CN111007037A - 一种基于光学器件的液体浓度测量装置、计算机设备及计算机可读存储介质 - Google Patents

一种基于光学器件的液体浓度测量装置、计算机设备及计算机可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于光学器件的液体浓度测量装置、计算机设备及计算机可读存储介质，装置包括：光源单元，用于产生散射光束；探测单元，用于与待测液体相接触，并用于接收所述光源单元产生的光束然后对所述光束进行反射和折射；汇聚单元，用于对经过所述探测单元反射和折射后的光束进行平行汇聚，形成光束区，所述光束区包括第一光束区和第二光束区；采集及处理单元，用于采集所述第一光束区和第二光束区的光束信号并对该信号进行处理，进而得出所述待测液体的浓度。通过将上述液体浓度测量装置的个单元相对固定，形成并采集第一光束区、第二光束区的临界线，再基于该临界线计算得到液体的折射率，最后得出液体的浓度，提高了液体浓度测量的精度。

Description

一种基于光学器件的液体浓度测量装置、计算机设备及计算 机可读存储介质
技术领域
本发明涉及光学与测量技术领域，尤其是涉及一种基于光学器件的液体浓度测量装置、计算机设备及计算机可读存储介质。
背景技术
密度、折射率、浓度、糖度等相关参数是液体性能的重要指标，这些参数之间有着线性关系，可以相互换算。这类参数的测量装置被广泛用于国民经济与国防等各个领域，例如：炼油、制药、造纸、食品等等产品生产中的过程监控与品质检测，可以节约成本并提高品质。其中，液体浓度是一个重要的参量，目前已经有许多技术实现了液体浓度的计量，如折光仪就被广泛应用于溶液浓度测定，尤其是测定类似蔗糖溶液的浓度。
现有文献资料和市场情况显示，数字折光仪测量精密度较高，但价格较高，主要被用于实验室等专业检测；而常用的目视折光仪是采用标定好的刻度来反映被测物质的浓度，虽然价格低，但在测定每种物质浓度时需要使用专用型号的目视折光仪才能实现对该物质浓度的测定，比较麻烦且读数存在误差，也不利于数据处理和校准，导致浓度测量的精度较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光学器件的液体浓度测量装置、计算机设备及计算机可读存储介质，旨在提高液体浓度测量的精度。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供一种基于光学器件的液体浓度测量装置，包括：
光源单元，用于产生散射光束；
探测单元，用于与待测液体相接触，并用于接收所述光源单元产生的光束然后对所述光束进行反射和折射；
汇聚单元，用于对经过所述探测单元反射和折射后的光束进行平行汇聚，形成光束区，所述光束区包括第一光束区和第二光束区；
采集及处理单元，用于采集所述第一光束区和第二光束区的光束信号并对该信号进行处理，进而得出所述待测液体的浓度。
通过采用上述技术方案，将光源单元、探测单元、汇聚单元组成上述液体浓度测量装置以保证各个单元间相对位置不变，使得液体的折射率只跟液体和探测单元的接触面发生全反射的全反射临界角有关，再通过采集及处理单元得出与所述全反射临界角相对应的临界线，然后基于该临界线计算即可得到上述全反射临界角，进而计算得到液体的折射率，最后得出液体的浓度，从而保证了测量过程的精准，提高了液体浓度测量的精度。
本发明进一步设置为：所述光源单元为点光源，用于产生所述散射光束。
通过采用上述技术方案，点光源产生散射光束有利于形成两个明暗程度不同的光束区。
本发明进一步设置为：所述探测单元包括棱镜，所述棱镜包括一底侧和两腰侧，所述棱镜的一腰侧用于接收所述散射光束并对光束进行第一次反射和折射，所述棱镜的底侧用于和所述待测液体进行接触并在接触面进行光束的第二次反射和折射，所述棱镜的另一腰侧用于对光束进行第三次反射和折射。
通过采用上述技术方案，通过棱镜的底侧和腰侧对散射光束进行反射和折射，可以获得液体和棱镜接触面上的全反射光束形成的较亮的光束区和其它光束形成的较暗的光束区。
本发明进一步设置为：所述汇聚单元包括透镜和光屏。
通过采用上述技术方案，通过透镜和光屏，有利于对棱镜的出射光束进行平行汇聚后在光屏上形成对应的光束区。
本发明进一步设置为：所述透镜用于对所述探测单元反射和折射后的光束进行平行汇聚后投射到所述光屏形成所述第一光束区和第二光束区。
通过采用上述技术方案，通过透镜和光屏形成第一光束区和第二光束区，结构简单便于安装到一个装置。
