CN111337454B - 基于激光干涉技术的溶液浓度快速检测方法 - Google Patents

基于激光干涉技术的溶液浓度快速检测方法 Download PDF

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CN111337454B CN202010307280.6A CN202010307280A CN111337454B CN 111337454 B CN111337454 B CN 111337454B CN 202010307280 A CN202010307280 A CN 202010307280A CN 111337454 B CN111337454 B CN 111337454B
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Abstract

本发明公开一种基于激光干涉技术的溶液浓度快速检测方法，包括步骤：利用迈克尔逊干涉仪形成干涉光路，在其中一个光路中设置反光镜，在另一个光路中设置比色皿；调整比色皿或反光镜的位置使参考光信号与检测光信号形成光干涉以产生干涉激光信号；将干涉激光信号转换成对应的目标电压信号；确定目标电压信号的最大电压幅值，利用目标电压信号的最大电压幅值计算出待测溶液的折射率；预先建立与待测溶液相对应的折射率‑浓度转换表达式，根据待测溶液的折射率利用折射率‑浓度转换表达式计算出待测溶液的浓度。本发明能够自动快速的检测出溶液浓度，检测结果准确，具有操作简便、测量精确等优点。

Description

基于激光干涉技术的溶液浓度快速检测方法
技术领域
本发明涉及检测技术领域，尤其是涉及一种基于激光干涉技术的溶液浓度快速检测方法。
背景技术
本部分提供的仅仅是与本申请相关的背景信息以方便本领域的技术人员能够更透彻、准确的理解本申请，其并不必然是现有技术。
溶液浓度测量在生物医学、材料学、化学和工程技术等领域具有极其重要的地位。如制药过程中，若溶液中某一种物质的含量不正常就可能危害人的身体健康；又如在食品生产领域，液体的溶度能够直接决定产品的好坏和生产效率；再如在一些化学工业领域，生产过程中液体的浓度直接影响产品的使用性能和使用寿命。因此，对溶液浓度的测量具有十分重要的生产实际意义。
现有技术中通常采用化学滴定法来测定溶液的浓度，存在检测所需时间长、效率低且精确度较低等缺陷，无法满足生产实际的实时浓度检测要求。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于激光干涉技术的溶液浓度快速检测方法，能够对溶液实现非接触的快速实时检测且检测精度较高。
本发明提出一种基于激光干涉技术的溶液浓度快速检测方法，其包括：
步骤S1、将已知光强I0的测量激光接入迈克尔逊干涉仪，由迈克尔逊干涉仪中的50/50耦合器将测量激光分成两路子测量激光朝外发射以分别形成光路，在其中一个光路中设置反光镜，在另一个光路中设置比色皿；
步骤S2、将待测溶液取样放入比色皿内，一路子测量激光经反光镜反射产生参考光信号，另一路子测量激光经过比色皿及比色皿内的待测溶液折射和反射后产生检测光信号，并通过调整比色皿或反光镜的位置使参考光信号与检测光信号形成光干涉以产生干涉激光信号；
步骤S3、利用迈克尔逊干涉仪的平衡探测器将干涉激光信号转换成对应的目标电压信号；
步骤S4、确定目标电压信号的最大电压幅值，利用目标电压信号的最大电压幅值计算出待测溶液的折射率；
步骤S5、预先建立与待测溶液相对应的折射率-浓度转换表达式，根据待测溶液的折射率利用折射率-浓度转换表达式计算出待测溶液的浓度。
其中，步骤S4中利用目标电压信号的最大电压幅值计算出待测溶液的折射率具体包括：
由目标电压信号的最大电压幅值Um按公式
Figure GDA0003806882270000021
确定K；
根据
Figure GDA0003806882270000022
计算出待测溶液的折射率n30；
其中，
Figure GDA0003806882270000023
k为平衡探测器将电流转换成电压的预设系数，K1为平衡探测器32的光强转换成光功率的预设系数，I1表示参考光信号的光强，I1＝I0/2，K2表示其中一束子测量激光的光强衰减常数，n10为空气的折射率，n20为比色皿的折射率，r为平衡探测器的响应度。
