CN105044034A - 一种用于透明溶液浓度变化的实时测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于透明溶液浓度变化的实时测量方法，利用激光光束干涉特性，对全息干涉图进行光强拟合，对光强进行参数提取，并对选取的溶液测量位置所测得的光强采用提取的参数进行计算，获得实时的干涉相位差，最后根据相位差和溶液折射率的线性关系以及溶液折射率与溶液浓度的线性关系就可计算得到溶液的浓度变化量。本发明可实现透明溶液的浓度变化的实时测量，具有实时、非接触、灵敏度高、精确度高等优点。

Description

一种用于透明溶液浓度变化的实时测量方法

技术领域

本发明属于化学工程动力学测试领域，尤其涉及一种适用于测量透明溶液浓度改变量的测量方法。

背景技术

溶液浓度是表征溶液特性的一个重要参数。溶液浓度变化的检测和测量是制药、材料、化学等领域十分重要的课题。化学领域，当溶液内部发生反应，分析浓度的动态变化对阐明化学反应机理有着重要的意义。传统的测量手段如浓度计、光度计等通常只能测量静态下的溶液浓度，而当溶液浓度动态变化时，难以达到实时测定。

数字全息显微术可以利用光束干涉全息图像同时获得溶液位置、数量、相位以及形貌信息，在溶液浓度变化时，能对溶液变化进行实时观察。但是，目前尚无溶液浓度进行实时定量测量的方法。

数字全息计量法是一种常用的无损检测技术，是全息计量术发展，它具有精度高、对被测物(或场)无影响、实时性强等特点，几乎是数字全息最成功的应用领域。全息计量法与一般的光学干涉检测法类似，他们有类似的精度和灵敏度，区别是一般光学检测获取干涉光的方式为主要有分波前法和分振幅法。分波前法是将一束光的波前分成两个或以上部分再发生干涉，如双缝干涉等：分振幅法时将一束光的振幅分成两个或以上部分，如近克尔逊干涉仪等。而全息干涉是将同一束光的不同时刻的波前分开然后进行干涉.这种方法的好处是可以减小装置的系统误差。全息干涉不仅可以测量透明物体，也可以测量非透明物体。而数字全息采用CCD代替全息干板后，全息图存贮和处理更加方便，并且CCD的图像记录时间比全息干板要低的多，使数字全息的干涉计量术比光学全息术的应用领域更加广泛，尤其在对动态过程的处理中更具有光学全息计量术不可比拟的优势。

在测量溶液浓度方面，硕士论文“基于干涉法测量溶液浓度变化的研究”中，将干涉图经过相应的计算机软件通过傅里叶变化转化为频谱图，再经傅里叶逆变换解出相位差。此外，在山东大学的另一篇硕士论文(作者：袁博宇等)中，采用的是改变透镜位置获得载波条纹的方法解析相位差，该方法很容易破坏光路，增加实验难度和不确定性。

发明内容

为提升测量准确度，弥补传统测量技术对浓度动态变化溶液测量的不足，本发明提供了一种用于透明溶液浓度变化的实时测量方法，从而可用于铜合金等各类金属阳极腐蚀定量测量、晶体材料制备中溶液浓度控制、溶液中催化剂表面浓度变化、化学和生物实验中溶液组分变化测定等。

本发明的具体技术方案如下：

一种用于透明溶液浓度变化的实时测量方法，包括步骤：

1)测量用的激光由分束器分为平行的物光和参照光，穿过待测的透明溶液且携带有溶液信息的物光经成像透镜收集并与参照光在分束棱镜处干涉，形成同心圆条纹的干涉图像；

2)当溶液浓度变化时，重复步骤1)中的操作，得到发生条纹畸变的干涉图像；

3)对步骤1)和步骤2)中的干涉图像进行光强拟合，提取两幅图中测量点的光强信息，算得测量点的干涉相位差；

4)根据相位差和溶液折射率的线性关系以及溶液折射率与溶液浓度的线性关系，计算测量点的溶液浓度变化量。

其中，所述的透明溶液盛放在透明样品皿内，且置于所述成像透镜的一倍焦距与二倍焦距之间，起到放大显微作用。

分束后的物光和参照光的光路上设有空间滤波器滤波和准直透镜，起到滤波作用。

在所述的步骤3)中，待测的透明溶液浓度分布均匀，光强表示为：

$I(x,y)=U_O^2+U_R^2+{2U}_O{U}_R\cos (2\mathrm{\π}{(d^2+R^2)}^{1/2}/\mathrm{\λ})$

式中，x,y为任意点的坐标，U_O为物光的复振幅，U_R为参照光的复振幅，λ为波长，d为采集图像的CCD到溶液之间的距离，R是CCD平面任意一点到干涉图像圆心的距离。

