CN111220613A - 一种色度分析装置及其分析方法 - Google Patents

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Abstract

一种色度分析装置及其分析方法，装置包括用于向待测溶液发射测试光线的定向光源，待测溶液所填装的反应容器两侧相对设置有光路增长装置，光路增长装置均由多个全反射镜组成，入射光线通过待测溶液照射到第一光路增长装置的第一全反射镜，光线反射后通过待测溶液再照射到第二光路增长装置的第一全反射镜，以此类推，直至最后一次反射光线通过待测溶液输出到光探测器，光探测器经过光电转换之后得到光强，基于朗伯‑比尔定律得出溶液对光吸收的程度与溶液自身的浓度、液层厚度以及溶液本身吸光性的关系。本发明的色度分析方法采用非接触式测量，使得测试准确度较高，通过增长光线路径，提高了测试光线的对比度，有效提高了色度分析的精度。

Description

一种色度分析装置及其分析方法
技术领域
本发明属于色度分析领域，具体涉及一种色度分析装置及其分析方法。
背景技术
在自动滴定仪中，光度电极上集成有光源以及光传感器，使用时将光度电极插入反应液体中，从光传感器读取色度变化。现有溶液分析方法的不足表现在：1、采用的是接触式测试，反应液体势必会受到污染，影响测试准确度。2、由于光电传感器的特性，在亮度较高时，不同光线波长的输出强度对比不明显，导致色度分析算法的精度较差。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提供一种色度分析装置及其分析方法，通过增长光路对出射光线进行非接触式测量，从而对光线完成有效、简便、准确的波长分析。
为了实现上述目的，本发明的色度分析装置采用的技术方案为：包括用于向待测溶液发射测试光线的定向光源，待测溶液所填装的反应容器两侧相对设置有第一光路增长装置和第二光路增长装置，所述的第一光路增长装置和第二光路增长装置均由多个全反射镜组成，入射光线通过待测溶液照射到第一光路增长装置的第一全反射镜，光线反射后通过待测溶液再照射到第二光路增长装置的第一全反射镜，以此类推，直至最后一次反射光线通过待测溶液输出到光探测器，光探测器经过光电转换之后得到光强，基于朗伯-比尔定律得出溶液对光吸收的程度与溶液自身的浓度、液层厚度以及溶液本身吸光性的关系。
所述的定向光源安装在结构件的外侧，反应容器设置在结构件的内部，第一光路增长装置和第二光路增长装置分别固定在反应容器两侧的结构件上；结构件上开设有过孔，所述的定向光源经过准直透镜由过孔向待测溶液发射测试光线。所述的第一光路增长装置和第二光路增长装置均由5个全反射镜组成，入射光线依次交替通过5个全反射镜和反应容器内的待测溶液，最后由第二光路增长装置的第五全反射镜输出到光探测器。所述的光探测器设置在反应容器的底部一侧，两个光路增长装置的全反射镜由上至下依次编号。
本发明基于色度分析装置的分析方法，包括以下步骤：
第一步、入射光线通过待测溶液照射到第一光路增长装置的第一全反射镜，光线反射后通过待测溶液再照射到第二光路增长装置的第一全反射镜，以此类推，直至最后一次反射光线通过待测溶液输出到光探测器，光探测器经过光电转换之后得到光强；
第二步、建立朗伯-比尔定律的数学表达式：
Figure BDA0002372584040000021
式中，A为吸光度；I0为入射光强度；I为透过光强度；ε为摩尔吸光率；c为物质的浓度，l为液层厚度；
将表达式进行变换之后得到I＝I0×10-ε×c×l；
计算光信号的输出强度I，并判断出光线的波长。
根据光电传感器特性，当I较大时，在不同光线波长λ下，I的对比度较小；当I较小时，在不同光线波长λ下，I的对比度较大；针对所有各类光线波长λ，通过降低的I值，提高测试I的对比度，提高分析的灵敏度，也就是提高朗伯-比尔定律中的参数：液层厚度l。
与现有技术相比，本发明的色度分析装置具有如下有益效果：入射光线通过待测溶液照射到第一光路增长装置的全反射镜上，光线反射后通过待测溶液再照射到第二光路增长装置的全反射镜上，依次交替经过两个光路增长装置的所有全反射镜，有效的增加了光线的路径长度，本发明的色度分析装置针对溶液分析方法，通过光路增长的方式，对出射光线进行非接触式测量，从而对光线完成有效、简便、准确的波长分析，较大提高了检测精度。
与现有技术相比，本发明的色度分析方法采用非接触式测量，使得测试准确度较高，通过增长光线路径，提高了测试光线的对比度，有效提高了色度分析的精度。
附图说明
图1本发明色度分析装置的结构示意图；
图2本发明实施例的光路增长装置布置示意图；
图3本发明色度分析方法与原始分析方法光信号亮度对比统计图；
(a)原始分析方法；(b)本发明分析方法；
