CN103792207B - 利用器壁光学特性非接触测量液体物理参数装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种利用器壁光学特性非接触测量液体物理参数装置，在内装有待测液体的圆柱状玻璃容器外壁上设成像层，柱状玻璃容器的外壁上成像层的外围设置暗盒，暗盒外侧壁上设半导体激光器、内侧壁上进光孔的外围设与成像层中心位置联接的直角导光屏蔽管，直角导光屏蔽管内的拐角处设与水平段中心线的夹角为45°、与垂直段中心线之间的夹角为45°的激光反射镜，暗盒的端部设通过数据线与计算机相连的CCD摄像头。测试时，将待测液体装入圆柱状玻璃容器内，激光束照射到成像层，在成像层上形成椭圆形暗斑，测量椭圆形暗斑的长轴长度按折射率公式计算出折射率，根据折射率与待测液体其它物理参数的关系，计算出待测液体的其它物理参数。

Description

利用器壁光学特性非接触测量液体物理参数装置与方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及到一种利用器壁光学特性非接触测量容器内液体物理参数的装置与方法。

背景技术

不同液体（溶液）的折射率、浓度、密度、糖度、可溶性固形物、比重等是表征不同液体或同一液体不同技术特性的重要物理参数。这些参数的测量在化工、石油、煤炭、制药、生物、食品、饮料、环保、造纸、材料科学以及教育科研等领域具有非常重要的意义。因此上述物理参数精确、快速测量技术的研究，一直是相关领域的热点问题，并且随着各种新技术的出现，其新的测量方法与装置不断涌现。

研究表明，同一种液体的上述参数之间在一定的范围内具有线性关系，并可以相互换算。对于透明或半透明液体，折射率的测量相对于其它物理量的测量更容易实现，在其折射率测定之后，可以通过已有的标准曲线（方程）或标准参数表获得相应的其它参数，因此属于光学测量技术领域的液体折射率的测量，是获得其它相关物理参数的关键和最有效的方法。

实验室中液体折射率大多采用离线测量方法，即就是将适量的待测液体放置在测量仪器或测量系统中的确定位置，构成光路的一部分，根据相关的光学效应进行测量。液体折射率的离线测量技术已经相当成熟，从依据的光学测量原理上，可分为几何光学法和物理光学法，由于几何光学方法的仪器结构简单、操作容易、测量速度快、测量环境条件要求低、抗干扰能力强、测量精度较高，在工业生产和教育科研领域获得了更广泛的应用。目前应用几何光学方法测量液体折射率的装置已有很多，但普遍不足在于，必须将待测液体从容器中取出放入测量仪器中进行测量，这对于有毒有害与易燃易爆液体的测量有一定的危险性，对于贵重液体容易造成浪费，而对于处于非常压和非常温状态下的液体折射率的实时测量更无法实施。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、测量精度高的利用器壁光学特性非接触测量液体物理参数装置。

本发明所要解决的另一个技术问题在于为非接触测量容器内液体物理参数装置提供一种测试方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在内装有待测液体的圆柱状玻璃容器外壁上附设有成像层，柱状玻璃容器的外壁上成像层的外围设置暗盒，暗盒外侧壁上设置有出射激光束垂直于暗盒侧壁的半导体激光器，暗盒内侧壁上进光孔的外围设置有与暗盒内侧壁垂直的直角导光屏蔽管，直角导光屏蔽管水平段的中心线与垂直段中心线之间的夹角为90°，直角导光屏蔽管水平段的端部与成像层中心位置联接，直角导光屏蔽管水平段的中心线与圆柱状玻璃容器的侧壁垂直并通过成像层的中心，直角导光屏蔽管内的拐角处设置有激光反射镜，激光反射镜与直角导光屏蔽管水平段中心线之间的夹角为45°、与直角导光屏蔽管垂直段中心线之间的夹角为45°，暗盒的端部设置有通过数据线与计算机相连的CCD摄像头。

本发明的成像层由位于其中央位置的透射散射层和透射散射层外围的光散射成像层构成，透射散射层和光散射成像层为喷涂的白色油漆层或丝印的白色玻璃油墨层，透射散射层的直径为5～10mm，表面附设透射散射层的圆柱状玻璃容器壁对绿色激光的透射率40%～50﹪，表面附设光散射成像层的圆柱状玻璃容器壁对绿色激光的光透射率为60%～70﹪。

