CN101995393B

CN101995393B - 基于玻璃合成体和线阵ccd的液体浓度测量装置及方法

Info

Publication number: CN101995393B
Application number: CN2010102978400A
Authority: CN
Inventors: 温强; 高伟强; 王云峰; 张晓敏; 朱正; 孙洪颖; 孙秋华
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: CN101995393A

Abstract

本发明提供的是一种基于玻璃合成体和线阵CCD的液体浓度测量装置及方法。包括激光光源、用于密封的玻璃片、玻璃合成体、线阵CCD、电路单元和箱体。玻璃合成体的上下底面为相互平行的平面、一个侧面为斜面、与斜面相对的侧面为圆柱面，玻璃合成体的上下底面镀内反射膜。利用液体浓度与折射率的关系及光学的折射、反射原理。入射光透过液体射入玻璃合成体的斜面，在玻璃合成体内部经过多次反射之后从柱面射出，再由线阵CCD接收。通过线阵CCD上光斑位移便可与液体浓度建立对应关系，进而测量液体的浓度。该测量方法结构简单、易于布放、稳定性高，可在线测量使用，并可在腐蚀性等恶劣工业环境中工作。

Description

基于玻璃合成体和线阵CCD的液体浓度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种液体浓度测量方法。本发明也涉及一种液体浓度测量装置。具体地说是一种基于玻璃合成体和线阵CCD的液体浓度光学测量方法及测量装置。

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、基于线阵CCD的等腰梯形测量方法：该方法的实现原理是以激光作为光源，入射光透过液体射入梯形玻璃合成体的一端，在玻璃内部经过多次的反射之后从另一端射出，再透过液体由CCD接收。由于液体浓度与折射率相关，当浓度变化时，入射光的折射角发生变化，导致光束在玻璃内部的反射角随之变化，进而使得从玻璃另一端出射的光束在CCD上光斑发生位移。因此，CCD上光斑便可与液体浓度建立对应关系，从光斑就可以测出液体的浓度。该方法对入射光线的入射角要求严格，容易在出射面上发生全反射，光束出射角度易受外界环境变化影响，稳定性比本专利提出的方法低很多。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可在线测量、稳定度高、分辨率高、测量误差小的基于玻璃合成体和线阵CCD的液体浓度测量装置。本发明的目的还在于提供一种基于玻璃合成体和线阵CCD的液体浓度测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的基于玻璃合成体和线阵CCD的液体浓度测量装置的组成包括激光光源、用于密封的玻璃片、玻璃合成体、线阵CCD、电路单元和箱体；所述玻璃合成体的上下底面为相互平行的平面、一个侧面为斜面、与斜面相对的侧面为圆柱面，玻璃合成体的上下底面镀内反射膜；玻璃合成体、激光光源、线阵CCD及电路单元置于箱体中，线阵CCD置于玻璃合成体的圆柱面的前方，激光光源发出的光束垂直于玻璃合成体两底面并照射到玻璃合成体的斜面上；箱体开有使玻璃合成体的斜面部分暴露的开口，开口处由用于密封的玻璃片实现箱体的整体密封；玻璃合成体、激光光源、线阵CCD和电路单元连接；箱体置于装有待测液体的容器中。

所述的激光光源由激光二极管构成。

在线阵CCD前设置有一放大镜。

本发明的基于玻璃合成体和线阵CCD的光学液体浓度测量方法所采用的测量装置的组成包括激光光源、用于密封的玻璃片、玻璃合成体、线阵CCD、电路单元和箱体；所述玻璃合成体的上下底面为相互平行的平面、一个侧面为斜面、与斜面相对的侧面为圆柱面，玻璃合成体的上下底面镀内反射膜；玻璃合成体、激光光源、线阵CCD及电路单元置于箱体中，线阵CCD置于玻璃合成体的圆柱面的前方，激光光源发出的光束垂直于玻璃合成体两底面并照射到玻璃合成体的斜面上；箱体开有使玻璃合成体的斜面部分暴露的开口，开口处由用于密封的玻璃片实现箱体的整体密封；玻璃合成体、激光光源、线阵CCD和电路单元连接；箱体置于装有待测液体的容器中；激光光源发出的光束从玻璃合成体的斜面入射，并在液体和玻璃合成体界面处发生折射，折射光束在玻璃合成体内上下底面经过多次反射后在玻璃体圆柱面端射出，出射光在线阵CCD上形成光斑；经调整后，斜面处入射光的延长线与圆柱面处入射光的反向延长线的交点与圆柱面的轴线相交；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，使得光束在玻璃合成体内部的反射角也相应发生位移，光束便会从圆柱面上不同位置径向出射，在线阵CCD上的光斑位置随之发生位移，利用光斑的位置获得液体浓度信息。