本发明进一步设置为：所述采集及处理单元包括光传感器和处理计算机，所述光传感器用于将所述第一光束区和第二光束区的光束转换为光束图像信号，所述处理计算机用于处理所述图像信号。
通过采用上述技术方案，通过光传感器采集光信号并转换为光束图像信号然后给处理计算机进行处理，有利于提高光信号数据的计算速度和测量精度。
本发明进一步设置为：所述处理计算机对所述光束图像信号进行计算，得出所述第一光束区和第二光束区的临界线。
通过采用上述技术方案，使用计算机计算光束图像信号得出第一光束区和第二光束区的临界线，减少人为测量临界线带来的误差，提高测量精度。
本发明进一步设置为：所述处理计算机根据所述临界线计算出所述待测液体的折射率，进而得出所述待测液体的浓度。
通过采用上述技术方案，使用计算机计算待测液体的折射率和浓度，便于对数据的存取和计算，提高计算的速度和精度。
第二方面，提供一种计算机设备，所述计算机设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现上述的计算过程。
通过采用上述技术方案，将上述临界线、折射率和浓度的计算通过计算机执行程序来完成，便于对数据的存取和计算，提高计算的速度和精度。
第三方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的计算过程。
通过采用上述技术方案，将上述临界线、折射率和浓度的计算程序和数据保存到计算机可读存储介质，并通过计算机执行程序来完成，便于对数据的存取和计算，提高计算的速度和精度。
综上所述，本发明的有益技术效果为：通过将组成上述液体浓度测量装置的光源单元、探测单元、汇聚单元相对固定以保证各个单元间的距离不变，使得液体的折射率只跟液体和探测单元的棱镜接触面发生全反射的全反射临界角有关，即跟汇聚单元上的光屏上第一光束区、第二光束区的临界线有关，通过采集及处理单元得出所述临界线，再基于该临界线计算即可得到上述全反射临界角，进而计算得到液体的折射率，最后得出液体的浓度，从而保证了测量过程的精准，提高了液体浓度测量的精度。
附图说明
图1是本发明的一种基于光学器件的液体浓度测量装置结构示意图。
图2是光在两个不同折射率（
Figure 863354DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 249336DEST_PATH_IMAGE002
）介质上发生的折射和反射示意图。
图3是本发明的一种计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1和图2，图1为本发明公开的一种基于光学器件的液体浓度测量装置100，图2为光在两个不同折射率（
Figure 858434DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 847119DEST_PATH_IMAGE002
）介质上发生的折射和反射示意图，上述装置100包括：光源单元101、探测单元102、汇聚单元103、采集及处理单元104。其中，光源单元101用于产生散射光束；探测单元102用于与待测液体相接触，并用于接收所述光源单元101产生的光束，然后对所述光束进行反射和折射；汇聚单元103用于对经过所述探测单元102反射和折射后的光束进行平行汇聚，形成光束区，所述光束区包括第一光束区10311和第二光束区10312；采集及处理单元104用于采集所述第一光束区10311和第二光束区10312的光束信号并对该信号进行处理，进而得出所述待测液体的浓度。
进一步的，在本实施例中，上述光源单元101为点光源，用于产生上述散射光束，使得上述探测单元102可以接收到不同入射角度的光束，并经过上述汇聚单元103，从而有利于形成上述两个明暗程度不同的光束区，即第一光束区10311和第二光束区10312；当然，该光源单元101并不局限于点光源，也可以是能够调整入射角度的平行光源，但需要另外的光路调节单元来产生平行光束且需平行光束的入射角应大于上述棱镜1021的全反射角，便于形成上述两个明暗程度不同的光束区。
在本实施例中，上述探测单元102包括棱镜1021，该棱镜1021包括一底侧10211和两腰侧10212、10213，上述棱镜1021的一腰侧10212用于接收上述散射光束并对光束进行第一次反射和折射，棱镜1021的底侧10211用于和待测液体进行接触并在接触面进行光束的第二次反射和折射，棱镜1021的另一腰侧10213用于对光束进行第三次反射和折射。