上述利用器壁光学特性非接触测量液体物理参数装置的测试方法由下述步骤组成：

1、将待测液体装入圆柱状玻璃容器内，待测液体的表面应高于成像层。

2、接通半导体激光器的电源，激光束垂直入射于透射散射层的中心，在透射散射层外围的光散射成像层上形成以激光束入射点为中心的椭圆形暗斑，椭圆形暗斑的长轴与圆柱状玻璃容器的中心线平行，测量椭圆形暗斑的长轴长度，用下式计算圆柱状玻璃瓶内待测液体的折射率：

$n_x=\frac{\mathrm{Ln}}{\sqrt{L^2+16\mathrm{\Δ}{R}^2}}---\left(1\right)$

式中n_x为圆柱状玻璃容器中待测液体的折射率，L为椭圆形暗斑的长轴长度，单位为mm，n为圆柱状玻璃容器器壁的折射率，△R为圆柱状玻璃容器的壁厚度，单位为mm，计算机采用（2）式，计算出待测液体的折射率。

3、根据待测液体的折射率与其浓度、密度等其它物理参数之间关系曲线或换算表，计算出待测液体的其它物理参数。

本发明利用玻璃容器器壁的光学特性，实现了玻璃容器中液体折射率的非接触测量；本发明中半导体激光器出射的激光束，通过直角导光屏蔽管传输到位于玻璃容器器壁外表面成像层中心位置的透射散射层中心，激光束通过透射散射层时，受到透射散射层中大量微米级白色色料颗粒的散射作用，使得激光束通过透射散射层后变为高发散度的点光源，辐射状的光线穿过玻璃器壁入射到玻璃与待测液体的界面后，符合全反射条件的光线反射到透射散射层外围透射率较高即厚度较小的光散射成像层上，形成以透射散射层上入射光点为中心，图像边界清晰对比度高且椭圆长轴长度与容器内液体折射率相关的椭圆形暗斑。CCD摄像头接收到的椭圆暗斑长轴长度的光信号输出到计算机，计算机计算出待测液体折射率，根据折射率与待测液体其它物理参数之间的关系，可计算出待测液体其它物理参数。

本发明中与液体折射率相关的光学图像的产生，不需调试、光照即显，获得的光学图像边界清晰、对比度高，同时测量范围广，测量速度快、精度高，可测量透明液体和半透明液体的折射率；本发明在测量中避免了将待测液体从容器中取出，并且在测量过程中对玻璃容器内液体无任何影响，这对于有毒有害、易燃易爆液体以及贵重液体的测量具有重要意义，同时解决了处于非常压和非常温状态下的液体折射率的实时测量问题。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是本发明实施例1的成像层1结构示意图。

图3是采用本发明测量无水乙醇折射率的椭圆形暗斑照片。

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，本实施例的利用器壁光学特性非接触测量液体物理参数的装置由成像层1、暗盒2、CCD摄像头3、计算机4、直角导光屏蔽管5、半导体激光器6、激光反射镜7、圆柱状玻璃容器8联接构成。

待测液体装在圆柱状玻璃容器8内，在圆柱状玻璃容器8的外表面上喷涂有成像层1,本实施例的成像层1为白色油漆层,采用喷涂的方法将白色油漆喷涂在圆柱状玻璃容器8的外表面,成像层1由位于其中央位置的透射散射层1-1和透射散射层1-1外围的光散射成像层1-2构成。透射散射层1-1的直径为8mm，表面喷涂透射散射层1-1的圆柱状玻璃容器8壁对绿色激光的透射率40%～50﹪，表面喷涂光散射成像层1-2的圆柱状玻璃容器8壁对绿色激光的光透射率为60%～70﹪。这种结构的成像层1中，透射散射层1-1对通过的激光束产生散射作用，入射于光透射率较小即厚度较大的透射散射层1-1的激光束，穿过透射散射层1-1时，受到透射散射层1-1中大量微米级白色色料颗粒的散射作用，变为高发散度的点光源，辐射状的光线进入圆柱状玻璃容器8器壁并入射到玻璃与待测液体的界面后，符合全反射条件的光线由圆柱状玻璃容器8的器壁与待测液体的界面反射到透射散射层1-1外围的光散射成像层1-2上，在光散射成像层1-2上形成以透射散射层1-1上入射光点为中心图像边界清晰对比度高的椭圆形暗斑，椭圆形暗斑的长轴长度与圆柱状玻璃容器8内待测液体折射率相关。

