CN110779893A - 一种折射率的检测方法及其折光仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折射率的检测方法及其折光仪，包括棱镜头、壳体、棱镜、绝热压板、CCD板、接头、散热片、主板以及后盖板，CCD板、CCD传感器、接头和光源均电性连接主板，其折射率检测方法为主板将接收自CCD板传输的光信号转换为光能分布曲线图，根据计算出的动态幅值与初始幅值二次计算得到像素位置，根据事先测量得到的二次标定公式计算出折射率，根据设定的上下限值以及目标值与计算得到的折射率值进行对比，向外发送警报启闭信号、开关启闭信号以及开度信号，该检测方法灵敏度高，该折光仪整体结构紧凑，体积小巧，方便调试拆卸，生产成本与运输成本更低。

Description

一种折射率的检测方法及其折光仪

技术领域

本发明涉及传感器检测设备领域，具体为一种折射率的检测方法及其折光仪。

背景技术

折光仪，是利用光线测试液体浓度的仪器，当光线通过不同浓度的液体时会产生不同的折光角度，通过比较折光角度得出液体浓度值，用来测定折射率、双折率和光性，广泛应用于食品饮料、香精香料、纺织印刷、化工行等行业，如专利号为如专利号为201820142093 .5中公开的工业生产自动化系统溶液线上检测折光仪，以及201820144086.9中公开的折光仪检测探头，有效的实现了折射率的测量，但是还具备以下缺点：一方面因为体积尺寸较大，光学元器件较多，而存在生产成本高的问题，另一方面，折光仪内部的光学元件必须彼此间隔排列，定位需要非常精确的定位，安装调试过程也非常复杂，大大增加了人工成本。还有如公开号为106841034A中公开的光学核心模块、免维护在线折光仪中的光纤维导光管固定在模块支架中，模块支架中布局有与光纤维导光管外径相同的空间，且该空间的一端设置有通孔。在该空间处，光纤维导光管的一端抵在通孔上，另一端用弹簧压紧，侧壁用光固化胶水胶粘固定在模块支架上。该部件在实际应用过程中结构复杂，施工麻烦，导致成本高昂。

而现如今折光仪检测大多采用表面等离子体谐振的方式进行检测，灵敏度达不到需求。

因此，有必要设计一种检测灵敏度高的折射率检测方法以及体积小巧、成本低廉、便于调试安装的折光仪。

发明内容

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种折射率的检测方法，包括如下步骤：

将折光仪放置在无外在光源的空气中，启动折光仪，折光仪中的光源发出的光线照射到棱镜-空气界面被反射至CCD传感器中，CCD传感器将接收到的光信号发送至主板，主板将其转换为初始光能分布曲线图后计算出初始幅值A，关闭折光仪；

将折光仪安装在流通有待测溶液的管道接口中，开启折光仪，并设定好折射率上限值、折射率下限值以及目标折射率；

折光仪的光源开启，光线经棱镜-待测溶液界面反射至CCD传感器中，CCD传感器将接收 到的光信号发送至主板，主板将其转换为检测光能分布曲线图，计算出动态幅值B，并根据 公式

，1.0≤K≤2.0，运算得到临界角值C，再将临界角值C转换为像素坐标X值 后通过二次标定法得到当前折射率Y值；

当待测溶液折射率高于或低于折射率上限值或折射率下限值时，主板通过接头向外设的警报装置发出警报信号以及向外设的开关组件发送加稀释液或加原液信号，并且对于需要连续补充液体的工况时，主板通过目标折射率与测量得到的折射率之差向外设的开关组件发送开度信号，差值越大开度越大，差值越小开度越小。

优选的，一种折射率的检测方法，其特征在于，

CCD传感器将接收到的光信号转换成模拟电流信号传输至主板，主板将其进行放大和模数转换后得到光能分布曲线图；

主板根据初始光能分布曲线图和公式公式

计算出初始幅 值A，式中，i₁为初始光能分布曲线时CCD第1像素的幅值，i₂为初始光能分布曲线时CCD第2像 素的幅值，i_n为初始光能分布曲线时CCD第n像素的幅值，n为像素的数量，30≤n≤80；

