CN103674775A - 一种基于全反射原理的差分式液体密度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及是一种基于全反射原理的差分式液体密度测量装置。差分式液体密度测量装置，包括具有对称结构的玻璃合成体、点光源、线阵CCD、电路单元、遮光罩和储液箱体，所述的玻璃合成体具有对称结构、上半部分为长方体状、下半部分呈梯形状、中间开槽，玻璃合成体垂直部分内壁镀内反射膜。其中长方体状部分主要用于延长光路，梯形状部分主要用于点光源入射可照射液体，玻璃合成体置于箱体正上方，箱体底面罩遮光罩，线阵CCD及电路处理单元位于玻璃合成体上方，玻璃合成体、储液箱、线阵CCD及电路单元连接。该测量装置具有测量便捷、精度和信噪比高、测量误差小、可在腐蚀性等恶劣工业环境下工作等优点。

Description

一种基于全反射原理的差分式液体密度测量装置

技术领域

本发明涉及是一种基于全反射原理的差分式液体密度测量装置。

背景技术

目前基于CCD的液体密度测量方法主要有：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。由于溶液折射率受密度变化影响，导致这一侧向位移随液体密度的改变而变化。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。当溶液密度发生变化时，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密度之间的关系，用查表方式可以测出液体密度。该方法将最小偏向角与密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的利用梯形棱镜的光学折射法，该方法以激光作为光源，入射光透过液体射入梯形棱镜的一端，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。CCD上像斑便可与液体密度建立对应关系，从像斑就可以测出液体的密度。该方法利用线阵CCD,数据采集量小，抗干扰能力相对较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有测量便捷、精度和信噪比高、测量误差小基于全反射原理的差分式液体密度测量装置。

本发明的目的是这样实现的：

差分式液体密度测量装置，包括具有对称结构的玻璃合成体、点光源、线阵CCD、电路单元、遮光罩和储液箱体，所述的玻璃合成体具有对称结构、上半部分为长方体状、下半部分呈梯形状、中间开槽，玻璃合成体垂直部分内壁镀内反射膜。其中长方体状部分主要用于延长光路，梯形状部分主要用于点光源入射可照射液体，玻璃合成体置于箱体正上方，箱体底面罩遮光罩，线阵CCD及电路处理单元位于玻璃合成体上方，玻璃合成体、储液箱、线阵CCD及电路单元连接，点光源位于玻璃合成体梯形部分的两侧，点光源照射除玻璃合成体梯形部分外其余空间部分使用遮光罩遮挡，储液箱中装有待测液体。

点光源为LED点光源。

线阵CCD嵌于玻璃合成体顶部，用于接收投射到它上面的光，并产生电信号。

本发明的有益效果在于：

该测量装置具有测量便捷、精度和信噪比高、测量误差小、可在腐蚀性等恶劣工业环境下工作等优点。

附图说明

图1是本发明的装置示意图；

图2是本装置的光路原理示意图；

图3是本发明的线阵CCD各像素输出信号的幅值示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本专利进一步说明:

一种基于全反射原理的差分式液体密度测量装置，包括具有对称结构的玻璃体、点光源、线阵CCD、电路单元、遮光罩和储液箱体，玻璃合成体具有对称结构、上半部分为长方体状、下半部分呈梯形状、中间开槽。玻璃合成体垂直部分内壁镀内反射膜。其中长方体状部分主要用于延长光路，梯形状部分主要用于点光源入射可照射液体。玻璃合成体置于箱体正上方。箱体底面罩遮光罩。线阵CCD及电路处理单元位于玻璃合成体上方。玻璃合成体、储液箱、线阵CCD及电路部分连接。点光源位于玻璃合成体梯形部分的两侧。点光源照射除玻璃合成体梯形部分外其余空间部分使用遮光罩遮挡。储液箱中装有待测液体。

点光源为LED点光源。

组成包括电路单元1(包括CCD驱动电路、数据采集与处理电路以及数据传输电路)、线阵CCD2、具有对称结构的玻璃体3、点光源4、遮光罩5、储液箱6、遮光罩7；该测量装置采用对称的结构设计，玻璃体的左右两部分具有相同的参数，从而实现差分式测量以提高测量精度。

