CN1254837A - 液体折射率检测装置 - Google Patents

Abstract

一种液体折射率检测装置,本发明是以玻璃半圆盘作为检测探头,由于光在半圆盘的弓面端能形成全反射光传输通道,采用光电探测器在半圆盘弦面的一端接收光信号,使得转换后的电信号与被测液体的折射率成线性关系,电信号经信号处理后成为折射率信号,其可以输出用于工业控制,也可以由液晶显示电路直接显示;其不仅能实时、准确、方便地检测液体折射率,而且具有结构简单、操作方便、经济实用的优点。

Description

一种液体折射率检测装置

本发明属于液体折射率计结构的改进，涉及光电技术领域。

在化工、饮料、酿酒等行业的生产中，液体折射率的检测是不可缺少的，液体折射率是液体物理性能的重要参数，它能反映出液体中物质浓度、纯度等的量值。测量液体折射率的传统方法是利用偏转角法，采用折射仪以人眼目测偏转角，再经数学公式计算得出液体折射率，这种方法不仅测量速度慢、不能直接得到结果，而且测量结果随测量人员的经验水平而存在有误差。随着现代工业的发展，很多时候需要实时准确地测量液体的折射率，以便及时对生产进行控制和调整，所以实时、准确、方便地测量成为液体折射率检测的发展方向。最具有代表性的最新方法有以下四种：①基于光量法的微型光纤折射仪，其缺点是对光源及检测条件要求高，光纤易受振动、温度的影响，且测量精度不高；②基于光象散差原理的测量方法，其测试设备复杂、且不实用；③基于最小偏向角原理的测量方法，也存在有测试设备复杂、不能实现在线测量的问题；④基于光波导原理的光电测量方法，其测试设备复杂、且不实用。

本发明的目的就是提出一种液体折射率检测的装置结构，其能够实时、准确、方便地完成液体折射率的检测，同时具有结构简单、操作方便、经济实用的优点。

本发明所设计液体折射率检测装置的结构原理为：采用以玻璃为基底材料的半圆盘为检测操头，半圆盘的弓面为柱面是检测端面，其弦面呈平面，弦面的一端为检测信号接收端，设置有光电探测器，光电探测器将光信号转变为电信号后经信号处理电路处理，能得到与液体折射率相关的电信号，再由输出电路输出即完成检测；其中要求半圆盘基底材料的折射率尽量高、热膨胀系数尽量小，并具有耐腐蚀、抗潮解的性能；并且检测装置所用光源可以是在装置内设置的光源称为主动光源，也可以是自然光为光源称为被动光源，主动光源密闭设置在半圆盘弦面的另一端，且光线由此射入半圆盘，被动光源的光线则从被测液体经由半圆盘的弓面折射进入半圆盘。本发明的特征还在于，在检测装置内设置有液晶显示电路，其结构是把由信号处理后的折射率电信号经由采样保持电路送入模数转换电路，转换后的数字信号经微处理器控制液晶显示电路，即可液晶显示出所测液体的折射率。

本发明的特征还在于，所述的主动光源采用发光二极管，光电探测器采用光电池，把发光二极管贴于弦面的一端，将光电池紧贴于弦面的另一端，并需把二者之间进行光隔离，同时要求装置把半圆盘弦面完全密封与外界光隔离，其检测时要求被测液体也与环境光隔离，光电池把接收到的检测光转换为电信号再经放大后即可输出。按照这种结构，还可以把光源调制成高频光源，由发光二极管发出高频光，可以有效地排除环境光的干扰，其把光电池输出的电信号先经前置放大后送入高通滤波电路，再经选频放大后进入检波电路，检波后的电信号经低通滤波后再经放大即可输出。

本发明的特征还在于，所述的被动光源的结构形式，其半圆盘的几何形状可以是1/2～1/4圆盘，要求装置把其弦面完全密封与外界光隔离，光电池设在装置内任一靠弓面的弦面端，检测时要求被测液体中有足够的环境光，光线经被测液体由弓面折射进入圆盘照射于光电池，转换后的电信号经放大后送入能储存数据的微处理器内处理，在检测装置上还设置有零键、标准键和检测键，检测时先将检测探头置入未含被测物的被测液体中，按下零键，得到的电信号被储存在微处理器中做基数，再于相同环境光条件下将检测探头置入含有标准量被测物的被测液体中，按下标准键，得到的电信号在微处理器中与零键所测基数构成线性关系并被储存，再于相同环境光条件下将检测探头置入含有被测物的待测液体中，按下检测键，得到的电信号在微处理器中经比较取值后即可输出，也可送至所设的液晶显示电路显示出所测液体的折射率。按照这种被动光源的结构形式，可以把光电探测器设置成线阵CCD探测器，其转换后的电信号经图像处理电路处理后，再由信号转换电路转换成数字信号即可输出，或由液晶显示电路显示出所测液体的折射率。

由上述技术方案中可以看出，本发明的核心是以半圆盘为功能器件作为检测探头，由于光在其中进行多次反射，非全反射光对输出光的影响随反射次数的增加逐步减小，而全反射光无论是平行还是非平行入射都能保证输出光能与待测液体的折射率成线性关系，从而直接得到与折射率相关的电信号，可以将其送入自控系统实现对生产过程的自动控制，也可由显示电路直接显示，实现生产过程的实时监控，甚至可以制成便携式的检测装置。本发明所设计的检测装置不仅能实时、准确、方便地检测液体折射率，而且具有结构简单、操作方便、经济实用的优点。