在本实施例中，上述汇聚单元103包括透镜1031和光屏1032，透镜1031用于对经上述探测单元102反射和折射后的出射光束进行平行汇聚后投射到光屏1032形成上述明暗程度不同的第一光束区10311和第二光束区10312，其中比较明亮的那个光束区是在上述棱镜1021的底侧10211上进行全反射的光束形成的。其中，透镜1031可以是凸透镜或凹透镜，上述探测单元102反射和折射后的光束需设置在对应透镜的焦点上，以便通过透镜1031产生平行光束并平行投射到上述光屏 1032上。
进一步的，上述采集及处理单元104包括光传感器1041和处理计算机1042，光传感器1041用于将上述第一光束区10311和第二光束区10312的光束转换为光束图像信号，处理计算机1042用于处理所述图像信号。
在本实施例中，上述光传感器1041设置于上述光屏1032上，采集光屏1032上的上述第一光束区10311和第二光束区10312的光束并转换为对应的光束图像信号，即第一光束区图像信号和第二光束区图像信号，然后通过串口或网口输出到上述处理计算机1042进行下一步的计算处理，提高处理的速度和精度。
进一步的，上述处理计算机1042对上述光束图像信号进行计算，得出所述第一光束区和第二光束区的临界线。
在本实施例中，上述处理计算机1042收到上述第一光束区图像信号和第二光束区图像信号后，可分别计算出两个光束区的大小并比较，求得两者的比值进而得出上述第一光束区10311和第二光束区10312的临界线，例如，根据光束区的图像信号分别求得上述第一光束区10311和第二光束区10312的面积S1和S2，求出S1和S2的比值，再结合上述光屏1032的大小即可得到对应的上述临界线。
进一步的，所述处理计算机根据所述临界线计算出所述待测液体的折射率，进而得出所述测液体的浓度。
继续参照图1和图2，在本实施例中，上述临界线为上述明暗程度不同的第一光束区10311和第二光束区10312的分界线，而其中比较明亮的那个光束区是上述光源单元101发出的入射角度不同的散射光在上述棱镜1021的底侧10211上进行全反射（图2中
Figure 864753DEST_PATH_IMAGE003
所对应的反射）形成的，棱镜1021的底侧10211与待测液体相接触，假设棱镜1021的折射率为
Figure 280691DEST_PATH_IMAGE001
，待测液体的折射率为
Figure 875620DEST_PATH_IMAGE002
，根据全反射临界角
Figure 543362DEST_PATH_IMAGE003
的计算公式：
Figure 304251DEST_PATH_IMAGE004
并结合图1所示的光路可知，明暗程度不同的第一光束区10311、第二光束区10312的分界线和待测物体的折射率、棱镜的折射率、透镜和透镜位置以及光屏位置息息相关；当光屏、透镜、棱镜、光源以及它们的相对位置均保持不变时，此时唯一的变量就是待测液体的折射率
Figure 500877DEST_PATH_IMAGE002
，待测液体的折射率
Figure 848682DEST_PATH_IMAGE002
不同则全反射临界角
Figure 913590DEST_PATH_IMAGE003
不同，而当待测液体折射率
Figure 905817DEST_PATH_IMAGE002
不变的时候，入射角逐渐增大，光屏1032上汇聚的光线逐渐向上移动；因此在保证光屏、透镜、棱镜、光源以及它们的相对位置均保持不变的情况下，通过逆向计算，即可通过上述光屏1032上第一光束区10311、第二光束区10312的分界线计算出上述待测液体的折射率
Figure 929137DEST_PATH_IMAGE002
，而待测液体的折射率与其浓度间的对应关系通常是固定的，可以通过实验进行测定，例如酒精溶液的折射率与浓度的关系为n=1.3333+0.00033c，因此在计算出上述待测液体的折射率
Figure 639604DEST_PATH_IMAGE002
后可以直接得出其对应的浓度。进一步的，还可以将上述折射率与其浓度间的对应关系以表的形式存入上述处理计算机1042，然后通过查表的形式获取，从而加快计算速度。通过计算机进行上述计算处理过程，提高了液体浓度测量精度。
在本实施例中，上述光源单元101、探测单元102、汇聚单元103、采集及处理单元104按图1所示的结构布置于一个圆柱体或长方体内并进行密封处理，只需将上述探测单元102的棱镜1021的底侧10211暴露出来与待测液体接触即可，这样可保证光屏、透镜、棱镜、光源以及它们的相对位置均保持不变，且不易磨损，进一步保证了测量的精度。
