CN105784618A - 一种非透射固体表面上溶液液膜参数测量装置及方法 - Google Patents

一种非透射固体表面上溶液液膜参数测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于多波长激光吸收光谱技术的非透射表面溶液液膜参数测量装置及方法，用于同步测量非透射表面溶液液膜的多项参数，其特征在于：包括激光发射单元、激光耦合单元、激光分离单元、光谱采集系统和计算机，激光发射单元发出的激光经过耦合，投射至待测溶液液膜上，在非透射固体表面和待测溶液液膜表面分别发生反射产生反射光，这两束反射光经激光分离单元分离，由光谱采集系统采集非透射固体表面反射光的光信号，并转换成电信号传输到计算机进行数据处理，通过反演即可确定液膜的各项参数。

Description

一种非透射固体表面上溶液液膜参数测量装置及方法
技术领域
本发明涉及测量装置及测量方法，具体涉及一种非透射固体表面上溶液液膜多个参数同步测量的装置及方法，该装置及方法具有普适性。
背景技术
各种工业过程中，液滴撞击到固体表面形成液膜的现象广泛存在，如选择性催化还原(SCR)系统中汽车尾气排放管上尿素水溶液液膜的形成等。对液膜厚度等多个参数进行高精度的定量分析不仅能更好地揭示液膜形成、流动和蒸发这一极其复杂过程的物理本质，也对优化所涉及的各种工业过程具有非常重要的意义。
对于透射固体(如透明石英玻璃板)表面上的液膜，如图1a所示，激光直接穿过液膜和透射固体，通过在透射固体下方放置光谱采集系统获取透射光强信息可反演得到液膜各个参数；但是在实际工业过程中，液膜通常在非透射固体表面(如金属)上形成，如图1b所示，激光在穿过液膜后不能再穿过下方的非透射固体形成透射光，而是部分在溶液液膜表面发生反射形成液膜反射光，另一部分穿过溶液液膜在非透射固体表面发生反射形成非透射固体反射光，由于液膜反射光的干扰，无法直接探测穿过了溶液液膜的非透射固体反射光，因此透射固体表面上的液膜参数测定装置及方法不能直接应用于非透射固体。
发明内容
本发明的基本原理为，通过调整光路系统中激光分离单元的参数指标，实现液膜反射光与非透射固体反射光的有效分离；建立基于比尔-朗伯定律的多波数溶液液膜多参数反演模型，该模型能够基于不同参数的溶液液膜的激光吸收光谱，同时反演溶液液膜的待测参数(如厚度、温度与浓度)，根据所建立的多参数反演模型，分析非透射固体反射光的光强数据与溶液液膜各个待测参数的关系，计算得出各个待测参数的具体数值，从而实现非透射固体表面上液膜多个参数的高精度同步测量。
基于上述发明原理，本发明的技术方案是：
本发明提供一种非透射固体表面上溶液液膜参数测量装置，用于测量非透射固体表面上溶液液膜的参数，其特征在于，包括：
激光发射单元，由至少两个不同波数的激光光源组成，用于输出不同波数的激光光束；
激光耦合单元，设置在激光发射单元的激光光路上，用于将不同波数的激光光束耦合为一束并将其投射至溶液液膜上，该光束的一部分在溶液液膜表面发生反射形成液膜反射光，另一部分穿过溶液液膜，在非透射固体表面发生反射形成非透射固体反射光；
激光分离单元，设置在反射光的光路上，用于对液膜反射光和非透射固体反射光进行分离；
光谱采集系统，用于采集非透射固体反射光的光信号并将其转换成电信号；
计算机，用于接收电信号并对该电信号进行处理得到溶液液膜的各项参数。
进一步，本发明所提供的非透射固体表面上溶液液膜参数测量装置，还可以具有这样的特征：激光光源为半导体激光器；
进一步地，激光光源的个数为3个；
进一步地，激光分离单元为透镜，或透镜与柱镜的组合；
进一步地，光谱采集系统为光电探测器。
本发明还提供一种测量非透射固体表面上溶液液膜参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，采用激光发射单元输出n束不同波数的激光光束，波数分别为vi，其中i＝1,2，……n，n对应于待测参数的数量且n≥2；
步骤二，采用激光耦合单元将不同波数的激光光束耦合为一束，并将其投射至非透射固体上，在非透射固体表面发生反射，产生非透射固体反射光；
步骤三，采用激光采集系统对非透射固体反射光进行采集并将光信号转换为电信号，采用计算机处理此时的电信号，获得不同波数vi对应的非透射固体反射光背景光强I0i；
步骤四，在非透射固体表面负载待测溶液液膜，采用激光发射单元输出n束不同波数的激光光束，波数与步骤一中的激光波数相同，分别为vi；
步骤五，采用激光耦合单元将激光光束耦合为一束并将其投射至待测溶液液膜上，激光光束的一部分在待测溶液液膜表面发生反射形成液膜反射光，另一部分穿过待测溶液液膜，在非透射固体的表面发生反射形成非透射固体反射光；
步骤六，采用激光分离单元对液膜反射光和非透射固体反射光进行分离；
步骤七，采用激光采集系统对非透射固体反射光进行采集并将光信号转换为电信号，采用计算机处理并记录该电信号，获得不同波数vi对应的待测溶液的非透射固体反射光光强Ifi，采用计算机对I0i及Ifi进行处理，通过反演过程得到待测液膜的待测参数的具体数值。
进一步，本发明所提供的测量非透射固体表面上溶液液膜参数的方法，还可以具有这样的特征：n＝3，待测参数分别为厚度、温度和浓度。
发明作用与效果
根据本发明提供的非透射固体表面上溶液液膜参数测量装置，由于具有激光分离单元，而该激光分离单元能够实现非透射固体反射光及溶液液膜反射光的有效分离，因此能够排除溶液液膜反射光的干扰，单独对非透射固体反射光进行采集及分析；
