CN101762567B - 差分式溶液浓度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是差分式溶液浓度测量装置及测量方法。以激光作为光源，并利用半反半透镜片以及反射镜将入射光束分成两束平行光束，两束平行光透过液体分别入射到棱镜组中位置相对的棱镜对的同一侧，并在棱镜组的另一侧射出，最后透过液体由线阵CCD接收。当浓度变化时，入射光在棱镜内的折射角发生变化，导致出射光束的偏向角随之变化，从而使得从棱镜另一端出射的光束在CCD上像斑上的位置发生变化。将CCD上两个像斑的位置关系与溶液浓度建立对应关系后，测出液体的浓度。本发明具有差分测量技术的共有优点，测量结果稳定可靠、易于布放，可以实时测量溶液浓度的变化，并可在腐蚀性等恶劣工业环境中工作。

Description

差分式溶液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溶液浓度测量方法及装置，具体地说是一种基于线阵CCD和棱镜组的差分式溶液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。传统的溶液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；而用旋光仪测量浓度，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，电荷耦合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，并为溶液浓度的测量提供了新的手段。

目前基于CCD的溶液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容器的一个侧面，并从另一面侧面射出，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溶液浓度的改变而变化。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，入射角的变化还可增加测量误差。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溶液浓度。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，在测量偏向角时误差较大。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种测量便捷、灵敏度高、易于补偿、测量误差小的差分式溶液浓度测量装置。本发明的目的还在于提供一种差分式溶液浓度测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的差分式溶液浓度测量装置包括：激光光源11、线阵CCD芯片7、电路单元3、第一密闭箱体4、第二密闭箱体5、棱镜组6、半反半透镜片8、反射镜10、线阵CCD芯片7嵌于第一密闭箱体4侧表面，激光光源11、半反半透镜片8、反射镜10密闭于第二密封箱体5中，第二密封箱体5为由透明或者是在箱体上开有透明窗口区，半反半透镜片8、反射镜10分别镀半反半透膜和银，第一和第二密闭箱体置于盛有待测溶液2的容器1中，线阵CCD芯片7、激光光源11、半反半透镜片8、反射镜10与棱镜组6均浸没在待测溶液2中。

本发明的差分式溶液浓度测量装置还可以包括：

1、线阵CCD芯片放置于棱镜组的一侧，且线阵CCD芯片的靶面与棱镜组的光束出射端面平行，所述激光光源为激光二极管且置于棱镜组的另一侧面。

2、棱镜组带有黑色隔离面9。

3、所述的线阵CCD芯片7嵌于密闭箱体4侧表面，是将线阵CCD芯片7嵌于第一密闭箱体4侧表面宽度略大于CCD芯片7宽度的开槽中，并在第一密闭箱体4内外两侧对所述开槽与线阵CCD芯片7的缝隙实行密封。

4、所述的电路单元由线阵CCD芯片驱动电路、数据采集与处理电路、数据传输电路以及激光二极管光源驱动电路连接组成。

本发明的差分式溶液浓度测量方法包括：

采用由激光光源11、线阵CCD芯片7、电路单元3、第一密闭箱体4、第二密闭箱体5、棱镜组6、半反半透镜片8、反射镜10、黑色隔离面9构成的测量装置，将测量装置置于盛有待测溶液2的容器1中，激光光源发出的平行光束经由半反半透镜片和反射镜将入射的激光束分成两束平行的激光，并透过待测液体分别入射到棱镜组中位置对称的两棱镜的同一侧，棱镜组固定于线阵CCD芯片与激光光源的之间，且在棱镜的中间布放一个能够吸收大部分光辐射的黑色隔离面，同时在棱镜组的非工作端面帖附一层能够吸收大部分光辐射的介质，以吸收由棱镜表面反射的光线，两束平行光束在液体和玻璃界面处发生折射及反射，反射光束透过液体，其中大部分光辐射被黑色隔离面吸收，折射光束经过棱镜的另一端面再次发生折射及反射，反射光束直接或间接地被非工作端面吸收，折射光束透过液体射到线阵CCD芯片上，液体折射率随着浓度变化而变化，当溶液浓度改变时，折射角发生变化，棱镜组使得两束光的偏向角方向相反，最终在线阵CCD上两束光的像斑出现相反方向的位移，利用两像斑的距离关系获得溶液浓度的信息。