附图中：1-定向光源；2-第一光路增长装置；3-第二光路增长装置；4-结构件；5-反应容器；6-光探测器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1-2，本发明所提供的一种色度分析装置包括用于向待测溶液发射测试光线的定向光源1，待测溶液所填装的反应容器5两侧相对设置有第一光路增长装置2和第二光路增长装置3，定向光源1安装在结构件4的外侧，反应容器5设置在结构件4的内部，第一光路增长装置2和第二光路增长装置3分别固定在反应容器5两侧的结构件4上；结构件4上设有过孔，所述的定向光源1经过准直透镜由过孔向待测溶液发射测试光线。
第一光路增长装置2和第二光路增长装置3均由5个全反射镜组成，入射光线依次交替通过5个全反射镜和反应容器5内的待测溶液，入射光线通过待测溶液照射到第一光路增长装置2的第一全反射镜，光线反射后通过待测溶液再照射到第二光路增长装置3的第一全反射镜，以此类推，直至最后一次反射光线通过待测溶液输出到光探测器6，光探测器6设置在反应容器5的底部一侧，两个光路增长装置的全反射镜由上至下依次编号。
本发明的光线传播方向为：
定向光源装置1安装在结构件4的外侧，经过准直透镜后，经过在结构件4上的过孔输出测试光线，照射在待测溶液上，该光线为入射光线，强度为I0。
第一次光线反射路径。入射光线I0通过待测溶液，照射到第一光路增长装置2的全反射镜1#，光线发射后，通过待测溶液，照射到第二光路增长装置3的全反射镜1#。
第二次光线全反射。经过第一次光线反射路径后，光线通过待测溶液照射到第一光路增长装置2的反射镜2#。再次反射后，通过待测溶液照射到第二光路增长装置3的全反射镜2#。
第三次光线全反射。经过第二次光线反射路径后，光线通过待测溶液照射到第一光路增长装置2的反射镜3#。再次反射后，通过待测溶液照射到第二光路增长装置3的全反射镜3#。
第四次光线全反射。经过第三次光线反射路径后，光线通过待测溶液照射到第一光路增长装置2的反射镜4#。再次反射后，通过待测溶液照射到第二光路增长装置3的全反射镜4#。
第五次光线全反射。经过第四次光线反射路径后，光线通过待测溶液照射到第一光路增长装置2的反射镜5#。再次反射后，通过待测溶液照射到第二光路增长装置3的全反射镜5#。
最后，经过第五次光线反射路径后，光线从第二光路增长装置3的全反射镜5#，通过待测溶液，发送到光探测器，输出光强度为I。
如图2所示，液体宽度为L，两个光路增长装置有效的增长了光线的路径长度。路径增长后的出射光线为I，经过光电转换，送入线路增长法新型测量机制中进行分析。
本发明的核心还包括线路增长法新型测量机制，该机制基于朗伯-比尔定律。
经实践证明，溶液对光的吸收程度与溶液的浓度、液层的厚度以及入射光的波长等因素有关。当保持入射光波长不变，则光吸收的程度与溶液的浓度、液层厚度和溶液本身吸光性质等有关。这种关系即是朗伯-比尔定律，用数学式表达如下：
Figure BDA0002372584040000041
其中A为吸光度；I0为入射光强度；I为透过光强度；ε为摩尔吸光率(L·mol-1·cm-1)。它表示在某一单色光波长下，物质浓度为1mol·L-1，液层厚度为1cm时，该溶液的吸光度；c为物质的浓度(mol·L-1)，l为液层厚度(cm)。
将朗伯-比尔定律右侧等式
Figure BDA0002372584040000042
进行以下推导：
Figure BDA0002372584040000043
Figure BDA0002372584040000044
I＝I0×10-ε×c×l；
在进行光度分析时，不同光线波长λ，对应的I不同。根据光电传感器特性，当I较大时，在不同光线波长λ下，I的对比度较小；而当I较小时，在不同光线波长λ下，I的对比度较大。
针对所有各类光线波长λ，通过降低的I值，可提高测试I的对比度，提高分析的灵敏度。也就是提高朗伯-比尔定律中的参数：液层厚度l。
根据两个光路增长装置分析可知，当没有光路增长装置的情况下，入射光线直接通过待测溶液输出，则光线经过的路线长度为LI，其表示如下所示：
LI＝L；
在两个光路增长装置的作用下，光线经过上述流程后，经过的路线长度为L’I，表示如下：
L’I＝(1+2N)×L；
N为回路个数，N＝5。
显然，与LI相比，L’I比有所增加，增加值记为ΔL，其表示如下所示：
Figure BDA0002372584040000051
经过试验数据分析，将本发明色度分析方法与原始分析方法的光信号亮度进行对比统计计算，如图3所示。从图中可以看出，不同波长情况下，基于本发明色度分析装置的分析方法有效降低了I值，提高了光线波长的输出强度对比度，从而提高了色度分析算法的精度。