主板根据检测光能分布曲线图和公式

计算 出动态幅值B，式中，j₂₅₀₀为检测光能分布曲线时CCD第2500像素的幅值，i₂₄₉₉为检测光能分 布曲线时CCD第2499像素的幅值，j_2500-m为检测光能分布曲线时CCD第2500-m像素的幅值，m 为像素的数量，30≤m≤80；

主板根据二次标定公式

计算出当前折射 率Y值。

一种折光仪，包括棱镜头，所述棱镜头内设置有棱镜安装槽，所述棱镜安装槽内设置有棱镜，且棱镜头底端对应棱镜开设有检测口，所述棱镜上方设置有绝热压板，所述绝热压板上设置有CCD板，所述CCD板朝下设置有CCD传感器和光源，绝热压板内开设有光线入射通道和光线反射通道，所述光线入射通道上端与所述光源对应，所述光线反射通道上端与所述CCD传感器对应，且所述光线入射通道以及光线反射通道下端均与棱镜安装槽连通，所述棱镜头上方设置有壳体，且所述绝热压板可容置于壳体内，所述壳体上端架设有主板，且所述主板上方设置有后盖板，所述壳体外表面设置有多个散热片，所述CCD传感器和光源均电性连接CCD板，所述CCD板电性连接主板。

优选的，所述壳体一侧呈切面设置，且所述壳体内壁对应切面设置有接头安装槽，所述接头安装槽与切面之间设置有通孔，所述接头安装槽内设置有接头，所述接头电性连接所述主板，且所述接头穿过通孔连接有数据线。

优选的，所述主板上端设置有显示屏和多个按钮，且所述后盖板对应开设有显示屏口和按钮口，所述显示屏和多个按钮均电性连接主板，所述壳体上端边沿开设有定位槽，且所述后盖板下端设置有可容设于所述定位槽内的凸台。

优选的，所述棱镜头与所述壳体之间，所述壳体与所述后盖板之间、所述棱镜与所述检测口之间、所述接头与所述通孔之间以及所述定位槽与凸台之间均设置有密封圈。

优选的，所述后盖板与所述壳体之间、所述壳体与所述棱镜头之间以及所述CCD板与所述绝热压板之间均通过螺纹连接。

优选的，所述棱镜下端面突出所述检测口，且所述棱镜头外表面设置有固定卡环。

优选的，所述绝热压板材料为绝热陶瓷或绝热工程塑料，且绝热压板与棱镜头之间通过定位销连接。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

本发明灵敏度很高。

本发明结构更紧凑、生产成本及运输成本更低。

本发明在绝热压板与棱镜头之间采用定位销定位，安装调试更简便，生产成本更低。

本发明通过主板设定的上下限值和测量值对比来决定警报信号是否发送，通过目标值对比测量值的差值来控制加液开关，并且通过目标值与测试值的差值大小来控制开关的开度，无需外置的二次仪表，结构更加紧凑。

本发明没有采用光纤维导光管，没有第一镜头和第二镜头, 利用特有的结构特征，大大节约了生产制造以及调试的成本，并且采用了耐高温的绝热压板等物理结构来使得体积小巧、成本大幅减少。

附图说明

图1是本发明的折光仪的前视剖面结构示意图；

图2是本发明的折光仪的后视剖面结构示意图；

图3是本发明的折光仪的A处放大图；

图4是本发明的折光仪的俯视示意图；

图5是本发明的折光仪的外观示意图；

图6是本发明的折光仪的主视示意图。

图中，1-按钮口；2-显示屏口；3-主板；4-后盖板；5-密封圈；6-散热片；7-CCD板；8-CCD传感器；9-光线反射通道；10-固定卡环；11-检测口；12-棱镜；13-棱镜安装槽；14-光线入射通道；15-棱镜头；16-光源；17-壳体；18-接头安装槽；19-接头；20-通孔；21-定位槽；22-凸台；23-螺纹孔；24-绝热压板；25-定位销；26-切面；27-按钮；28-显示屏。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本发明实施例提供一种技术方案：一种折射率的检测方法，包括如下步骤：

将折光仪放置在无外在光源的空气中，启动折光仪，折光仪中的光源16发出的光线照射到棱镜-空气界面被反射至CCD传感器中8，CCD传感器8将接收到的光信号发送至主板3，主板3将其转换为初始光能分布曲线图后计算出初始幅值A，关闭折光仪；