一种基于全反射原理的差分式液体密度测量方法,其特征是：点光源发出的光在玻璃体与待测液体液面交界处时，一部分发生全反射，另一部分光由于不满足全反射条件,只有部分光反生反射,其余部分则透射到待测液体中，所有的反射光都会通过玻璃合成体内部反射投射到CCD上，从而CCD光强光强最大值发生变化。利用CCD光强信息可获得液体密度信息。

结合图2，玻璃体3的A,C面为反射隔离面，这些面可以很好的反射投射到它上面的来自点光源的光，同时可以有效阻断来自测量装置外的光线进入到玻璃体中。玻璃体的B，D，E面对光具有很好的通透性，能够使得大部分投射到其上的光通过，整个玻璃体采用对称式设计，它的另一侧各面也是采用同样的设计。用于盛放待测液体的储液箱6位于玻璃体3下面，在它的底部有一个能够吸收大部分光辐射的黑色吸光面5，用于吸收透射到待测液体中的光。

点光源4和遮光罩7可以确保每次测量时进入到玻璃体3内的光是一定的。点光源4发出的光进入到玻璃体后首先会投射到玻璃体和待测液体交界面,由全反射定理可知,由于入射光角度不同,投射到交界面的光分为两路。如图2所示，光路一中的光由于入射角大于全反射临界角，所以会发生全反射,这些光在玻璃体内经反射后投射到线阵CCD2上；而光路二中的光由于入射角小于全反射临界角，所以这些光中有一部分会发生折射，投射到待测液体中，最终被位于储液箱底部的吸光面吸收，而另一部分则发生反射，最终和光路一中的光一样投射到图2中区域二。当待测液体密度不同时，光在玻璃体和待测液体交接面上发生全反射的区域就会发生变化(即图2中区域一大小发生变化)，最终使得CCD接受到光的区域不同(即图2中区域二大小发生变化)。

整个点光源发出的光所通过的区域是一个封闭的全黑环境，以免外部光线对测量产生影响，以提高系统抗干扰性。光在玻璃体内经过反射后再投射到线阵CCD2上，其作用是将由于待测液体浓度变化导致的光信号位置的改变效果增强，以提高装置测量精度。储液箱底部的吸光面作用是减少投射入待测液体的光对测量系统的干扰，简化测量电路设计。

线阵CCD2嵌于玻璃体3顶部，用于接收投射到它上面的光，并产生电信号。电路单元1(包括CCD驱动电路、数据采集与处理电路以及数据传输电路)位于CCD2上方，其中处理电路用来处理CCD2产生的电信号。当液体密度改变时，点光源发出的入射光在玻璃体和待测液体交界面处发生全反射的角度发生变化，则入射光最终投射到线阵CCD2上形成的光带各部分强度随之变化。由于该装置采用差分式结构设计，最终表现在线阵CCD2各像素输出信号的幅值上就如图3所示，在建立线阵CCD上光强与液体密度的对应关系后，通过处理电路单元对线阵CCD产生的信号进行处理，就可以测出液体的密度。

Claims (3)

1.一种基于全反射原理的差分式液体密度测量装置，包括具有对称结构的玻璃合成体、点光源、线阵CCD、电路单元、遮光罩和储液箱体，其特征是：所述的玻璃合成体具有对称结构、上半部分为长方体状、下半部分呈梯形状、中间开槽，玻璃合成体垂直部分内壁镀内反射膜。其中长方体状部分主要用于延长光路，梯形状部分主要用于点光源入射可照射液体，玻璃合成体置于箱体正上方，箱体底面罩遮光罩，线阵CCD及电路处理单元位于玻璃合成体上方，玻璃合成体、储液箱、线阵CCD及电路单元连接，点光源位于玻璃合成体梯形部分的两侧，点光源照射除玻璃合成体梯形部分外其余空间部分使用遮光罩遮挡，储液箱中装有待测液体。

2.根据权利要求1所述的一种基于全反射原理的差分式液体密度测量装置，其特征是：所述的点光源为LED点光源。

3.根据权利要求1所述的一种基于全反射原理的差分式液体密度测量装置，其特征是：所述线阵CCD嵌于玻璃合成体顶部，用于接收投射到它上面的光，并产生电信号。