其中，测量激光是由DFB激光器产生的中心波长是1310nm的肉眼不可见激光。
其中，在步骤S2中当比色皿与50/50耦合器之间的距离确定时，还包括帮助快速确定反光镜与50/50耦合器之间距离的步骤，具体包括：
在使用DFB激光器的同时，再使用一个红色激光器向迈克尔逊干涉仪产生肉眼可见的红色激光；
移动反光镜以调节反光镜与50/50耦合器之间的距离，当观察到检测光信号与参考光信号形成干涉时，停止移动反光镜。
其中，步骤S4中确定目标电压信号的最大电压幅值的步骤具体包括：
由数据处理装置获取目标电压信号；
由数据处理装置确定目标电压信号的最大电压幅值。
其中，由数据处理装置确定目标电压信号的最大电压幅值的步骤具体包括：
采用均值滤波对目标电压信号进行降噪处理；
采用正弦曲线叠加逼近法，对连续的至少5个周期的目标电压信号叠加进行非线性曲线拟合得到曲线方程；
求解曲线方程在各个周期内的极大值，并以至少5个周期各自的极大值的平均值确定为目标电压信号的最大电压幅值。
其中，步骤S5中预先建立与待测溶液相对应的折射率-浓度转换表达式具体包括：
取与待测溶液相同的溶质来分别配置多份给定浓度的已知溶液；
分别利用上述步骤S1-S4检测出每份已知溶液对应的折射率；
依据各份已知溶液的给定浓度及对应计算获得的折射率进行线性拟合，生成折射率-浓度转换表达式。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明采用激光通过待测溶液折射、反射后与参考光信号形成干涉激光信号，通过对干涉激光信号转换成对应的目标电压信号后，确定目标电压信号的最大电压幅值，利用最大电压幅值待测溶液的浓度，从而能够自动快速的检测出溶液浓度，检测结果准确，具有操作简便、测量精确等优点，可以用于其他已知溶质的各种溶液浓度检测，可广泛用于食品、生物医学检测等领域内液体的折射率或浓度的非接触式的实时检测。
附图说明
图1是本发明公开的溶液浓度检测方法一个优选实施例的流程示意图。
图2是本发明公开的溶液浓度检测系统的结构框图。
图3是平衡探测器的电路结构示意图。
图4是以检测5g/L的糖溶液时激光干涉信号对应的目标电压信号的波形图。
图5是多份糖溶液浓度与折射率的关系以拟合折射率-浓度转换表达式。
具体实施方式
为更进一步阐述本申请为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本发明公开一种基于激光干涉技术的溶液浓度快速检测方法，是通过溶液浓度检测系统采用激光干涉测量技术对待测溶液进行非接触的快速实时检测，检测所需时间短且检测精度较高，从而可以满足生产实际或检验校验中各种溶液的浓度进行非接触实时检测要求。
如图1所示，在一个优选实施例中，本发明包括如下步骤：
步骤S1、将已知光强I0的测量激光接入迈克尔逊干涉仪(例如型号INT-MSI-1300B)，由迈克尔逊干涉仪的50/50耦合器将测量激光分成两路子测量激光(故两路子测量激光的光强均为I0/2)朝外发射以分别形成光路，在其中一个光路中设置反光镜，在另一个光路中设置比色皿。
通过步骤S1搭建溶液浓度检测系统，利用溶液浓度检测系统来实现溶液浓度的快速、准确检测。
如图2所示，本发明所搭建的溶液浓度检测系统，包括：DFB激光器2、迈克尔逊干涉仪的50/50耦合器31、第一准直器41、第二准直器42、反光镜5、比色皿6、迈克尔逊干涉仪3的平衡探测器32。
DFB激光器2用于产生测量激光。例如，采用美国Thorlab公司型号LP1310-SAD2的激光器，由恒流温控源(例如采用美国Thorlab公司生产型号ITC4001的模块)进行电流和温度控制以产生肉眼不可见的测量激光(例如，DFB激光器2产生光强I0且中心波长是1310nm的肉眼不可见激光的测量激光)，通过产生肉眼不可见的测量激光以减少检测环境中自然光的干扰以提高检测精度。
