CN101776571A - 液体折射率实时检测装置及其在线检测方法 - Google Patents

Abstract

一种液体折射率实时检测装置，在不透光的壳体内下端设平板图像显示玻璃，平板图像显示玻璃的厚度h为3～5mm、光入射面为毛化面、出射面为光学面，壳体内上端设发光器件和CCD摄像头，发光器件的输出端通过光导纤维与平板图像显示玻璃的毛化面联接，CCD摄像头的输出端通过电缆与计算机相连。该测量装置测量液体折射率的方法为：将平板图像显示玻璃光学面浸入待测液体中；可见光经光导纤维传输到平板图像显示玻璃的毛化面上，到达待测液体与平板图像显示玻璃的界面，反射到平板图像显示玻璃的毛化面上，形成以入射光点为圆心的圆形暗斑；CCD摄像头将接收到的圆形暗斑图像转换成数字信号输出到计算机，计算出待测液体的折射率。

Description

液体折射率实时检测装置及其在线检测方法

技术领域

本发明属于利用光学手段，即利用红外光，可见光或紫外光来测试或分析材料技术领域，具体涉及到利用干涉量度法，利用纹影方法测试液体的折射率。

背景技术

液体折射率作为液体物理性能的重要参数，能反映液体中的物质浓度、成分、比重等量值，因此液体折射率的实时在线测量，在相关工业生产过程控制监测中具有重要意义，也是目前专业技术人员仍在研究的一个重要问题。迄今为止，液体折射率的测量可分为几何光学法和波动光学法两大类。几何光学法仪器构成简单、操作方便、测量条件要求低，且测量精度能满足要求，因此目前几何光学法测量折射率的应用更广泛。

阿贝折射仪作为几何光学法测量液体折射率的常用仪器，但在使用过程中，阿贝折射仪仍存在以下问题：

在阿贝折射仪使用中，阿贝折射仪直接测量是临界角，临界角的测量必须有一个过程，即通过调节折射角，找出视场中临界光线对应的角度，因此该仪器属于非实时测量仪器；另外阿贝折射仪中，光学器件为两块光学棱镜，且结构复杂，仪器构成成本高；其次阿贝折射仪中的直接测量量为角度，相对直线距离测量，角度测量复杂，精度也不易提高；还有用阿贝折射仪测量液体折射率，必须取样离线测量，无法满足工业生产中的实时在线测量要求。

申请号为98113021.6的中国发明专利申请《液体折射率检测装置》，公开了一种液体折射率在线测量装置，其技术特征是以玻璃半圆盘作为检测探头，由光在圆盘的弓面端能形成全反射光传输通道，采用光电探测器在半圆盘弦面的一端接收光信号，使得转换后的电信号与被测液体的折射率成线性关系，电信号经处理后成为折射率信号。但该装置的问题是结构复杂、抗干扰能力差，特别是得到一个液体折射率测量数据，需要多次测量，因此其无法实现实时在线测量目的。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于克服上述液体折射率测量装置的不足，提供一种结构简单、操作方便、抗干扰能力强、测量精度高并可实时动态显示液体折射率变化情况的液体折射率实时检测装置。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种液体折射率的在线检测方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在不透光的壳体内下端设置有平板图像显示玻璃，平板图像显示玻璃的厚度h为3～5mm、光入射面为毛化面、出射面为光学面，壳体内上端设置有发光器件和CCD摄像头，发光器件的输出端通过光导纤维与平板图像显示玻璃的毛化面联接，CCD摄像头的输出端通过电缆与计算机相连。

本发明的平板图像显示玻璃的厚度h为4mm。

本发明的平板图像显示玻璃的折射率n为1.5146～1.7496。

本发明的CCD摄像头的中心线与平板图像显示玻璃的几何中心线相重合；所说的光导纤维的端部设位置在平板图像显示玻璃毛化面的几何中心上。

本发明的发光器件为半导体激光器或发光强度为10～100mcd的发光二极管。

本发明的CCD摄像头的像素为1000×1400。

采用上述的液体折射率实时检测装置检测液体折射率的方法如下：

1、将液体折射率实时检测装置的平板图像显示玻璃光学面浸入待测液体中。

2、接通发光器件的电源，发光器件发出的可见光经光导纤维传输到平板图像显示玻璃的毛化面上，经过平板图像显示玻璃的可见光到达待测液体与平板图像显示玻璃的界面上，反射到平板图像显示玻璃的毛化面上，形成以入射光点为圆心的圆形暗斑。

3、待测液体圆形暗斑的半径r长度的测量按1mm对应于CCD摄像头的10个像素进行标定，CCD摄像头将接收到的圆形暗斑图像转换成数字信号通过电缆输出到计算机，计算机按下式：

$n_x=\frac{\mathrm{rn}}{\sqrt{r^2+4h^2}}---\left(1\right)$

计算待测液体的折射率显示出计算结果以及圆形暗斑的图像，式中n_x为待测液体的折射率、r为圆形暗斑的半径、n为平板图像显示玻璃的折射率、h为平板图像显示玻璃的厚度。