Claims (6)

1.一种色度分析装置，其特征在于：包括用于向待测溶液发射测试光线的定向光源(1)，待测溶液所填装的反应容器(5)两侧相对设置有第一光路增长装置(2)和第二光路增长装置(3)，所述的第一光路增长装置(2)和第二光路增长装置(3)均由多个全反射镜组成，入射光线通过待测溶液照射到第一光路增长装置(2)的第一全反射镜，光线反射后通过待测溶液再照射到第二光路增长装置(3)的第一全反射镜，以此类推，直至最后一次反射光线通过待测溶液输出到光探测器(6)，光探测器(6)经过光电转换之后得到光强，基于朗伯-比尔定律得出溶液对光吸收的程度与溶液自身的浓度、液层厚度以及溶液本身吸光性的关系。
2.根据权利要求1所述的色度分析装置，其特征在于：所述的定向光源(1)安装在结构件(4)的外侧，反应容器(5)设置在结构件(4)的内部，第一光路增长装置(2)和第二光路增长装置(3)分别固定在反应容器(5)两侧的结构件(4)上；结构件(4)上设有过孔，所述的定向光源(1)经过准直透镜由过孔向待测溶液发射测试光线。
3.根据权利要求1所述的色度分析装置，其特征在于：所述的第一光路增长装置(2)和第二光路增长装置(3)均由5个全反射镜组成，入射光线依次交替通过5个全反射镜和反应容器(5)内的待测溶液，最后由第二光路增长装置(3)的第五全反射镜输出到光探测器(6)。
4.根据权利要求1或3所述的色度分析装置，其特征在于：所述的光探测器(6)设置在反应容器(5)的底部一侧，两个光路增长装置的全反射镜由上至下依次编号。
5.一种基于权利要求1所述色度分析装置的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、入射光线通过待测溶液照射到第一光路增长装置(2)的第一全反射镜，光线反射后通过待测溶液再照射到第二光路增长装置(3)的第一全反射镜，以此类推，直至最后一次反射光线通过待测溶液输出到光探测器(6)，光探测器(6)经过光电转换之后得到光强；
第二步、建立朗伯-比尔定律的数学表达式：
Figure FDA0002372584030000011
式中，A为吸光度；I0为入射光强度；I为透过光强度；ε为摩尔吸光率；c为物质的浓度，l为液层厚度；
将表达式进行变换之后得到I＝I0×10-ε×c×l；
计算光信号的输出强度I，并判断出光线的波长。
6.根据权利要求5所述的分析方法，其特征在于：根据光电传感器特性，当I较大时，在不同光线波长λ下，I的对比度较小；当I较小时，在不同光线波长λ下，I的对比度较大；针对所有各类光线波长λ，通过降低的I值，提高测试I的对比度，提高分析的灵敏度。
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