DFB激光器2通过光纤与50/50耦合器31的输入端相连，而50/50耦合器31的两个输出端分别通过光纤与第一准直器41和第二准直器42相连。DFB激光器2发出测量激光通过50/50耦合器31被均匀的分成两路激光(一路为参考光一路为物光)分别从两个输出端输出。参考光通过第一准直器41射向反光镜5，通过反光镜5后产生第一反射光，第一反射光通过第一准直器41回到50/50耦合器31形成参考光信号；同时，物光通过第二准直器42射向比色皿6，物光在比色皿6及比色皿6的待测溶液发生折射后产生第二反射光，第二反射光通过第二准直器42回到50/50耦合器31内形成检测光信号。由于参考光信号、检测光信号分别源自两路子测量激光的反射激光，故参考光信号的光强、检测光信号的光强均为为I0/2。
步骤S2、将已知溶质但浓度未知的待测溶液取样放入比色皿6内，一路子测量激光经反光镜5反射产生参考光信号，另一路子测量激光经过比色皿6及比色皿6内的待测溶液折射后产生检测光信号，并通过调整比色皿6或反光镜5的位置使参考光信号与检测光信号形成光干涉以产生干涉激光信号。
当DFB激光器2发出一束测量激光后，迈克尔逊干涉仪3的50/50耦合器31将DFB激光器2发出的测量激光均匀的分成两路子测量激光。其中一路子测量激光经第一准直器41以正入射到达反光镜5，经反光镜5反射后产生参考光信号，参考光信号又经第一准直器41回到迈克尔逊干涉仪3。而另一路子测量激光经过第二准直器42到达比色皿6，一路测量激光通过第二准直器42在空气中传播以正入射角射向由玻璃制成的比色皿6后，由于光在空气、玻璃及待测溶液三者的折射率不同，该子测量激光从空气以正入射进入比色皿6时会在空气-玻璃界面发生第一次折射，在射出比色皿6至射入待测溶液时在玻璃-待测溶液界面会发生第二次折射，然后该子测量激光到达比色皿6中溶液表面后反射和再次折射出溶液界面回到空气中以形成检测光信号，在第二准直镜52与比色皿6成垂直关系时检测光信号能够通过第二准直器42回到迈克尔逊干涉仪3。
另外，设置比色皿6与50/50耦合器31之间为第一预设距离，设置反光镜5与50/50耦合器31之间为第二预设距离，通过调整比色皿6或反光镜5其中之一相对50/50耦合器31之间的距离时，使检测光信号与参考光信号之间的光程差小于测量激光的相干长度，检测光信号与参考光信号会形成干涉后产生干涉激光信号。因此，通过调整比色皿6或反光镜5其中之一相对50/50耦合器31之间的距离时，使检测光信号与参考光信号之间的光程差小于测量激光的相干长度，检测光信号与参考光信号会形成干涉后产生干涉激光信号。
再者，由于DFB激光器2发出肉眼不可见的测量激光，为了方便检测过程中快速确定比色皿6或反光镜5其中之一相对50/50耦合器31之间的距离以快速的调整至让检测光信号与参考光信号形成干涉，为此，本发明的快速自动检测系统还包括一个发出可见光的调试激光器，例如，调试激光器为一个红色激光器，其能够产生中心波长为658nm的红色激光。利用红色激光器和DFB激光器2同时接入时，红色激光器产生肉眼可见的红色激光，比色皿6与50/50耦合器31之间的第一预设距离确定的情况下，可以调节反光镜5与50/50耦合器31之间的第二预设距离，通过迈克尔逊干涉仪3观察到确保检测光信号与参考光信号会形成干涉时即可，停止移动反光镜5，此时就确定了反光镜5的具体位置，再将红色激光器关闭，检测光信号与参考光信号一定会形成干涉。
步骤S3、利用迈克尔逊干涉仪3中的平衡探测器32将干涉激光信号转换成对应的目标电压信号。
如图3所示，平衡探测器32是先将检测光信号与参考光信号分别通过一个光电二极管转换成对应的电压信号，再利用运算放大器对两个电压信号就行求和运算，从而在运算放大器的输出端输出干涉激光信号对应的目标电压信号。其中，平衡探测器32的具体原理请见下文描述
步骤S4、确定目标电压信号的最大电压幅值，利用目标电压信号的最大电压幅值计算出待测溶液的折射率。
其中，确定目标电压信号的最大电压幅值的具体过程包括：
首先，如图2所示，在平衡探测器32的输出端(即运算放大器的输出端)外接一个示波器7，并使用一个数据处理装置8(例如高性能计算机)与示波器7相连，由数据处理装置8通过从示波器7获取目标电压信号。例如，数据处理装置8内安装有MATLAB软件，通过MATLAB软件从示波器7获取目标电压信号的参数。
其次，由数据处理装置8采用均值滤波对目标电压信号进行降噪处理，例如用20*20的滤波模板进行降噪处理。