本发明采用了可见光经过上表面为毛化面的平板图像显示玻璃到达平板图像显示玻璃与待测液体之间的界面，在平板图像显示玻璃的毛化面上形成以入射光点为圆心的圆形暗斑，CCD摄像头将接收到的圆形暗斑图像转换成数字信号通过电缆输出到计算机，计算机按照事先设定的程序进行数据处理，计算出被测液体的折射率；检测过程中对检测环境条件要求低，光照到平板图像显示玻璃与待测液体界面上立即显示出与液体折射率相关的光学图像，不需调试，所用的平板图像显示玻璃采用了平板光学玻璃，降低了产品的成本，所形成的图像为平面光学图像，图像清晰。本发明具有结构简单、使用方便、抗干扰能力强、测量精度较高等优点，可用于液体的折射率的实时在线检测。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的结构示意图。

图2是采用本发明方法测量蒸馏水折射率的圆形暗斑照片。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本实施例的液体折射率实时检测装置由壳体1、半导体激光器2、CCD摄像头3、计算机4、平板图像显示玻璃5、光导纤维6联接构成。

本实施例的壳体1为不锈钢或不透光的工程塑料壳体1，在壳体1内的下端密封安装有平板图像显示玻璃5，平板图像显示玻璃5的上表面为毛化面、下表面为光学面，本实施例的平板图像显示玻璃5为H-K9平板光学玻璃、其折射率n为1.5146、厚度h为4mm，平板图像显示玻璃5的光入射面为毛化面、出射面为光学面。在壳体1内上端用螺纹紧固联接件固定联接有发光器件和CCD摄像头3，CCD摄像头3的像素为1000×1400，CCD摄像头3的中心线与平板图像显示玻璃5的几何中心线相重合。本实施例的发光器件采用半导体激光器2，半导体激光器2的输出端联接有光导纤维6，光导纤维6的端部用胶与平板图像显示玻璃5毛化面的几何中心粘接，半导体激光器2发出的激光经光导纤维6传输到平板图像显示玻璃5的毛化面上，经过平板图像显示玻璃5到达平板图像显示玻璃5与待测液体之间的界面，在平板图像显示玻璃5的毛化面上形成以入射光点为圆心的圆形暗斑。CCD摄像头3的输出端通过电缆与计算机4相连，CCD摄像头3将接收到的圆形暗斑图像转换成数字信号通过电缆输出到计算机4，计算机4按照事先设定的程序对输入的信号进行数据处理，计算出被测液体的折射率，显示出计算结果以及圆形暗斑的图像。

采用本实施例的液体折射率实时检测装置与阿贝折射仪对比测量蒸馏水、食用菜籽油的折射率，测量方法如下：

1、将液体折射率实时检测装置的平板图像显示玻璃5的光学面浸入待测的蒸馏水中。

2、接通半导体激光器2的电源，半导体激光器2发出的可见光经光导纤维6传输到平板图像显示玻璃5的毛化面上，经过平板图像显示玻璃5的可见光到达待测蒸馏水与平板图像显示玻璃5的界面上，反射到平板图像显示玻璃5的毛化面上，形成以入射光点为圆心的圆形暗斑。

3、待测蒸馏水圆形暗斑的半径r长度的测量按1mm对应于CCD摄像头3的10个像素进行标定，CCD摄像头3将接收到的圆形暗斑图像转换成数字信号通过电缆输出到计算机4，计算机4按下式：

$n_x=\frac{\mathrm{rn}}{\sqrt{r^2+4h^2}}---\left(1\right)$

计算待测蒸馏水的折射率显示出计算结果以及圆形暗斑的图像，见图2，式中n_x为待测蒸馏水的折射率、r为圆形暗斑的半径、n为平板图像显示玻璃5的折射率、h为平板图像显示玻璃5的厚度。计算结果见表1。

用同样的方法测量食用菜籽油的折射率，在平板图像显示玻璃5的毛化面上形成以入射光点为圆心的圆形暗斑，按(1)式计算食用菜籽油的折射率，计算结果见表1。

用阿贝折射仪按仪器的测量方法测量蒸馏水、食用菜籽油的折射率，测量结果见表1。

表1本实施例液体折射率实时检测装置测蒸馏水、食用菜籽油的折射率

待测液体	蒸馏水	食用菜籽油
			阿贝折射仪测量值n	1.3323	1.4865
本发明测量值nx	1.332	1.487

实施例2

本实施例中，在壳体1内的下端密封安装有平板图像显示玻璃5，本实施例的平板图像显示玻璃5为H-K9平板光学玻璃、其折射率n为1.5146、厚度h为3mm，平板图像显示玻璃5的光入射面为毛化面、出射面为光学面。其它零部件以及零部部件的联接关系与实施例1相同。