将折光仪安装在流通有待测溶液的管道接口中（将棱镜头15连接在流通有待测溶液的管道接口中，并用卡箍将棱镜头15上的固定卡环10和管道接口固定密封），开启折光仪，并（通过后盖板4上的多个按钮27和显示屏28）事先设定好折射率上限值、折射率下限值以及目标折射率；

折光仪的光源开启，光线经棱镜-待测溶液界面反射至CCD传感器8中，CCD传感器8将接 收到的光信号发送至主板3，主板3将其转换为检测光能分布曲线图，计算出动态幅值B，并 根据公式

，1.0≤K≤2.0，运算得到临界角值C，再将临界角值C转换为像素坐 标X值后通过二次标定法得到当前折射率Y值；

当待测溶液折射率高于或低于事先设定的折射率上限值或折射率下限值时，主板3通过接头19向外设的警报装置发出警报信号以及向外设的开关组件发送加稀释液或加原液信号，并且对于需要连续补充液体的工况时，主板3通过事先设定好的目标折射率与测量得到的折射率之差向外设的开关组件发送开度信号，差值越大开度越大，差值越小开度越小。

一种折射率的检测方法，其特征在于，

CCD传感器8将接收到的光信号转换成模拟电流信号传输至主板3，主板3将其进行放大和模数转换后得到光能分布曲线图（光能分布曲线图包括初始光能分布曲线图和检测光能分布曲线图）；

主板3根据初始光能分布曲线图和公式公式计算出初始幅 值A，式中，i₁为初始光能分布曲线时CCD第1像素的幅值，i₂为初始光能分布曲线时CCD第2像 素的幅值，i_n为初始光能分布曲线时CCD第n像素的幅值，n为像素的数量，30≤n≤80；

主板3根据检测光能分布曲线图和公式

计算 出动态幅值B，式中，j₂₅₀₀为检测光能分布曲线时CCD第2500像素的幅值，i₂₄₉₉为检测光能分 布曲线时CCD第2499像素的幅值，j_2500-m为检测光能分布曲线时CCD第2500-m像素的幅值，m 为像素的数量，30≤m≤80；

主板3根据二次标定公式

，R为平方因子， 表征实际数据与函数拟合的契合程度达到99.9%，该二次标定公式为拟合得到的标准二项 式，0.000x即一次项系数为0，计算出当前折射率Y值。

一种折光仪，包括棱镜头15，其特征在于，所述棱镜头15内设置有棱镜安装槽13，所述棱镜安装槽13内设置有棱镜12，且棱镜头15底端对应棱镜12开设有检测口11，所述棱镜12上方设置有绝热压板24，所述绝热压板24上设置有CCD板7，所述CCD板7朝下设置有CCD传感器8和光源16，绝热压板24内开设有光线入射通道14和光线反射通道9，所述光线入射通道14上端与所述光源16对应，所述光线反射通道9上端与所述CCD传感器8对应，且所述光线入射通道14以及光线反射通道9下端均与棱镜安装槽13连通，所述棱镜头15上方设置有壳体17，且所述绝热压板24可容置于壳体17内，所述壳体17上端架设有主板3，且所述主板3上方设置有后盖板4，所述壳体17外表面设置有多个散热片6，所述CCD传感器8和光源16均电性连接CCD板7，所述CCD板7电性连接主板3，多个散热片6设计可以有效降低壳体的工作温度，避免壳体17外的高温传导至壳体17内。

所述壳体17一侧呈切面26设置，且所述壳体17内壁对应切面26设置有接头安装槽18，所述接头安装槽18与切面26之间设置有通孔20，所述接头安装槽18内设置有接头19，所述接头19电性连接所述主板3，且所述接头19穿过通孔20连接有数据线，接头19为主板3以及CCD板7供电，并且主板3通过接头19向外传输信号。

所述主板3上端设置有显示屏28和多个按钮27，且所述后盖板4对应开设有显示屏口2和按钮口1，所述显示屏28和多个按钮27均电性连接主板3，方便工作人员设定参数值以及查看测量参数，所述壳体17上端开设有定位槽21，且所述后盖板4下端设置有可容设于所述定位槽21内的凸台22，凸台22与定位槽21的结合可以将密封圈5压紧，防止湿空气或其他气体进入。

