磁性透明磁光固体介质。

所述的第一偏振分束棱镜与第二偏振分束棱镜型号相同；第一光电探测器与第二光电探测器型号相同。

本发明专利的溶质维尔德常数分离检测系统如图1所示。光源采用激光光源，发出的激光经过光隔离器后变为平面偏振光入射至偏振分束棱镜后分为两束光，一束直接入射进入工作物质，另一束在偏振分束棱镜的作用下反射进入工作物质。光隔离器的作用是阻止反射光对光源造成影响，同时使光源发出的光变为线偏振光。通过光隔离器的线偏振光入射至偏振分束棱镜后分为偏振方向互相垂直的两束光，旋转光隔离器的透光方向可以改变该两束光之间相对强度的大小。入射至偏振分束棱镜的光被反射进入工作物质。

施加磁场，磁场方向和光传播方向一致，其作用在于使穿过工作物质的平面偏振光的偏振方向转过一角度，在磁场的作用下，入射的平面偏振光的偏振面将发生旋转。

标准物质采用维尔德常数已知且较小的逆磁性透明磁光固体介质，它的维尔德常数受环境温度的影响小，作为固体物质状态稳定。

第一容器和第二容器为材料、尺寸等参数完全相同的透明容器，分别用于存放溶剂和溶液。

旋转上下调节螺旋至合适的位置，使光线全部入射在标准物质上，光线经过标准物质后在全反射镜的作用下原路返回。根据法拉第效应的非互易性原理，将有相应的磁致旋转分量通过第一偏振分束棱镜和第二偏振分束棱镜进入第一光电探测器、第二光电探测器，第一光电探测器、第二光电探测器分别与除法放大器输入端相连。

旋转光隔离器使除法放大器的读数为1，说明此时第一光线和第二光线的光强相等，此后保持光隔离器不动。

旋转上下调节螺旋，使工作物质下移，此时光线通过溶剂及其容器，光线5通过标准物质，施加磁场，通过除法放大器的读数改变来计算溶剂及其第一容器与标准物质之间的维尔德常数的大小关系，由于标准物质的维尔德常数已知，因此可以知道溶剂及其容器的维尔德常数。

旋转上下调节螺旋，使工作物质上移，此时光线通过标准物质，第一光线通过溶液及其第二容器，施加磁场，通过除法放大器的读数改变来计算溶液及第二其容器与标准物质之间的维尔德常数的大小关系，由于标准物质的维尔德常数已知，因此可以知道溶液及其容器的维尔德常数。

将溶液及其容器的维尔德常数与溶剂及其容器的维尔德常数相比较，即可知道溶质的维尔德常数，达到了分离检测溶质维尔德常数的目的。

有益效果：根据以上叙述可知，本发明具有如下特点：

本发明将法拉第磁光效应与液体浓度检测技术相结合，设计了一种溶质维尔德常数分离检测系统，可以消除容器和溶剂等背景旋光的影响，实现了溶质的维尔德常数的分离检测，在溶质磁光效应的研究及液体浓度的检测方面具有非常重要的应用价值。本发明设计的检测系统具有结构简单、制作容易、成本低廉、利于推广普及等优点。

创新之处在于：

本文设计的溶质维尔德常数分离检测系统，可以消除容器和溶剂等背景旋光的影响，实现了溶质的维尔德常数的分离检测；当利用相关原理对溶液浓度进行检测时，当容器和溶剂改变时不需要重新定标，有利于检测技术的推广普及。

附图说明

图1溶质维尔德常数分离检测系统示意图。图中有激光器1、光隔离器2、第一偏振分束棱镜3、第二偏振分束棱镜4、第一光线5、第二光线6、磁场7、第一容器8、标准物质9、第二容器10、全反射镜11、上下调节螺旋12、第一光电探测器13、第二光电探测器14、及除法放大器15。

具体实施方式

具体实施例1：本发明提出一种溶质维尔德常数分离检测系统，该检测系统由光路系统16、工作系统17和接收分析系统18组成；光路系统16是由光源1、光隔离器2和第一偏振分束棱镜3、第二偏振分束棱镜4组成；工作系统17由磁场7、溶剂及其容器8、标准物质9、溶液及其容器10、全反射镜11和上下调节螺旋12组成；接收分析系统18由第一光电探测器13、第二光电探测器14和除法放大器15组成。光线入射至工作物质后在全反射镜11的作用下原路返回，施加磁场7，通过接收光强可以检测工作物质的维尔德常数。

光源发出的激光经过光隔离器后为平面偏振光入射至偏振分束棱镜3后分为两束光，一束直接入射进入工作物质，另一束在偏振分束棱镜4的作用下反射进入工作物质，先使光线5和6全部入射在标准物质上，经过标准物质后在全反射镜11的作用下原路返回，施加磁场7，则根据法拉第效应在磁场的作用下平面偏振光5和6的偏振面发生旋转，从而将有相应的旋转分量通过第一偏振分束棱镜3、第二偏振分束棱镜4进入第一光电探测器13、第二光电探测器14，第一光电探测器13、第二光电探测器14分别与除法放大器相连，旋转光隔离器2使除法放大器的读数为1，说明此时第一光线5和第二光线6的光强相等，此后保持光隔离器不动。