采用本实施例的液体折射率实时检测装置与阿贝折射仪对比测量蒸馏水、食用菜籽油的折射率，测量方法如下：

采用本实施例的液体折射率实时检测装置与阿贝折射仪对比测量蒸馏水、食用菜籽油的折射率的方法与实施例1完全相同。计算结果见表2。

用阿贝折射仪按仪器的测量方法测量蒸馏水、食用菜籽油的折射率，测量结果见表2。

表2本实施例液体折射率实时检测装置测蒸馏水、食用菜籽油的折射率

待测液体	蒸馏水	食用菜籽油
			阿贝折射仪测量值n	1.3323	1.4865
本发明测量值nx	1.332	1.486

实施例3

本实施例中，在壳体1内的下端密封安装有平板图像显示玻璃5，本实施例的平板图像显示玻璃5为H-K9平板光学玻璃、其折射率n为1.5146、厚度h为5mm，平板图像显示玻璃5的光入射面为毛化面、出射面为光学面。其它零部件以及零部部件的联接关系与实施例1相同。

采用本实施例的液体折射率实时检测装置与阿贝折射仪对比测量蒸馏水、食用菜籽油的折射率，测量方法如下：

采用本实施例的液体折射率实时检测装置与阿贝折射仪对比测量蒸馏水、食用菜籽油的折射率的方法与实施例1完全相同。计算结果见表3。

用阿贝折射仪按仪器的测量方法测量蒸馏水、食用菜籽油的折射率，测量结果见表3。

表3本实施例液体折射率实时检测装置测蒸馏水、食用菜籽油的折射率

待测液体	蒸馏水	食用菜籽油
			阿贝折射仪测量值n	1.3323	1.4865
本发明测量值nx	1.331	1.487

实施例4

在以上的实施例1～3中，在壳体1内的下端密封安装有平板图像显示玻璃5，平板图像显示玻璃5为ZF₁平板光学玻璃，其折射率n为1.6438，平板图像显示玻璃5的厚度与相应的实施例相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例5

在以上的实施例1～3中，在壳体1内的下端密封安装有平板图像显示玻璃5，平板图像显示玻璃5为ZF₆平板光学玻璃，其折射率n为1.7496，平板图像显示玻璃5的厚度与相应的实施例相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例6

在以上的实施例1～5中，在壳体1内的上端设置的发光器件为发光强度为10～100mcd的发光二极管。其它零部件以及零部部件的联接关系与相应的实施例相同。

Claims (7)

1.一种液体折射率实时检测装置，其特征在于：在不透光的壳体(1)内下端设置有平板图像显示玻璃(5)，平板图像显示玻璃(5)的厚度h为3～5mm、光入射面为毛化面、出射面为光学面，壳体(1)内上端设置有发光器件和CCD摄像头(3)，发光器件的输出端通过光导纤维(6)与平板图像显示玻璃(5)的毛化面联接，CCD摄像头(3)的输出端通过电缆与计算机(4)相连。

2.按照权利要求1所述的液体折射率实时检测装置，其特征在于：所说的平板图像显示玻璃(5)的厚度h为4mm。

3.按照权利要求1或2所述的液体折射率实时检测装置，其特征在于：所说的平板图像显示玻璃(5)的折射率n为1.5146～1.7496。

4.按照权利要求1所述的液体折射率实时检测装置，其特征在于：所说的CCD摄像头(3)的中心线与平板图像显示玻璃(5)的几何中心线相重合；所说的光导纤维(6)的端部设置在平板图像显示玻璃(5)毛化面的几何中心上。

5.按照权利要求1所述的液体折射率实时检测装置，其特征在于：所说的发光器件为半导体激光器(2)或发光强度为10～100mcd的发光二极管。

6.按照权利要求1或4所述的液体折射率实时检测装置，其特征在于：所说的CCD摄像头(3)的像素为1000×1400。

7.一种权利要求1液体折射率实时检测装置检测液体折射率的方法，其特征在于该方法由下述步骤组成：

A、将液体折射率实时检测装置的平板图像显示玻璃(5)的光学面浸入待测液体中；

B、接通发光器件的电源，发光器件发出的可见光经光导纤维(6)传输到平板图像显示玻璃(5)的毛化面上，经过平板图像显示玻璃(5)的可见光到达待测液体与平板图像显示玻璃(5)的界面上，反射到平板图像显示玻璃(5)的毛化面上，形成以入射光点为圆心的圆形暗斑；

C、待测液体圆形暗斑的半径r长度的测量按1mm对应于CCD摄像头(3)的10个像素进行标定，CCD摄像头(3)将接收到的圆形暗斑图像转换成数字信号通过电缆输出到计算机(4)，计算机(4)按下式：

$n_x=\frac{\mathrm{rn}}{\sqrt{r^2+4h^2}}---\left(1\right)$

计算待测液体的折射率，显示出计算结果以及圆形暗斑的图像，式中n_x为待测液体的折射率、r为圆形暗斑的半径、n为平板图像显示玻璃(5)的折射率、h为平板图像显示玻璃(5)的厚度。

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