所述棱镜头15与所述壳体17之间，所述壳体17与所述后盖板4之间、所述棱镜12与所述检测口11之间、所述接头19与所述通孔20之间以及所述凸台22与所述定位槽21之间均设置有密封圈5，棱镜12与检测口11之间的密封圈2是为了防止高温或有腐蚀的检测液进入到棱镜头15内，棱镜头15与壳体17之间以及接头19与通孔20之间的密封圈5是以防折光仪外的湿空气或其他气体进入折光仪内。

所述后盖板4与所述壳体17之间、所述壳体17与所述棱镜头15之间以及所述CCD板7与所述绝热压板24之间均通过螺纹连接，方便拆卸检测维修或更换，后盖板4与壳体17之间以及壳体17与棱镜头15之间的螺纹孔23呈圆周均匀分布。

所述棱镜12下端面突出所述检测口11，且所述棱镜头15外表面设置有固定卡环10，用来与流通有待测溶液的管道接头连接固定。

所述绝热压板24材料为绝热陶瓷或绝热工程塑料，且绝热压板24与棱镜头15之间通过定位销25连接，本发明采用耐高温绝热的工程塑料或陶瓷作为绝热压板24的材料，并且结合多个散热片6，可以保证在高温条件下整体结构的紧凑性，降低折光仪内部光学元件的工作温度，保障检测精度，定位销25的设计可以使得安装调试更加简便，并且采用聚四氟乙烯密封圈5，生产成本低，运输成本更低。

本发明的原理：（以0-2500像素为例）首先将折光仪防止在无外在光源的空气中， 打开折光仪后主板3控制CCD板7上的光源16打开,CCD板7将CCD传感器8接受到的光信号转 换成模拟电流信号发送至主板3，主板3对接收到的模拟电流信号进行放大和模数转换后得 到初始光能分布曲线图，主板3以第一像素位置为起点向右选取若干个像素位置的光能幅 值，并计算出平均幅值，记为初始幅值A,

；

将该折光仪固定安装在流有测试溶液的管道接头上，设定好折射率上限值、折射率下 限值以及目标折射率，主板3控制光源16开启，光线从光线入射通道14照射到棱镜12侧面后 被反射到棱镜12下端面（棱镜-检测溶液界面），再被发射到棱镜12另一侧面，最后从光线射 出孔9反射出去照射到CCD传感器上8，CCD板7将CCD传感器8接受到的光信号转换成模拟电 流信号发送至主板3，主板3对接收到的模拟电流信号进行放大和模数转换后得到检测光能 分布曲线图，主板以2500像素为起点向左选取若干个像素位置的光能幅值，并计算出平均 幅值，记为动态幅值B,

；

得到动态幅值后，主板将初始幅值和动态幅值进行运算得到临界角值，记为C,

(K为经验系数，是根据光学结构所得到的光能分布曲线图，先设定一初始K 值，然后在所测量折射率范围内通过在一系列测量数据进行分析处理，然后不断修正，最终 使折射率测量与像素对应关系尽量都具有相对线性较好的一个经验取值，1.0≤K≤2.0）；

主板3将C的值代入检测光能分布曲线图得到像素位置X值；

将事先测量一系列已知折射率的标准折射率试样得到的数据进行多项式拟合后得到 二次标定公式

；

将X值代入二次标定公式即得到折射率Y值，将其显示在显示屏28上。

当待测溶液折射率高于或低于事先设定的上限或下限值时，主板3通过接头19向外设的警报装置发出警报信号以及向外设的开关组件发送加稀释液或加原液信号，并且对于需要连续补充液体的检测时，主板3通过设定好的目标折射率与测量得到的折射率之差向外设的开关组件发送开度信号，差值越大开度越大，差值越小开度越小或者相反的控制方向。

在一些溶液比较脏污的应用工况，需要对传感器进行自动清洗时，主板3内设的控制程序能够控制自动清洗频率，当进行清洗时，主板3在发出清洗信号后，将发出信号的这一刻的测量值作为一个参照值，在整个清洗过程中均采用此参照值，直到清洗完毕。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种折射率的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

将折光仪放置在无外在光源的空气中，启动折光仪，折光仪中的光源发出的光线照射到棱镜-空气界面被反射至CCD传感器中，CCD传感器将接收到的光信号发送至主板，主板将其转换为初始光能分布曲线图后计算出初始幅值A，关闭折光仪；