其中，干涉相位差表示为：

式中，n_(x,y)为浓度变化过程中任意一点的溶液折射率，n₀为浓度变化前的溶液折射率，λ为激光波长，d为透明样品皿的宽度。

所述的步骤4)中，溶液折射率变化Δn_(x,y)与相位差变化关系为：

式中，n_(x,y)为浓度变化过程中任意一点的溶液折射率，n₀为浓度变化前的溶液折射率，λ为激光波长，d为透明样品皿的宽度。

所述的步骤4)中，溶液折射率变化与溶液浓度变化满足线性关系，

$\mathrm{\Δn}=\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dc}}\mathrm{\Δc}$

式中，是浓度变化与折射率变化的关系系数。

在所述的步骤4)中，溶液浓度变化量的计算公式为：

式中，Δc为溶液浓度变化量，是浓度变化与折射率变化的关系系数。

本发明的有益效果：

(1)引入计算机技术和图像处理技术，使记录和分析完全数字化，极大提高数据处理的速度与精度；

(2)测量过程中，对样品中的溶液没有任何接触，光束透过样品池后，对溶液中浓度变化反应是实时的，因此具有非接触以及实时的优点。

附图说明

图1为测量系统的光路图；

图2中(a)、(b)和(c)为浓度变化过程中采集到三幅干涉图像；

图3为初始时不同位置的光强曲线与拟合曲线图；

图4为浓度改变后的不同位置的光强曲线与拟合曲线图，选取的点位是溶液待测量浓度的位置；

图5为浓度改变后的不同位置的光强曲线与拟合曲线图，选取的点位是拟合曲线中，该亮度所处位置，用以计算相位差。

具体实施方式

如图1所示的测量系统，包括激光器1、分束器2、空间滤波器3、透镜4、样品槽5、透镜6、全反射镜7、全反射镜8、空间滤波器9、透镜10、分束棱镜11、CCD12和计算机13。

由激光器1发出一定波长的激光，由分束器2分为平行的物光和参照光，分别经过空间滤波器3和空间滤波器9滤波，准直透镜4和10准直，让光束直径扩大到与样品规格匹配。样品槽5放在物光侧，成像透镜6之前，在成像透镜6的一倍焦距与二倍焦距之间。携带有溶液信息的物光与参照光在分束棱镜处11干涉，产生一系列同心圆条纹，条纹由CCD12接收，计算机13记录。反应过程中，溶液浓度发生变化，形成浓度梯度，改变溶液的折射率，从而物光的相位也发生变化，条纹产生明显的畸形变化，如图2所示。

本实施例中，其中获得溶液浓度变化量的具体过程如下：对全息干涉图进行光强拟合，对光强进行参数提取，并对选取的溶液测量位置所测得的光强采用提取的参数进行计算，获得实时的干涉相位差，最后根据相位差和溶液折射率的线性关系以及溶液折射率与溶液浓度的线性关系就可计算得到溶液的浓度变化量。其中被测溶液为盛放在透明样品皿内的透明溶液。

反应发生以前，溶液视作均匀体，光强表示为

$I(x,y)=U_O^2+U_R^2+{2U}_O{U}_R\cos (2\mathrm{\π}{(d^2+R^2)}^{1/2}/\mathrm{\λ})---\left(1\right)$

式中U_O为物光的复振幅，U_R为参照光的复振幅，λ为波长，d为CCD到电极表面附近溶液之间的距离，干涉图像表现为一系列同心圆的明暗条纹，R是CCD平面任意一点到圆心的距离。图3中实验曲线是以干涉图圆心为原点向电极侧水平的一道射线上各点的亮度I，横坐标是距离原点距离。采用Origin软件拟合，得到式1中各个参数，获得拟合曲线。反应发生后，条纹明显的畸形变化，图3中的实验曲线不再与拟合曲线靠近。研究体系中某一点的浓度改变时，先计算出该点的亮度，如图4光标位置，拟合曲线中，该亮度点则处于图5光标位置。测量其距离，精度在10^-3mm以上，进一步算出相位差。