所述电路单元包括线阵CCD驱动电路、数据采集与处理电路、数据传输电路以及激光光源驱动电路。处理电路的逻辑功能可由FPGA或单片机实现。

本发明具有结构简单、易于布放、稳定性高，可在线测量使用，并可在腐蚀性等恶劣工业环境中工作等优点。出射光在圆柱面上始终沿其半径出射，无论光线的入射角、液体浓度如何变化，出射光都不可能在圆柱面处发生全反射，且不受环境影响，稳定度好，分辨率高。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是本发明中光路平面示意图；

图3是本发明中的玻璃合成体外形图。

具体实施方式

结合图1，基于玻璃合成体和线阵CCD的液体浓度测量装置包括激光光源1、用于密封的玻璃片2、玻璃合成体3、线阵CCD 5、电路单元6和箱体7。所述电路单元包括线阵CCD驱动电路、数据采集与处理电路、数据传输电路以及激光驱动电路。同时结合图3，玻璃合成体的上底面22、下底面23为相互平行的平面，一个侧面为斜面21，与斜面相对的侧面为圆柱面24，玻璃合成体的上下底面镀内反射膜。玻璃合成体、激光光源、线阵CCD及电路单元置于箱体中。箱体有一开口，用密封的玻璃片2和玻璃合成体3的斜面21对箱体7的开口处施行密封，保证只有玻璃合成体3的斜面21与液体接触。线阵CCD置于玻璃合成体的圆柱面的前方，激光光源发出的光束垂直于玻璃合成体两底面并照射到玻璃合成体的斜面上。将密闭箱体7置于盛有待测液体4的容器8中，使从激光光源1发出的激光透过待测溶液4垂直于玻璃合成体的上下底面入射到玻璃体的斜面上，于是可得光束在玻璃合成体内部的光路示意图2，图2中21对应的是入射光线、22和23分别对应不同溶液浓度时的出射光线。光束在玻璃体3中在玻璃合成体的上下底面多次反射，沿柱面径向射出，出射光在线阵CCD 5上形成光斑。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 5上的光斑发生位移，通过光斑位置信息可实现液体浓度测量。

激光光源由激光二极管构成，为提高测量灵敏度可在线阵CCD前加一放大镜，处理电路的逻辑功能可由FPGA或单片机实现。

Claims

1.一种基于玻璃合成体和线阵CCD的液体浓度测量装置，包括激光光源、用于密封的玻璃片、玻璃合成体、线阵CCD、电路单元和箱体；其特征是：所述玻璃合成体的上下底面为相互平行的平面、一个侧面为斜面、与斜面相对的侧面为圆柱面，玻璃合成体的上下底面镀内反射膜；玻璃合成体、激光光源、线阵CCD及电路单元置于箱体中，线阵CCD置于玻璃合成体的圆柱面的前方，激光光源发出的光束垂直于玻璃合成体两底面并照射到玻璃合成体的斜面上；箱体开有使玻璃合成体的斜面部分暴露的开口，开口处由用于密封的玻璃片和玻璃合成体的斜面实现箱体的整体密封，保证只有玻璃合成体的斜面与液体接触；玻璃合成体、激光光源、线阵CCD和电路单元连接；箱体置于装有待测液体的容器中。

2.根据权利要求1所述的基于玻璃合成体和线阵CCD的液体浓度测量装置，其特征是：所述的激光光源由激光二极管构成。

3.根据权利要求1或2所述的基于玻璃合成体和线阵CCD的液体浓度测量装置，其特征是：在线阵CCD前设置有一放大镜。

4.一种基于玻璃合成体和线阵CCD的光学液体浓度测量方法，其特征是：所采用的测量装置的组成包括激光光源、用于密封的玻璃片、玻璃合成体、线阵CCD、电路单元和箱体；所述玻璃合成体的上下底面为相互平行的平面、一个侧面为斜面、与斜面相对的侧面为圆柱面，玻璃合成体的上下底面镀内反射膜；玻璃合成体、激光光源、线阵CCD及电路单元置于箱体中，线阵CCD置于玻璃合成体的圆柱面的前方，激光光源发出的光束垂直于玻璃合成体两底面并照射到玻璃合成体的斜面上；箱体开有使玻璃合成体的斜面部分暴露的开口，开口处由用于密封的玻璃片和玻璃合成体的斜面实现箱体的整体密封，保证只有玻璃合成体的斜面与液体接触；玻璃合成体、激光光源、线阵CCD和电路单元连接；箱体置于装有待测液体的容器中；激光光源发出的光束从玻璃合成体的斜面入射，并在液体和玻璃合成体界面处发生折射，折射光束在玻璃合成体内上下底面经过多次反射后在玻璃合成体圆柱面端射出，出射光在线阵CCD上形成光斑；经调整后，斜面处入射光的延长线与圆柱面处出射光的反向延长线的交点与圆柱面的轴线相交；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，使得光束在玻璃合成体内部的反射角也相应发生位移，光束便会从圆柱面上不同位置径向出射，在线阵CCD上的光斑位置随之发生位移，利用光斑的位置获得液体浓度信息。