本实施例的实施原理为：通过将组成上述液体浓度测量装置的光源单元、探测单元、汇聚单元相对固定以保证各个单元间的距离不变，使得液体的折射率只跟液体和探测单元的棱镜接触面发生全反射的全反射临界角有关，即跟汇聚单元上的光屏上第一光束区、第二光束区的临界线有关，通过采集及处理单元得出所述临界线，再基于该临界线计算即可得到上述全反射临界角，进而计算得到液体的折射率，最后得出液体的浓度，从而保证了测量过程的精准，提高了液体浓度测量的精度。
参见图3，图3是本发明实施例提供的一种计算机设备的结构示意图，如图3所示，该计算机设备200包括：存储器202、处理器201及存储在所述存储器202上并可在所述处理器201上运行的计算机程序，其中：处理器201用于调用存储器202存储的计算机程序，实现上述的处理计算机对所述光束图像信号进行计算得出所述第一光束区和第二光束区的临界线以及处理计算机根据所述临界线计算出所述待测液体的折射率进而得出所述测液体的浓度的计算过程。
上述处理器201在一些实施例中可以是中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、控制器、微控制器、微处理器、或其他数据处理芯片。
此外，本发明的具体实施例还提供了一种计算机可读存储介质202，计算机可读存储介质202存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的处理计算机对所述光束图像信号进行计算得出所述第一光束区和第二光束区的临界线以及处理计算机根据所述临界线计算出所述待测液体的折射率进而得出所述测液体的浓度的计算过程，均能达到相同或相似的有益效果。
示例性的，计算机可读存储介质的计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U 盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
需要说明的是，由于计算机可读存储介质的计算机程序被处理器执行时实现上述计算过程，因此上述计算过程的所有实施例均适用于该计算机可读存储介质，且均能达到相同或相似的有益效果。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光学器件的液体浓度测量装置，其特征在于，包括：
光源单元，用于产生散射光束；
探测单元，用于与待测液体相接触，并用于接收所述光源单元产生的光束然后对所述光束进行反射和折射；
汇聚单元，用于对经过所述探测单元反射和折射后的光束进行平行汇聚，形成光束区，所述光束区包括第一光束区和第二光束区；
采集及处理单元，用于采集所述第一光束区和第二光束区的光束信号并对该信号进行处理，进而得出所述待测液体的浓度。
2.根据权利要求1所述的液体浓度测量装置，其特征在于，所述光源单元为点光源，用于产生所述散射光束。
3.根据权利要求2所述的液体浓度测量装置，其特征在于，所述探测单元包括棱镜，所述棱镜包括一底侧和两腰侧，所述棱镜的一腰侧用于接收所述散射光束并对光束进行第一次反射和折射，所述棱镜的底侧用于和所述待测液体进行接触并在接触面进行光束的第二次反射和折射，所述棱镜的另一腰侧用于对光束进行第三次反射和折射。
4.根据权利要求1所述的液体浓度测量装置，其特征在于，所述汇聚单元包括透镜和光屏。
5.根据权利要求4所述的液体浓度测量装置，其特征在于，所述透镜用于对所述探测单元反射和折射后的光束进行平行汇聚后投射到所述光屏形成所述第一光束区和第二光束区。
6.根据权利要求5所述的液体浓度测量装置，其特征在于，所述采集及处理单元包括光传感器和处理计算机，所述光传感器用于将所述第一光束区和第二光束区的光束转换为光束图像信号，所述处理计算机用于处理所述图像信号。
7.根据权利要求6所述的液体浓度测量装置，其特征在于，所述处理计算机对所述光束图像信号进行计算，得出所述第一光束区和第二光束区的临界线。
8.根据权利要求7所述的液体浓度测量装置，其特征在于，所述处理计算机根据所述临界线计算出所述待测液体的折射率，进而得出所述待测液体的浓度。
9.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现根据权利要求7和8所述的计算过程。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求7和8所述的计算过程。
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