圆柱状玻璃容器8的器壁外侧、光散射成像层1-2的外围用胶粘接联接有暗盒2，暗盒2外侧壁上用螺纹紧固联接件固定联接安装有出射激光束垂直于暗盒2侧壁的半导体激光器6，半导体激光器6出射的激光束通过与半导体激光器6出射光口正对的暗盒2侧壁上的进光孔进入暗盒2内，在暗盒2内侧壁上进光孔的外围固定联接安装有与暗盒2内侧壁垂直的直角导光屏蔽管5，直角导光屏蔽管5水平段的中心线与垂直段中心线之间的夹角为90°，直角导光屏蔽管5水平段的端部用胶粘接联接在圆柱状玻璃容器8的器壁外侧透射散射层1-1的中心位置，直角导光屏蔽管5水平段的中心线与圆柱状玻璃容器8的侧壁垂直并通过透射散射层1-1的中心，直角导光屏蔽管5为不透光管，直角导光屏蔽管5用于阻隔激光束传输过程中空气悬浮颗粒对激光的散射以及激光束入射到透射散射层1-1上产生的杂散反射对暗盒2内暗视场的影响。在直角导光屏蔽管5内的拐角处安装有激光反射镜7，激光反射镜7与直角导光屏蔽管5水平段中心线之间的夹角为45°、与直角导光屏蔽管5垂直段中心线之间的夹角为45°，半导体激光器6出射的激光束经激光反射镜7反射垂直入射于透射散射层1-1的中心。在暗盒2的端部用螺纹紧固联接件固定联接安装有CCD摄像头3，CCD摄像头3的中心线与透射散射层1-1的中心相重合并与圆柱状玻璃容器8的侧壁垂直。CCD摄像头3的输出端通过数据与计算机4相连。

使用上述利用器壁光学特性非接触测量液体物理参数装置的测试无水乙醇折射率的方法由下述步骤组成：

1、将被测的无水乙醇装入玻璃量筒内，量筒的容量为1000ml，外径65.65mm，壁厚△R为2.16mm，量筒玻璃对绿色激光(532nm)的折射率n为1.46007。无水乙醇的液面高于玻璃量筒外表面上的成像层1。

2、接通半导体激光器6的电源，激光束垂直入射于透射散射层1-1的中心，在透射散射层1-1外围的光散射成像层1-2上形成以激光束入射点为中心的椭圆形暗斑，椭圆形暗斑的长轴与玻璃量筒的中心线平行，椭圆形暗斑的长轴长度L、玻璃量筒的壁厚△R和量筒玻璃的折射率n与玻璃量筒内待测无水乙醇的折射率n_x符合关系：

$n_x=\frac{\mathrm{Ln}}{\sqrt{L^2+16\mathrm{\Δ}{R}^2}}---\left(1\right)$

计算机4根据CCD传输的椭圆形暗斑的长轴长度L的大小，采用（1）式进行数据处理，计算出被测无水乙醇的折射率n_x为1.3613

3、根据已有酒精的折射率与其浓度等其它物理参数之间关系曲线或换算表，可计算出酒精的其它物理参数。

实施例2

本实施例中，在圆柱状玻璃容器8的外表面上喷涂有成像层1,成像层1为白色油漆层,采用喷涂的方法将白色油漆喷涂在圆柱状玻璃容器8的外表面,成像层1由位于其中央位置的透射散射层1-1和透射散射层1-1外围的光散射成像层1-2构成。透射散射层1-1的直径为5mm，表面喷涂透射散射层1-1的圆柱状玻璃容器8壁对绿色激光的透射率40%～50﹪，表面喷涂光散射成像层1-2的圆柱状玻璃容器8壁对绿色激光的光透射率为60%～70﹪。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