所述棱镜组采用两个参数相同的棱镜。

光源发出的平行光束经由半反半透镜片和反射镜将入射的激光束分成两束平行的激光，并透过待测液体分别入射到棱镜组中位置对称的两棱镜的同一侧，将该装置光学部分浸于待测液体中，棱镜组固定于线阵CCD与光源的之间，且在棱镜的中间布放一个能够吸收大部分光辐射的黑色隔离面，同时在棱镜的非工作端面帖附一层能够吸收大部分光辐射的介质，以吸收由棱镜表面反射的光线。两束平行光束在液体和玻璃界面处发生折射及反射，反射光束透过液体，其中大部分光辐射被黑色隔离面吸收，折射光束经过棱镜的另一端面再次发生折射及反射，反射光束直接或间接地被非工作端面吸收，折射光束透过液体射到线阵CCD上。由于液体折射率随着浓度变化而变化，当溶液浓度改变时，折射角发生变化，棱镜组的布放方式使得两束光的偏向角方向相反，最终在线阵CCD上两束光的像斑出现相反方向的位移，利用两像斑的距离关系可获得溶液浓度的信息。由于棱镜的布放方式使得两束出射光的偏向角方向相反，线阵CCD接收到的出射光的光斑会沿相反的方向移动，从而提高分辨率和灵敏度。此外，采用两个参数相同的棱镜，并且线阵CCD的靶面与光线的出射端面相平行，因此，当光源与棱镜组的相对位置有较小改变时并不会影响浓度的测量结果，从而提高了装置的可靠性以及稳定性。

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。

(四)附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2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的溶液浓度光学测量装置包括激光光源11、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和5、棱镜组6、半反半透镜片8、反射镜10、黑色隔离面9。线阵CCD芯片7嵌于密闭箱体4侧表面宽度略大于CCD芯片7宽度的开槽中，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11、半反半透镜片8、反射镜10密闭于透明箱体5中(或该箱体开透明窗口)，半反半透镜片8、反射镜10分别镀半反半透膜和银，将密闭箱体4置于盛有待测溶液2的容器1中，使线阵CCD芯片7、激光光源11、半反半透镜片8、反射镜10与棱镜组6均浸没在待测溶液2中，从激光光源11发出的激光透过待测溶液2射到半反半透镜片上，透过半反半透镜片的光束与由反射镜反射的光束分别透过液体入射到棱镜组6的两相对斜面，并分别在界面处发生反射以及折射，反射光束透过液体入射到黑色隔离面9并被吸收，折射光透过棱镜组在出射界面再次反射和折射，反射光直接或间接的反射到帖附一层能够吸收大部分光辐射的介质12的端面上并被吸收，折射光透过液体被线阵CCD接收，两束光均在线阵CCD上形成一个光斑，待测溶液浓度改变时折射率也随之变化，体现为出射光束在线阵CCD芯片7上像斑发生位移，通过这些位移信息可实现溶液浓度测量。棱镜组6具有放大偏向角以及差分的作用。两路出射光束在线阵CCD芯片7上成像如图2。

Claims (5)