以CCD平面为x-y平面，其垂直方向为z轴，则CCD平面上干涉条纹的相位差可以表示为

其中n_(x,y,z)为反应过程中电解池内任意一点的溶液折射率，n₀为反应前的溶液折射率，即空白实验下的溶液折射率，λ为激光波长，即632.8nm。

测量中只计算x-y平面上的浓度变化，将电解池设计成宽度相对长度或高度较短的规格，则实验体系近似为二维折射率场，即x-y平面的折射率分布n_(x,y)。则式(2)可简化为

其中d为电解池宽度。

于是溶液折射率变化Δn_(x,y)与相位差变化关系为

由式(4)可知，溶液折射率变化与物光波前的相位差成正比例关系。所以通过比较反应中某时刻与反应前的物光相位差，就可以计算出该时刻下的溶液折射率与反应前折射率的差值。

由于溶液的折射率主要溶质浓度改变影响，并与其成线性关系，满足

$\mathrm{\Δn}=\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dc}}\mathrm{\Δc}---\left(5\right)$

其中是浓度变化与折射率变化的关系系数。结合式(4)，式(5)以及干涉条纹相位差和不同浓度溶质在液体中对应的折射率，最终，算出浓度改变量随时间变化，

式中，Δc为溶液浓度变化量，是浓度变化与折射率变化的关系系数。

Claims (8)

1.一种用于透明溶液浓度变化的实时测量方法，其特征在于，包括步骤：

1)测量用的激光由分束器分为平行的物光和参照光，穿过待测的透明溶液且携带有溶液信息的物光经成像透镜收集并与参照光在分束棱镜处干涉，形成同心圆条纹的干涉图像；

2)当溶液浓度变化时，重复步骤1)中的操作，得到发生条纹畸变的干涉图像；

3)对步骤1)和步骤2)中的干涉图像进行光强拟合，提取两幅图中测量点的光强信息，算得测量点的干涉相位差；

4)根据相位差和溶液折射率的线性关系以及溶液折射率与溶液浓度的线性关系，计算测量点的溶液浓度变化量。

2.如权利要求1所述的用于透明溶液浓度变化的实时测量方法，其特征在于，所述的透明溶液盛放在透明样品皿内，且置于所述成像透镜的一倍焦距与二倍焦距之间。

3.如权利要求1所述的用于透明溶液浓度变化的实时测量方法，其特征在于，分束后的物光和参照光的光路上设有空间滤波器滤波和准直透镜。

4.如权利要求1所述的用于透明溶液浓度变化的实时测量方法，其特征在于，在所述的步骤3)中，待测的透明溶液浓度分布均匀，光强表示为：

$I(x,y)=U_O^2+U_R^2+2U_O{U}_R\cos (2\mathrm{\π}{(d^2+R^2)}^{1/2}/\mathrm{\λ})$

式中，x,y为任意点的坐标，U_O为物光的复振幅，U_R为参照光的复振幅，λ为波长，d为采集图像的CCD到溶液之间的距离，R是CCD平面任意一点到干涉图像圆心的距离。

5.如权利要求1或4所述的用于透明溶液浓度变化的实时测量方法，其特征在于，在所述的步骤3)中，干涉相位差表示为：

式中，n_(x,y)为浓度变化过程中任意一点的溶液折射率，n₀为浓度变化前的溶液折射率，λ为激光波长，d为透明样品皿的宽度。

6.如权利要求5所述的用于透明溶液浓度变化的实时测量方法，其特征在于，所述的步骤4)中，溶液折射率变化Δn_(x,y)与相位差变化关系为：

式中，n_(x,y)为浓度变化过程中任意一点的溶液折射率，n₀为浓度变化前的溶液折射率，λ为激光波长，d为透明样品皿的宽度。

7.如权利要求6所述的用于透明溶液浓度变化的实时测量方法，其特征在于，所述的步骤4)中，溶液折射率变化与溶液浓度变化满足线性关系，

$\mathrm{\Δn}=\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dc}}\mathrm{\Δc}$

式中，是浓度变化与折射率变化的关系系数。

8.如权利要求7所述的用于透明溶液浓度变化的实时测量方法，其特征在于，在所述的步骤4)中，溶液浓度变化量的计算公式为：

式中，Δc为溶液浓度变化量，是浓度变化与折射率变化的关系系数。