CN102564895B - 基于超声衍射光栅的液体密度在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于超声波衍射光栅的液体密度的在线监测系统，包括激光器、扩束镜、平行光管、压电陶瓷平面超射波发生器、DDS超声波信号源、超声池、蠕动泵进样系统和CCD测量系统，激光器输出的激光束经扩束镜和平行光管得到高品质的单色线光源，DDS超声波信号源产生的高频正余弦信号激励压电陶瓷平面超射波发生器在超声池中形成“超声光栅”；所述的线光源的出射光束经过“超声光栅”的衍射，得到一列锐细的单色衍射条纹，汇聚透镜将同一方向衍射角的出射光线汇聚于在CCD测量系统的光敏面位置；由CCD测量系统将衍射条纹采集到计算机计算出条纹间距，求出液体样品的密度。本发明具有精度高，易于实时监测；结构简洁易行，可操作性强；无复杂的光学系统，成本低等的特点。

Description

基于超声衍射光栅的液体密度在线监测系统

技术领域

本发明涉及一种液体密度在线监测系统，尤其涉及一种基于超声波衍射光栅的液体密度的在线监测系统。

背景技术

目前光电技术及超声波技术已经相当成熟，在许多领域光电技术与超声波技术都有广泛的应用。对于液体密度的在线监测，现在国内还没有采用光电和超声波技术结合实现监测液体密度的仪器设备。对于液体密度的测定和监控主要采用以下两种测定方法：

（1）在固定体积的情况下，采用监测对应质量的办法得到其密度；

（2）利用力敏器件测液体内的压差。

此两种方法的缺点主要有：

（1）对传感器的工作状态要求苛刻，要实现精确测定，测试环境必须稳定、干扰小且传感器的测量精度要足够高；

（2）传感器使用前必须进行预处理操作，如校准；

（3）传感器特性曲线的疲劳变化，如随使用时间的推移，传感器的特性曲线质量降低，从而导致精度降低，误差增大。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供一种基于超声波衍射光栅的液体密度的在线监测系统。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于超声波衍射光栅的液体密度的在线监测系统，包括激光器、扩束镜、平行光管、压电陶瓷平面超声波发生器、DDS超声波信号源、超声池、蠕动泵进样系统和CCD测量系统，其构成形式为：扩束镜置于激光器前，平行光管置于扩束镜前，超声池置于平行光管前，超声池内安装有压电陶瓷平面超射波发生器，压电陶瓷平面超射波发生器与DDS超声波信号源连接。激光器输出的激光束经扩束镜和平行光管得到高品质的单色线光源；DDS超声波信号源产生的高频正余弦信号激励压电陶瓷平面超射波发生器在超声池中形成“超声光栅”；所述的单色线光源的出射光束经过“超声光栅”的衍射，得到一列锐细的单色衍射条纹，汇聚透镜将同一方向衍射角的出射光线汇聚于同一衍射级次位置，此位置在该汇聚透镜的像方焦平面，同时也在CCD测量系统的光敏面位置；由CCD测量系统将衍射条纹采集到计算机，计算机计算出条纹间距，求出液体样品的密度，所述的蠕动泵进样系统与超声池连接。

所属的CCD系统的CCD传感器是线阵的。

本发明的基于超声波衍射光栅的液体密度的在线监测系统的工作原理是：当超声波发生器在周期性高频正弦电信号的激励下产生超声波，此超声波在样品池液体中激励液体媒质产生周期性排布的疏密纵波，进而使液体密度呈现周期性排列，当激光束垂直入射此液体时，液体中疏密不同（折射率不同）会产生类似光栅的作用，通过CCD采集分析经过样品池后单色出射光线的衍射图样，得出液体的密度。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种基于超声波衍射光栅的液体密度的在线监测系统，与现有技术相比，其有益效果是：

由于采用光电技术手段，可实现液体密度的实时、在线监测，避免了现场在线监测情况下一般传感器使用的不利方面，而且其精度高，系统稳定性好，采用计算机软件数据处理速度快且可动态显示测量结果。