1.一种差分式溶液浓度测量装置，包括激光光源(11)、线阵CCD芯片(7)、电路单元(3)、第一密闭箱体(4)、第二密闭箱体(5)、棱镜组(6)、半反半透镜片(8)、反射镜(10)，线阵CCD芯片(7)嵌于第一密闭箱体(4)侧表面，其特征是：激光光源(11)、半反半透镜片(8)、反射镜(10)密闭于第二密封箱体(5)中，第二密封箱体(5)为透明或者是在箱体上开有透明窗口区，半反半透镜片(8)、反射镜(10)分别镀半反半透膜和银，第一和第二密闭箱体置于盛有待测溶液(2)的容器(1)中，线阵CCD芯片(7)、激光光源(11)、半反半透镜片(8)、反射镜(10)与棱镜组(6)均浸没在待测溶液(2)中；激光光源发出的平行光束经由半反半透镜片和反射镜将入射的激光束分成两束平行的激光，并透过待测液体分别入射到棱镜组中位置对称的两棱镜的同一侧，棱镜组固定于线阵CCD芯片与激光光源的之间，且在两棱镜的中间布放一个能够吸收大部分光辐射的黑色隔离面，同时在棱镜组的非工作端面帖附一层能够吸收大部分光辐射的介质，以吸收由棱镜表面反射的光线，两束平行光束在液体和玻璃界面处发生折射及反射，反射光束透过液体，其中大部分光辐射被黑色隔离面吸收，折射光束经过棱镜的另一端面再次发生折射及反射，反射光束直接或间接地被非工作端面吸收，折射光束透过液体射到线阵CCD芯片上，棱镜组使得两束光的偏向角方向相反。

2.根据权利要求1所述的差分式溶液浓度测量装置，其特征是：所述线阵CCD芯片放置于棱镜组的一侧，且线阵CCD芯片的靶面与棱镜组的光束出射端面平行，所述激光光源为激光二极管且置于棱镜组的另一侧面。

3.根据权利要求1或2所述的差分式溶液浓度测量装置，其特征是：所述的线阵CCD芯片(7)嵌于第一密闭箱体(4)侧表面，是将线阵CCD芯片(7)嵌于第一密闭箱体(4)侧表面宽度略大于CCD芯片(7)宽度的开槽中，并在第一密闭箱体(4)内外两侧对所述开槽与线阵CCD芯片(7)的缝隙实行密封。

4.一种差分式溶液浓度测量方法，其特征是：采用由激光光源(11)、线阵CCD芯片(7)、电路单元(3)、第一密闭箱体(4)、第二密闭箱体(5)、棱镜组(6)、半反半透镜片(8)、反射镜(10)、黑色隔离面(9)构成的测量装置，线阵CCD芯片(7)嵌于第一密闭箱体(4)侧表面，激光光源(11)、半反半透镜片(8)、反射镜(10)密闭于第二密封箱体(5)中，第二密封箱体(5)为透明或者是在箱体上开有透明窗口区；将测量装置置于盛有待测溶液的容器中，激光光源发出的平行光束经由半反半透镜片和反射镜将入射的激光束分成两束平行的激光，并透过待测液体分别入射到棱镜组中位置对称的两棱镜的同一侧，棱镜组固定于线阵CCD芯片与激光光源的之间，且在两棱镜的中间布放一个能够吸收大部分光辐射的黑色隔离面，同时在棱镜组的非工作端面帖附一层能够吸收大部分光辐射的介质，以吸收由棱镜表面反射的光线，两束平行光束在液体和玻璃界面处发生折射及反射，反射光束透过液体，其中大部分光辐射被黑色隔离面吸收，折射光束经过棱镜的另一端面再次发生折射及反射，反射光束直接或间接地被非工作端面吸收，折射光束透过液体射到线阵CCD芯片上，液体折射率随着浓度变化而变化，当溶液浓度改变时，折射角发生变化，棱镜组使得两束光的偏向角方向相反，最终在线阵CCD上两束光的像斑出现相反方向的位移，利用两像斑的距离关系获得溶液浓度的信息。

5.根据权利要求4所述的差分式溶液浓度测量方法，其特征是：所述棱镜组采用两个参数相同的棱镜。

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