将折光仪安装在流通有待测溶液的管道接口中，开启折光仪，并设定好折射率上限值、折射率下限值以及目标折射率；

折光仪的光源开启，光线经棱镜-待测溶液界面反射至CCD传感器中，CCD传感器将接收 到的光信号发送至主板，主板将其转换为检测光能分布曲线图，计算出动态幅值B，并根据 公式

，1.0≤K≤2.0，运算得到临界角值C，再将临界角值C转换为像素坐标X值 后通过二次标定法得到当前折射率Y值；

当待测溶液折射率高于或低于折射率上限值或折射率下限值时，主板通过接头向外设的警报装置发出警报信号以及向外设的开关组件发送加稀释液或加原液信号，并且对于需要连续补充液体的工况时，主板通过目标折射率与测量得到的折射率之差向外设的开关组件发送开度信号，差值越大开度越大，差值越小开度越小。

2.根据权利要求1所述的一种折射率的检测方法，其特征在于，

CCD传感器将接收到的光信号转换成模拟电流信号传输至主板，主板将其进行放大和模数转换后得到光能分布曲线图；

主板根据初始光能分布曲线图和公式

计算出初始幅值A，式 中，i₁为初始光能分布曲线时CCD第1像素的幅值，i₂为初始光能分布曲线时CCD第2像素的幅 值，i_n为初始光能分布曲线时CCD第n像素的幅值，n为像素的数量，30≤n≤80；

主板根据检测光能分布曲线图和公式

计算出 动态幅值B，式中，j₂₅₀₀为检测光能分布曲线时CCD第2500像素的幅值，i₂₄₉₉为检测光能分布 曲线时CCD第2499像素的幅值，j_2500-m为检测光能分布曲线时CCD第2500-m像素的幅值，m为 像素的数量，30≤m≤80；

主板根据二次标定公式

计算出当前折射率 Y值。

3.一种用权利要求1-2任一项所述检测方法的一种折光仪，其特征在于，包括棱镜头，所述棱镜头内设置有棱镜安装槽，所述棱镜安装槽内设置有棱镜，且棱镜头底端对应棱镜开设有检测口，所述棱镜上方设置有绝热压板，所述绝热压板上设置有CCD板，所述CCD板朝下设置有CCD传感器和光源，绝热压板内开设有光线入射通道和光线反射通道，所述光线入射通道上端与所述光源对应，所述光线反射通道上端与所述CCD传感器对应，且所述光线入射通道以及光线反射通道下端均与棱镜安装槽连通，所述棱镜头上方设置有壳体，且所述绝热压板可容置于壳体内，所述壳体上端架设有主板，且所述主板上方设置有后盖板，所述壳体外表面设置有多个散热片，所述CCD传感器和光源均电性连接CCD板，所述CCD板电性连接主板。

4.根据权利要求3所述的一种折光仪，其特征在于，所述壳体一侧呈切面设置，且所述壳体内壁对应切面设置有接头安装槽，所述接头安装槽与切面之间设置有通孔，所述接头安装槽内设置有接头，所述接头电性连接所述主板，且所述接头穿过通孔连接有数据线。

5.根据权利要求4所述的一种折光仪，其特征在于，所述主板上端设置有显示屏和多个按钮，且所述后盖板对应开设有显示屏口和按钮口，所述显示屏和多个按钮均电性连接主板，所述壳体上端边沿开设有定位槽，且所述后盖板下端设置有可容设于所述定位槽内的凸台。

6.根据权利要求5所述的一种折光仪，其特征在于，所述棱镜头与所述壳体之间，所述壳体与所述后盖板之间、所述棱镜与所述检测口之间、所述接头与所述通孔之间以及所述定位槽与凸台之间均设置有密封圈。

7.根据权利要求6所述的一种折光仪，其特征在于，所述后盖板与所述壳体之间、所述壳体与所述棱镜头之间以及所述CCD板与所述绝热压板之间均通过螺纹连接。

8.根据权利要求3所述的一种折光仪，其特征在于，所述棱镜下端面突出所述检测口，且所述棱镜头外表面设置有固定卡环。

9.根据权利要求3所述的一种折光仪，其特征在于，所述绝热压板材料为绝热陶瓷或绝热工程塑料，且绝热压板与棱镜头之间通过定位销连接。

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