根据本发明提供的非透射固体表面上溶液液膜参数测量方法，在建立了非透射固体表面反射光光强与溶液液膜多个参数的关系模型的前提下，用计算机对负载了待测溶液液膜的非透射固体反射光的光强数据进行分析，通过反演即可得出待测溶液液膜的多个参数，从而实现非透射表面上溶液液膜多参数的高精度同步测量。
附图说明
图1(a)为透射表面的激光路径示意图。
图1(b)为非透射固体表面的激光路径示意图。
图2为本发明的实施例示意图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明在待测溶液液膜为尿素溶液液膜，待测参数为厚度、浓度及温度时的具体实施方式。
图2为本发明所提供的非透射固体表面上溶液液膜参数测量装置的结构示意图，如图2所示，该装置10包括激光发射单元1、激光耦合单元2、激光分离单元4、光谱采集系统5和计算机6，用于测量非透射固体3表面上的溶液液膜参数。
激光发射单元1由三个不同波数的激光光源组成；激光耦合单元2设置在激光发射单元1的光路上，用于将激光发射单元1发出的三束激光耦合为一束并投射至溶液液膜上，该束激光的一部分在溶液液膜表面发生反射产生液膜反射光，另一部分穿过溶液液膜，在非透射固体3的表面发生反射产生非透射固体反射光；激光分离单元4设置在反射光的光路上，用于对液膜反射光和非透射固体反射光进行分离；光谱采集系统5用于采集非透射固体反射光并将光信号转化为电信号，传递给计算机6进行处理。
在本实施例中，激光发射单元1的三个激光光源均为半导体激光器，激光耦合单元2为波分复用器，激光分离单元4为透镜，光谱采集系统5为光电检测器。
以尿素溶液为例来说明本发明所提供的非透射固体表面溶液液膜参数测量方法，其具体实施步骤为：
步骤一，取纯水和质量浓度分别为5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％的尿素溶液液膜，采用吸收光谱测量装置分别测量纯水和上述尿素溶液液膜在波数6000～8000cm-1，温度为20℃、30℃、40℃、50℃条件下的吸收系数；
步骤二，将纯水和所有尿素溶液液膜在不同温度下的吸收系数对波数作图，得到吸收系数-波数曲线，比较不同波数下所有尿素溶液的吸收系数，选择波数v1、v2、v3，使波数为v1、v2的条件下，尿素溶液的吸收系数对浓度的变化率为零，在波数为v3的条件下，尿素溶液的吸收系数对温度的变化率为零；
步骤三，在波数为v1、v2的条件下，对不同浓度、不同温度的尿素溶液液膜的吸收系数与温度作拟合，得到方程式Ki＝f(T)，其中i＝1,2，Ki是浓度为c、温度为T的尿素溶液液膜对波数为v1的光的吸收系数；
在波数为v3的条件下，对不同浓度、不同温度的尿素溶液液膜的吸收系数与尿素溶液的浓度作拟合，得到方程式K3＝f(c)，其中K3是浓度为c、温度为T的尿素溶液液膜对波数为v3的光的吸收系数；
步骤四，设置不带有液膜的非透射固体3，调节激光发射单元1中三个半导体激光器的波数分别为v1、v2、v3，使激光发射单元1分别输出波数为v1、v2、v3的激光束，采用激光耦合单元2将三束激光耦合为一束，并将其投射至非透射固体3表面，形成非透射固体反射光；
步骤五，采用光谱采集系统5对非透射固体反射光进行采集并将光信号转换为电信号，采用计算机6处理此时的电信号，记录不同波数v1、v2、v3对应的非透射固体反射光光强I01、I02、I03，作为背景光强；
步骤六，采用滴管吸取待测尿素溶液，滴在非透射固体3表面上形成待测尿素溶液液膜，保持激光发射单元1的输出波数不变，采用激光耦合单元2将三束激光耦合为一束，并将其投射至液膜表面，此时激光光束的一部分在液膜表面发生反射形成液膜反射光，另一部分穿过液膜，在非透射固体3表面发生反射形成非透射固体反射光；
步骤七，调节激光分离单元4的参数，对非透射固体反射光与液膜反射光进行分离；
步骤八，采用光谱采集系统5对非透射固体反射光进行采集并将光信号转换为电信号，采用计算机6处理此时的电信号，记录不同波数v1、v2、v3对应的非透射固体反射光光强If1、If2、If3，作为反射光强；
步骤九，采用计算机6对背景光强和反射光强的数据进行处理，通过反演确定待测溶液液膜的厚度、浓度和温度这三项参数的具体数值。
其中，步骤一至步骤三为反演过程的一部分，用于反演模型的建立及确定检测所需的激光波数v1、v2、v3的具体数值，详细的反演及计算过程参见发明专利(申请号为201510072404.6)中已公开的相关内容。
实施例作用与效果
根据实施例提供的非透射固体表面上溶液液膜参数测量装置及方法，由于具有激光分离单元4，能够对非透射固体反射光及溶液液膜反射光进行有效分离并对非透射固体反射光进行分析，结合事先建立的反演模型，通过反演能够同时确定待测尿素溶液液膜的厚度、浓度以及温度。
当然，本发明所提供的非透射固体表面上溶液液膜参数测量装置及方法并不仅仅限定于在本实施例中所述的结构及步骤。在实际的测量过程中，需要测量的参数不仅限于溶液液膜的厚度、浓度及温度，在需要测量其它参数的时候可以参照上述步骤，根据需要测定的参数个数设置激光发射单元1中的激光光源数量，重新建立需要非透射固体反射光光强与需要测定的各个参数之间的反演模型，再利用本发明提供的装置对待测溶液液膜进行测量及反演，得到需要测量的各个参数的具体数值。