附图说明

图1是基于超声波衍射光栅的液体密度的在线监测系统的结构框图；

图2是CCD系统采集时的窗口图样；

图3是利用超声光栅衍射测量的光路图。

其中，1：激光器，2：扩束镜，3：平行光管，4：超声池，5：DDS超声波信号源，6：压电陶瓷平面超射波发生器，7：汇聚透镜，8：CCD测量系统，9：计算机，10：蠕动泵进样系统。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，本发明的基于超声波衍射光栅的液体密度的在线监测系统，包括一个氦氖激光器（632.8nm）1，也可用半导体激光器（600nm）；一个扩束镜2，一个平行光管3是由两块凸透镜组成的镜筒结构，前方透镜的像方焦点与后方透镜的物方焦点重合，且前端装有可调狭缝；一个超声池4是由石英精密加工而成的带盖长方形容器；一个DDS超声波信号源（DDS模块）5，一块压电陶瓷平面超射波发生器6使用的是PZT晶片；一块汇聚透镜7，一个线阵CCD探测器8，计算机9和一个蠕动泵10；扩束镜置于激光器前，平行光管置于扩束镜前，超声池置于平行光管前，超声池内安装有压电陶瓷平面超射波发生器，压电陶瓷平面超射波发生器与DDS超声波信号源连接，激光器输出的激光束经扩束镜和平行光管得到高品质的单色线光源；DDS超声波信号源产生的高频正余弦信号激励压电陶瓷平面超射波发生器在超声池中形成“超声光栅”；所述的单色线光源的出射光束经过“超声光栅”的衍射，得到一列锐细的单色衍射条纹，汇聚透镜将同一方向衍射角的出射光线汇聚于同一衍射级次位置，此位置在该汇聚透镜的像方焦平面，同时也在CCD测量系统的光敏面位置；由CCD测量系统将衍射条纹采集到计算机，计算机计算出条纹间距，求出液体样品的密度，所述的蠕动泵进样系统与超声池连接；所述蠕动泵10可以在12V直流电压工作下，将待测液体样品从液体容器（或管路）中泵入超声池4，多余的样品从排出管流回到液体容器。

用上述基于超声波衍射光栅的液体密度的在线监测系统来测定纯净水的密度，其具体操作方法如下：

一、系统调整

（1）线光源调整

调整激光器、扩束镜、平行光管三者等高、共轴，微调平行光管前端狭缝，得到竖直、锐细、高亮的线光源。

（2）CCD成像系统调整

调整会聚透镜与CCD接收器之间的距离，使CCD阵列的光敏面位于会聚透镜的焦平面位置，此项调整可借助接收白屏（纸板、塑料板均可），通过眼睛目测看到汇聚透镜后方的狭缝的像边缘清楚的即可，记下屏的表面位置，再将CCD光敏面放置于之前白屏的位置，然后再由CCD采集软件通过成像的对比度及清晰度微调CCD光敏面与会聚透镜之间的距离，调整好可得如图2（a）所示效果，并测出汇聚透镜焦距数值f。

（3）超声光栅调整

将DDS信号输出端接至PZT晶片两输入端，再开启蠕动泵将待测纯净水泵入样品池，打开DDS电源，调整输出频率，使出现的衍射条纹级次最多，这可以通过CCD采集窗口观察到，如图2（b）所示。

二、纯净水测试与数据处理

系统调整好，通过CCD对衍射条纹进行观测，如图2（b）所示。可得如下数据，见表1。系统使用氦氖激光器（输出波长λ为632.8nm），CCD光敏单元间距11um。

表140℃纯净水CCD观测衍射条纹数据表（γ=10.18MHz，f=150mm）

由表1，通过采集CCD图像中的峰值，即光栅衍射亮纹的位置的数据进行处理，可以得到最终结果。

推导及计算过程如下：

对于超声光栅衍射，测量的光路如图3所示。有如下光栅方程

式中A为超声光栅常数，其光栅常数等于超声波的波长，由光路可知，当很小时，有

其中，l_k为衍射零级谱至k级的距离；f为汇聚透镜焦距。所以超声波波长

超声波在液体中的传播速度：

c=Aγ=kλfγl_k                          （4）其中γ是DDS的输出频率（等于PZT晶片的共振频率），超声波在液体中传播时，其声速c与液体的密度ρ之间遵从下面的关系式：

$c=1/\sqrt{\mathrm{\ρK}}---\left(5\right)$

式中K为液体压缩系数，其在一定的温度及压强范围内为一常值。所以有

$\mathrm{\ρ}=1/c^{2}K=l_k^2/k^2{\mathrm{\λ}}^2{f}^2{\mathrm{\γ}}^{2}K---\left(6\right)$

代入数据计算可得：ρ=1.020g/ml，误差为2.8％（与40℃水的标准数据0.9922相比）。

（其中k=1，l₁=56.8，λ=632.8nm，f=150mm，γ=10.18MHz，K=4.1×10^-10Pa^-1）

由此可以看出，采用超声光栅衍射的方法测量的精度较高，且系统便于调节，光路稳定性好，可长时间运行，非常适合实时在线监测。

Claims (1)

1.一种基于超声波衍射光栅的液体密度的在线监测系统，其特征在于：它包括激光器、扩束镜、平行光管、压电陶瓷平面超射波发生器、DDS超声波信号源、超声池、蠕动泵进样系统和CCD测量系统，其构成形式为：扩束镜置于激光器前，平行光管置于扩束镜前，超声池置于平行光管前，超声池内安装有压电陶瓷平面超射波发生器，压电陶瓷平面超射波发生器与DDS超声波信号源连接，激光器输出的激光束经扩束镜和平行光管得到高品质的单色线光源；DDS超声波信号源产生的高频正余弦信号激励压电陶瓷平面超射波发生器在超声池中形成“超声光栅”；所述的单色线光源的出射光束经过“超声光栅”的衍射，得到一列锐细的单色衍射条纹，汇聚透镜将同一方向衍射角的出射光线汇聚于同一衍射级次位置，此位置在该汇聚透镜的像方焦平面，同时也在CCD测量系统的光敏面位置；由CCD测量系统将衍射条纹采集到计算机，计算机计算出条纹间距，求出液体样品的密度，所述的蠕动泵进样系统与超声池连接。 

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