然后，由数据处理装置8采用正弦曲线叠加逼近法，对连续的至少5个周期的目标电压信号叠加进行非线性曲线拟合得到曲线方程。其中，该曲线方程一般采用5-10个周期的目标电压信号进行叠加来拟合曲线方程。
最后，由数据处理装置8求解曲线方程在各个周期内的极大值，并以至少5个周期各自的极大值的平均值确定为目标电压信号的最大电压幅值。
本发明是利用光学干涉原理，根据检测光信号与参考光信号这两束光具有时间和空间的相干性，在检测光信号与参考光信号在时间和空间都无限趋向重合时会形成干涉激光信号，利用干涉激光信号的特征来对应确定待测溶液的折射率。具体来说，本发明是利用干涉激光信号转换得到的目标电压信号的最大电压幅值来计算确定待测溶液的折射率。利用目标电压信号的最大电压幅值计算出待测溶液的折射率的理论依据或工作原理做如下阐述：
单色波的双光束干涉方程为：
Figure GDA0003806882270000081
式(1)中的Ig表示干涉光强，I1和I2分别表示参考光信号、检测光信号的光强，φ1-φ2为干涉光的相位。另外，由于DFB激光器2发出的测量激光近似为单色光，光谱带宽λm非常小，干涉光的相位在(-π,π)之间变化，因此，由公式(1)可知干涉光强的最大值Igm为：
Figure GDA0003806882270000082
结合菲涅尔公式可知，当一个单色平面光波射到两种介质的分界面上时，一般情形下将分成一个反射波和一个折射波。其中，菲涅尔公式为
Figure GDA0003806882270000083
Figure GDA0003806882270000084
其中入射光、反射光和折射光的振幅分别用E1、E′1和E2来表示，与其对应的平行和垂直入射面和反射面的入射光和反射光分别为ES1、EP1、E′S1和E′P1，入射角、反射角和折射角分别为θ1、θ2和θ3，折射前介质和折射后介质的折射率分别为n1和n2。
本发明中两路子测量激光近似成正入射分别射至反射镜5和比色皿6，即θ1＝θ2＝θ3＝00，因此S和P分量的差异消失，故反射率满足式(5)所列：
Figure GDA0003806882270000091
式中I和I′分别为入射光强和反射光强。
其中，一路子测量激光经过空气传播以正入射角度射入比色皿6，因此，在以空气与比色皿6的玻璃壁之间发生第一次折射，故结合公式(3)可得：
Figure GDA0003806882270000092
式(6)中I11和I′12分别表示测量激光进入玻璃界面的入射光强与反射光强，n20为比色皿(玻璃)的折射率(根据现有技术可知玻璃折射率为1.5090)，n10为空气的折射率(根据现有技术可知空气的折射率为1.0003)。
假设从空气进入比色皿6的玻璃壁的折射光强I12，根据能量守恒定律并结合公式(6)可得
Figure GDA0003806882270000093
则结合式(7)可将公式(3)可转化为
Figure GDA0003806882270000094
式中I12和I′22分别表示激光进入比色皿6内待测溶液的液体界面的入射光强与反射光强，n30表示为比色皿6内待测溶液的折射率。
进一步假设从比色皿6的玻璃壁回到空气的折射光强I32，结合公式(3)和公式(7)可知
Figure GDA0003806882270000095
由此可知，折射光强I32也就是对比色皿6中待测溶液折射返回50/50耦合器31的检测光信号的光强。
另外，由于两路子测量激光是通过迈克尔逊干涉仪3中50/50耦合器31形成的，所以
I1＝I11 (10)
调节反光镜5使上述的I32为干涉的物光，由于n10和n20为已知常数，所以令
Figure GDA0003806882270000101
Figure GDA0003806882270000102
将(7)～(12)代入公式(5)可得最大干涉光强为
Igm＝C2KI1 (13)
进一步结合图3所示，平衡探测器32由两个并联的反向偏置的光电二极管D1、D2和运算放大器U组成，结构如图2所示。其中，参考光信号对应的电压信号输入光电二极管D1的阴极，检测光信号对应的电压信号输入光电二极管D2的阴极，由运算放大器U对参考光信号、检测光信号各自对应的电压信号进行求和的重合处理，从而运算放大器U的输出端输出干涉激光信号对应的目标电压信号。