旋转上下调节螺旋12，使工作物质下移，此时第二光线6通过第一容器8，第一光线5通过标准物质，施加磁场，通过除法放大器的读数改变来计算第一容器8与标准物质之间的维尔德常数的大小关系，由于标准物质的维尔德常数已知，因此可以知道溶剂及其容器的维尔德常数。通过监视除法放大器的读数的变化可以在线监测某种液体纯度的变化。

具体实施例2：

光源发出的激光经过光隔离器后为平面偏振光入射至偏振分束棱镜3后分为两束光，一束直接入射进入工作物质，另一束在偏振分束棱镜4的作用下反射进入工作物质，先使第一光线5和第二光线6全部入射在标准物质上，经过标准物质后在全反射镜11的作用下原路返回，施加磁场7，则根据法拉第效应在磁场的作用下平面第一光线5和第二光线6的偏振面发生旋转，从而将有相应的旋转分量通过偏振分束棱镜第一偏振分束棱镜3、第二偏振分束棱镜4进入第一光电探测器13、第二光电探测器14，第一光电探测器13、第二光电探测器14分别与除法放大器相连，旋转光隔离器2使除法放大器的读数为1，说明此时第一光线5和第二光线6的光强相等，此后保持光隔离器不动。

旋转上下调节螺旋12，使工作物质上移，此时第二光线6通过标准物质，第一光线5通过第二容器10，施加磁场，通过除法放大器的读数改变来计算第二容器10与标准物质之间的维尔德常数的大小关系，由于标准物质的维尔德常数已知，因此可以知道溶液及其容器的维尔德常数。通过监视除法放大器的读数的变化可以在线监测某种溶液浓度的变化。

具体实施例3：

旋转上下调节螺旋12，使工作物质下移，此时光线6通过第一容器8，第一光线5通过标准物质，施加磁场，通过除法放大器的读数改变来计算第一容器8与标准物质之间的维尔德常数的大小关系，由于标准物质的维尔德常数已知，因此可以知道溶剂及其容器的维尔德常数。

旋转上下调节螺旋12，使工作物质上移，此时第二光线6通过标准物质，第一光线5通过第二容器10，施加磁场，通过除法放大器的读数改变来计算第二容器10与标准物质之间的维尔德常数的大小关系，由于标准物质的维尔德常数已知，因此可以知道溶液及其容器的维尔德常数。

将溶液及其容器的维尔德常数与溶剂及其容器的维尔德常数相比较，即可知道溶质的维尔德常数。

Claims (5)

1.一种溶质维尔德常数分离检测装置，其特征在于该检测装置由光路装置(16)、工作装置(17)和接收分析装置(18)组成；接收分析装置(18)、光路装置(16)、工作装置(17)从左到右依次放置。光路装置(16)是由光源(1)、光隔离器(2)和第一偏振分束棱镜(3)、第二偏振分束棱镜(4)组成；光隔离器(2)置于光源(1)的右侧，第一偏振分束棱镜(3)置于光隔离器(2)的右侧，第二偏振分束棱镜(4)平行置于第一偏振分束棱镜(3)的上侧，光源(1)发出的光垂直经过光隔离器(2)后为平面偏振光，该光经过第一偏振分束棱镜(3)、第二偏振分束棱镜(4)后成为第一束平面偏振光(5)、第二束平面偏振光(6)作为初始入射光进入工作装置(17)；

工作装置(17)由溶剂及其第一容器(8)、标准物质(9)、溶液及其容器(10)、全反射镜(11)、上下调节螺旋(12)和磁场(7)组成；第一容器(8)、标准物质(9)、第二容器(10)自上而下依次放置于上下调节螺旋(12)之上，全反射镜(11)置于第一容器(8)、标准物质(9)、第二容器(10)右侧用于反射光线；

第一容器(8)、标准物质(9)、第二容器(10)处于磁场(7)中，磁场(7)的方向和光的传播方向一致，使穿过第一容器(8)、标准物质(9)、第二容器(10)的平面偏振光的偏振方向转过一角度；

接收分析装置(18)由第一光电探测器(13)、第二光电探测器(14)和除法放大器(15)组成；第一光电探测器(13)、第二光电探测器(14)分别与除法放大器(15)的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的溶质维尔德常数分离检测装置，其特征在于所述的光源(1)为激光器。

3.根据权利要求1所述的溶质维尔德常数分离检测装置，其特征在于所述的光隔离器(2)为偏振相关型光隔离器，保证经过光隔离器(2)的光为平面偏振光。

4.根据权利要求1所述的溶质维尔德常数分离检测装置，其特征在于所述的第二工作物质(9)为标准物质，采用维尔德常数已知且较小的逆磁性透明磁光固体介质。

5.根据权利要求1所述的溶质维尔德常数分离检测装置，其特征在于所述的第一偏振分束棱镜(3)与第二偏振分束棱镜(4)型号相同；第一光电探测器(13)与第二光电探测器(14)型号相同。

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