使用本实施例装置测液体物理参数的方法与实施例1相同。

实施例3

本实施例中，在圆柱状玻璃容器8的外表面上喷涂有成像层1,成像层1为白色油漆层,采用喷涂的方法将白色油漆喷涂在圆柱状玻璃容器8的外表面,成像层1由位于其中央位置的透射散射层1-1和透射散射层1-1外围的光散射成像层1-2构成。透射散射层1-1的直径为10mm，表面喷涂透射散射层1-1的圆柱状玻璃容器8壁对绿色激光的透射率40%～50﹪，表面喷涂光散射成像层1-2的圆柱状玻璃容器8壁对绿色激光的光透射率为60%～70﹪。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

使用本实施例装置测液体物理参数的方法与实施例1相同。

实施例4

在以上的实施例1～3中，在圆柱状玻璃容器8的外表面上有成像层1，成像层1为白色玻璃油墨层,采用丝印的方法将玻璃油墨印制在圆柱状玻璃容器8的外表面,成像层1由位于其中央位置的透射散射层1-1和透射散射层1-1外围的光散射成像层1-2构成。透射散射层1-1的直径与相应的实施例相同，表面丝印透射散射层1-1的圆柱状玻璃容器8壁对绿色激光的透射率40%～50﹪，表面丝印光散射成像层1-2的圆柱状玻璃容器8壁对绿色激光的光透射率为60%～70﹪。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

使用本实施例装置测液体物理参数的方法与实施例1相同。

Claims (3)

1.一种利用器壁光学特性非接触测量液体物理参数装置，其特征在于：在内装有待测液体的圆柱状玻璃容器(8)外壁上附设有成像层(1)，圆柱状玻璃容器(8)的外壁上成像层(1)的外围设置暗盒(2)，暗盒(2)外侧壁上设置有出射激光束垂直于暗盒(2)侧壁的半导体激光器(6)，暗盒(2)内侧壁上进光孔的外围设置有与暗盒(2)内侧壁垂直的直角导光屏蔽管(5)，直角导光屏蔽管(5)水平段的中心线与垂直段中心线之间的夹角为90°，直角导光屏蔽管(5)水平段的端部与成像层(1)中心位置联接，直角导光屏蔽管(5)水平段的中心线与圆柱状玻璃容器(8)的侧壁垂直并通过成像层(1)的中心，直角导光屏蔽管(5)内的拐角处设置有激光反射镜(7)，激光反射镜(7)与直角导光屏蔽管(5)水平段中心线之间的夹角为45°、与直角导光屏蔽管(5)垂直段中心线之间的夹角为45°，暗盒(2)的端部设置有通过数据线与计算机(4)相连的CCD摄像头(3)。

2.根据权利要求1所述的利用器壁光学特性非接触测量液体物理参数装置，其特征在于：所述的成像层(1)由位于其中央位置的透射散射层(1-1)和透射散射层(1-1)外围的光散射成像层(1-2)构成，透射散射层(1-1)和光散射成像层(1-2)为喷涂的白色油漆层或丝印的白色玻璃油墨层，透射散射层(1-1)的直径为5～10mm，表面附设透射散射层(1-1)的圆柱状玻璃容器(8)壁对绿色激光的透射率40％～50﹪，表面附设光散射成像层(1-2)的圆柱状玻璃容器(8)壁对绿色激光的光透射率为60％～70﹪。

3.一种使用权利要求1利用器壁光学特性非接触测量液体物理参数装置的方法，其特征在于由下述步骤组成：

1)将待测液体装入圆柱状玻璃容器(8)内，待测液体的表面应高于成像层(1)；

2)接通半导体激光器(6)的电源，激光束垂直入射于透射散射层(1-1)的中心，在透射散射层(1-1)外围的光散射成像层(1-2)上形成以激光束入射点为中心的椭圆形暗斑，椭圆形暗斑的长轴与圆柱状玻璃容器(8)的中心线平行，测量椭圆形暗斑的长轴长度，用下式计算圆柱状玻璃容器(8)内待测液体的折射率：

$n_x=\frac{\mathrm{Ln}}{\sqrt{L^2+16{\mathrm{\ΔR}}^2}}---\left(1\right)$

式中n_x为圆柱状玻璃容器(8)中待测液体的折射率，L为椭圆形暗斑的长轴长度，单位为mm，n为圆柱状玻璃容器(8)器壁的折射率，△R为圆柱状玻璃容器(8)的壁厚度，单位为mm，计算机(4)采用(1)式，计算出待测液体的折射率。