假设：参考光信号通过光电二极管D1的功率及相位分别为PS(t)和φ3，检测光信号通过光电二极管D2的功率及相位分别为PL(t)和φ4，参考光信号与检测光信号的频率差是ωIF；光电二极管D1和光电二极管D2为相同型号的元器件，其响应度为r，则平衡探测器32的输出电流信号为
Figure GDA0003806882270000103
本系统的两束子测量激光是通过50/50耦合器31分束出来的，所以
ωIF＝0，输出的电压信号为
Figure GDA0003806882270000111
式中k为平衡探测器32(具体是运算放大器U)将电流转换成电压的预设系数。
因为光强等于单位面积的光功率，并且在本申请研究过程中光电二级管D1和D2的面积是固定的，所以令
P＝K1I3 (16)
式中K1为常数，K1为平衡探测器32的光强转换成光功率的预设系数(实际上K1是由光电二极管D1和D2的的实际感光面积决定，数值上等于一平米除以光电二极管的实际感光面积)，I3为通过光电二极管的光束的光强，在本申请研究的系统中，通过平衡探测器32的两束光是源于50/50耦合器31将干涉光分成两束子测量激光，并对其中一束子测量激光进行一定的光强衰减，所以令
Figure GDA0003806882270000112
式中K2表示其中一束子测量激光的衰减常数(K2为预设常数，可以预先通过测量的方式确定)，把公式(13)和(17)代入公式(15)可得干涉光信号对应的目标电压信号的最大电压幅值Um为
Figure GDA0003806882270000113
式中Um和K是变量，因此令
Figure GDA0003806882270000114
公式(18)化简为
Figure GDA0003806882270000115
故可以根据干扰光信号对应的目标电压信号的最大电压幅值Um确定K，当K确定时利用式(12)就得到比色皿6内待测溶液的折射率n30。
由此可见，数据处理装置8从示波器7获取目标电压信号的参数，通过确定目标电压信号的最大电压幅值，利用最大电压幅值代入公式中(20)就能够快速的计算出待测溶液的折射率n30。
为了验证通过式(20)计算确定的溶液的折射率n30的准确性，设计实验如下：通过对0.9％的NaCl溶液、5％的葡萄糖溶液、70％的酒精和菜籽油进行检测，与标准折射率进行对比。首先对0.9％的NaCl溶液、5％的葡萄糖溶液、70％的酒精和菜籽油采用本系统获取的干涉信号进行降噪处理，然后对降噪后的干涉信号进行非线性曲线拟合。最后，通过对拟合的方程进行求导，得到目标电压信号的最大电压幅值，并把目标电压信号的最大电压幅值代入公式(20)得到折射率如表1所示。
Figure GDA0003806882270000121
表1各实验溶液的检测折射率与标准折射率对标表
从上表1可以看出，本发明计算确定的折射率误差在0.0003以内，该误差是落入通过其他技术手段对溶液折射率检测误差的允许范围内，表明本发明基于光干涉来检测得到的待测溶液的折射率的结果较为准确。
步骤S5、根据待测溶液的溶质，预先建立与待测溶液相对应的折射率-浓度转换表达式，根据待测溶液的折射率利用折射率-浓度转换表达式计算出待测溶液的浓度。
对待测溶液预先建立的折射率-浓度转换表达式的方法如下：(1)由于待测溶液的溶质确定但浓度未知，因此，可以取待测溶液不同质量的溶质来分别配置多份给定浓度的已知溶液；(2)分别利用上述步骤S1-S4检测出每份不同浓度的已知溶液对应的折射率；(3)依据各位已知溶液的给定浓度及对应计算获得的折射率进行线性拟合，生成折射率-浓度转换表达式。因此，由于生产实际中溶液所含溶质是确定的，因此，针对不同溶质时分别预先确定各自的折射率-浓度转换表达式即可。