Claims (7)

1.一种非透射固体表面上溶液液膜参数测量装置，用于测量非透射固体表面上溶液液膜的参数，其特征在于，包括：
激光发射单元，由至少两个不同波数的激光光源组成，用于输出不同波数的激光光束；
激光耦合单元，设置在所述激光发射单元的激光光路上，用于将所述不同波数的激光光束耦合为一束并将其投射至所述溶液液膜上，该光束的一部分在所述溶液液膜表面发生反射形成溶液液膜反射光，另一部分穿过所述溶液液膜，在所述非透射固体表面发生反射形成非透射固体反射光；
激光分离单元，设置在反射光的光路上，用于对所述溶液液膜反射光和所述非透射固体反射光进行分离；
光谱采集系统，用于采集所述非透射固体反射光的光信号并将其转换成电信号；
计算机，用于接收所述电信号并对该电信号进行处理得到溶液液膜的各项参数。
2.根据权利要求1所述的非透射固体表面上溶液液膜参数测量装置，其特征在于：
其中，所述激光光源为半导体激光器。
3.根据权利要求1或2所述的非透射固体表面上溶液液膜参数测量装置，其特征在于：
其中，所述激光光源的个数为3个。
4.根据权利要求1所述的非透射固体表面上溶液液膜参数测量装置，其特征在于：
其中，所述激光分离单元为透镜，或透镜与柱镜的组合。
5.根据权利要求1所述的非透射固体表面上溶液液膜参数测量装置，其特征在于：
其中，所述光谱采集系统为光电探测器。
6.一种测量非透射固体表面上溶液液膜参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，采用激光发射单元输出n束不同波数的激光光束，波数分别为vi，其中i＝1,2，……n，n对应于待测参数的数量且n≥2；
步骤二，采用激光耦合单元将所述不同波数的激光光束耦合为一束，并将其投射至所述非透射固体上，在所述非透射固体表面发生反射，产生非透射固体反射光；
步骤三，采用激光采集系统对所述非透射固体反射光进行采集并将光信号转换为电信号，采用计算机处理此时的电信号，获得不同波数vi对应的非透射固体反射光背景光强I0i；
步骤四，在所述非透射固体表面负载待测溶液液膜，采用激光发射单元输出n束不同波数的激光光束，所述波数与步骤一中所述波数一致，分别为vi；
步骤五，采用所述激光耦合单元将所述激光光束耦合为一束并将其投射至所述待测溶液液膜上，激光光束的一部分在所述待测溶液液膜表面发生反射形成液膜反射光，另一部分穿过所述待测溶液液膜，在所述非透射固体的表面发生反射形成非透射固体反射光；
步骤六，采用激光分离单元对所述液膜反射光和所述非透射固体反射光进行分离；
步骤七，采用所述激光采集系统对所述非透射固体反射光进行采集并将光信号转换为电信号，采用所述计算机处理并记录所述电信号，获得不同波数vi对应的所述待测溶液的非透射固体反射光光强Ifi，采用计算机对I0i及Ifi进行处理，通过反演过程得到所述待测液膜的所述待测参数的具体数值。
7.根据权利要求6所述的测量非透射固体表面上溶液液膜参数的方法，其特征在于，
其中，n＝3，所述待测参数分别为厚度、温度和浓度。
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