以糖溶液为例来进一步描述确定的折射率-浓度转换表达式的过程：首先，利用糖和蒸馏水配制了浓度分别为5g/L、10g/L、15g/L、20g/L和30g/L的糖溶液，利用快速浓度检测系统进行检测，得到检测每份糖溶液时产生的干涉激光信号对应转换的目标电压信号；其次，对目标电压信号进行降噪处理的前提下，例如，以5g/L的糖溶液为例，数据处理装置8从示波器7获取检测5g/L的糖溶液时激光干涉信号对应的目标电压信号，对目标电压信号先进行均值滤波降噪处理得到如图4所示的至少5个周期的波形(横坐标表示时间，单位ms，纵坐标表示电压，单位V)；再次，进一步进行曲线拟合后求取极大值，并以极大值确定为目标电压信号的最大电压幅值，例如，以5g/L的糖溶液为例，对图4所示的至少5个周期的波形分别以极大值的均值1.9918V作为5g/L的糖溶液最大电压幅值；然后，依据前述描述，分别计算出每份糖溶液对应的折射率，如下表2所示；最后，将表2中各份糖溶液的给定浓度和实验计算获取的折射率进行线性拟合，如图5所示(横坐标表示每升溶液中糖的质量，单位g/L，纵坐标表示折射率)，最终得到糖溶液的折射率-浓度转换表达式为：
n＝0.0014c+1.3280 (24)
式(24)中n表示糖溶液的折射率，c表示糖溶液的浓度。
Figure GDA0003806882270000131
Figure GDA0003806882270000141
表2糖溶液折射率检测表
以上述表2检测得到折射率为例。结合公式(20)和(24)可得干涉信号对应的最大电压幅值与折射率的关系如下
Figure GDA0003806882270000142
进一步将表1中的目标电压信号的最大电压幅值代入公式(25)中，得到各份给定浓度的糖溶液与通过本发明测定得到的测量浓度之间的对照表，如表3所示。
Figure GDA0003806882270000143
表3各份糖溶液的给定浓度与测量浓度的对照表
由表3可知，在浓度范围为0-30g/L之内时，检测误差能够在0.7g/L之内，整体误差均不超过2.87％，该误差小于现场采用的滴定法所允许的误差3％，具有检测误差小从而检测精确的特点。
针对生产实际中需要溶液浓度实时检测的场景，往往是已知溶液的成分(即溶液溶质确定)但溶液浓度未知(例如溶液浓度会在实际生产过程中不断消耗导致浓度不断变化)时需要快速、准确检测溶液的浓度，因此，只需要根据待测溶液的溶质成分来提前在数据处理装置8中预先建立折射率-浓度转换表达式。实际测试时，根据待测溶液的溶质成分在步骤S5中选择对应的折射率-浓度转换表达式即可。
由此可见，通过本发明方法自动快速检测得到的溶液浓度，检测快速且结果准确，具有操作简便、测量精确等优点，可以用于其他已知溶质的各种溶液浓度检测，可广泛用于食品、生物医学检测等领域内液体的折射率或浓度的非接触式的实时检测。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于激光干涉技术的溶液浓度快速检测方法，其特征在于，包括：
步骤S1、将已知光强I0的测量激光接入迈克尔逊干涉仪，由迈克尔逊干涉仪中的50/50耦合器将测量激光分成两路子测量激光朝外发射以分别形成光路，在其中一个光路中设置反光镜，在另一个光路中设置比色皿；
步骤S2、将待测溶液取样放入比色皿内，一路子测量激光经反光镜反射产生参考光信号，另一路子测量激光经过比色皿及比色皿内的待测溶液折射和反射后产生检测光信号，并通过调整比色皿或反光镜的位置使参考光信号与检测光信号形成光干涉以产生干涉激光信号；
步骤S3、利用迈克尔逊干涉仪的平衡探测器将干涉激光信号转换成对应的目标电压信号；
步骤S4、确定目标电压信号的最大电压幅值，利用目标电压信号的最大电压幅值计算出待测溶液的折射率；
步骤S5、预先建立与待测溶液相对应的折射率-浓度转换表达式，根据待测溶液的折射率利用折射率-浓度转换表达式计算出待测溶液的浓度；
其中，步骤S4中利用目标电压信号的最大电压幅值计算出待测溶液的折射率具体包括：
由目标电压信号的最大电压幅值Um按公式
Figure FDA0003806882260000011
确定K；
根据
Figure FDA0003806882260000012
计算出待测溶液的折射率n30；
其中，
Figure FDA0003806882260000013
k为平衡探测器将电流转换成电压的预设系数，K1为平衡探测器的光强转换成光功率的预设系数，I1表示参考光信号的光强，I1＝I0/2，K2表示其中一束子测量激光的光强衰减常数，n10为空气的折射率，n20为比色皿的折射率，r为平衡探测器的响应度。
2.根据权利要求1所述基于激光干涉技术的溶液浓度快速检测方法，其特征在于，测量激光是由DFB激光器产生的中心波长是1310nm的肉眼不可见激光。
3.根据权利要求2所述基于激光干涉技术的溶液浓度快速检测方法，其特征在于，在步骤S2中当比色皿与50/50耦合器之间的位置距离确定时，还包括帮助快速确定反光镜与50/50耦合器之间距离的步骤，具体包括：
在使用DFB激光器的同时，再使用一个红色激光器向迈克尔逊干涉仪产生肉眼可见的红色激光；
移动反光镜以调节反光镜与50/50耦合器之间的距离，当观察到检测光信号与参考光信号形成干涉时，停止移动反光镜。
4.根据权利要求1所述基于激光干涉技术的溶液浓度快速检测方法，其特征在于，步骤S4中确定目标电压信号的最大电压幅值的步骤具体包括：
由数据处理装置获取目标电压信号；
由数据处理装置确定目标电压信号的最大电压幅值。
5.根据权利要求4所述基于激光干涉技术的溶液浓度快速检测方法，其特征在于，由数据处理装置确定目标电压信号的最大电压幅值的步骤具体包括：
采用均值滤波对目标电压信号进行降噪处理；
采用正弦曲线叠加逼近法，对连续的至少5个周期的目标电压信号叠加进行非线性曲线拟合得到曲线方程；
求解曲线方程在各个周期内的极大值，并以至少5个周期各自的极大值的平均值确定为目标电压信号的最大电压幅值。
6.根据权利要求1-5任何一项所述基于激光干涉技术的溶液浓度快速检测方法，其特征在于，步骤S5中预先建立与待测溶液相对应的折射率-浓度转换表达式具体包括：
取与待测溶液相同的溶质来分别配置多份给定浓度的已知溶液；
分别利用上述步骤S1-S4检测出每份已知溶液对应的折射率；
依据各份已知溶液的给定浓度及对应计算获得的折射率进行线性拟合，生成折射率-浓度转换表达式。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6304328B1 (en) * 1998-08-14 2001-10-16 Research Foundation Of State University Of New York, The Office Of Technology Licensing, Suny Non-contact temperature and concentration measurement on liquid surfaces
CA2348541A1 (en) * 1998-10-30 2000-05-11 Jon P. Longtin Method and apparatus for optical measurement of concentration and temperature of liquids
JP2009042064A (ja) * 2007-08-08 2009-02-26 Sonac Kk 信号処理回路、信号処理方法およびガスセンサ
JP5482132B2 (ja) * 2009-11-17 2014-04-23 東ソー株式会社 示差屈折率計
CN102692393B (zh) * 2012-06-15 2014-08-13 南开大学 一种基于石墨烯偏振效应的折射率实时测定方法和装置
CN103712952B (zh) * 2013-12-30 2016-09-21 四川大学 基于迈克尔逊干涉仪的液体浓度测量装置
CN105044034A (zh) * 2015-05-29 2015-11-11 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种用于透明溶液浓度变化的实时测量方法
CN107643266A (zh) * 2016-07-20 2018-01-30 张桂春 一种溶液浓度变化实时检测系统

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Denomination of invention: A Rapid Detection Method for Solution Concentration Based on Laser Interference Technology

Granted publication date: 20220923

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