以下结合附图详细说明本发明技术方案的工作原理和实施例。

附图1为本发明所设计检测装置中半圆盘的光学原理图。参见附图1和2，把半径为r、折射率为n_s的半圆盘的弓面浸入折射率为n₁的待测液体中，使一束垂直于弦面的光从半圆盘弦面的任一端射入，根据Sne11折射定律，入射光会在半圆盘弓面边缘进行折射和反射。假设PA为入射光，O为圆盘中心，A和B是入射光线在弓面的反射点(亦称入射点)，X为入射光距弦面端的距离，而AO是法线，Qi是入射角，Qr是折射角，以O为中心作AB的垂线，交AB于D点，由图1可知，三角形△APO与三角形△ADO全等，因此OP＝OD；又因有n₁/n_s＝sinQi/sinQr，以及sinQi＝(r-X)/r的成立，当Qr≥90°时发生全反射，则使n₁/n_s＝sinQc，Qc是发生全反射的入射角，称为临界角，故有n₁＝n_s(1-Xc/r)的成立，Xc则为临界距离；由于小于临界距离Xc之内的入射光的入射角都大于临界角，即在临界距离之内的入射光在弓面发生全反射，而在临界距离之外的入射光在弓面为非全反射光，其中大部分被折射，从而使半圆盘弦面一端的入射光在半圆盘中大于OD小于r的空间形成光线传输通道，而由弦面的另一端射出，在光线入射弦面一端就形成了入射窗口(其高为半圆盘厚、宽为临界距离Xc)，从入射窗口射入的光线经多次全反射后应无损地从弦面另一端射出，而入射窗口之外进入的入射光则经反射后被折射，这样就使入射窗口成为较暗区域，而超出入射窗口的区间成为明亮区域，这种明暗对比很明显，并且这明暗交界处即为Xc。根据上述n₁＝n_s(1-Xc/r)，对于一种明确的半圆盘，其n_s和r均为确定数值，此时的n₁与Xc紧密相关，即n₁越大其Xc越小，也就是说被测液体折射率n₁的变化能改变入射窗口的大小，从而改变全反射光的入射量，那么在入射窗口设置一固定光源照射，由于液体折射率的不同另一端所设光电池接收到的光强也不同，致使其转换的电信号也随之改变，从而使光电池转换出的电信号与液体折射率成线性关系，利用这种关系对电信号进行处理，即能得到待测液体的折射率。这是主动光源的检测原理，而被动光源的原理与其相同，但光路相反：把半圆盘弦面的一端密封与外界光隔离，在另一端设置光电池，要求环境中有足够的自然光射入被测液体，当把半圆盘的弓面浸入被测液体，光线就从弓面折射进入半圆盘，根据上述原理，进入半圆盘的光线均为折射光，不会沿传输通道行进，此时垂直观察弦面的任一端，小于Xc的区间因无出射光成为黑暗区域，而大于Xc的区间则因折射光而成为明亮区域，明暗交界处仍为Xc，同样n₁越大其Xc越小，固定设置的光电池接收出射光的面积则随液体折射率的增大而增大，其转换出的电信号也与液体折射率成线性关系。由上述n₁＝n_s(1-Xc/r)得知，得到Xc值就能得到n₁值，所以在被动光源结构中的光电探测器还可以采用线阵CCD探测器(即线阵电荷耦合器件作探测器)来准确地确定Xc的位置，将得到的信号经信号处理后就能得到被测液体的折射率。

本发明所设计液体折射率检测装置采用半圆盘为检测探头，而半圆盘的基底材料采用折射率尽量高、膨胀系数尽量小、并具有耐腐蚀、抗潮解性能的玻璃材料，如可以选择BaK6玻璃或BaK8玻璃。由上述原理可以看出，半圆盘玻璃材料的折射率n_s越大，其测量范围越大，而半圆盘的几何尺寸越大，则测量精度就越高，所以半圆盘几何尺寸的选择应考虑制作成本和测量精度，比较适中的选择为r＝40mm、厚度10mm。从上述可以看出，被动光源半圆盘(即180°圆盘，亦称1/2圆盘)的使用显得有些浪费，故可将半圆盘最小缩至1/4圆盘(即90°圆盘)也具有同样的检测效果，只是小于180°的圆盘有二个弦面，则要求装置把这二个弦面密封与外界光隔离，在其中任一弦面端固定设置光电探测器。另外要求半圆盘的弓面为柱面、弦面呈平面，即都与上下表面呈90°。

附图2为本发明所设计检测装置的结构原理示意图(其光源为主动光源)。参见附图2，把半圆盘弦面用装置盒体包接密封与外界光隔离，在盒体内弦面的一端固定设置黄色发光二极管做光源、在另一端紧贴弦面固定设置光电池做光电探测器(可选择2CR40型硅光电池)，并将光源与光电池之间隔离，检测时需将待测液体盛入尽量不透光的容器内，把半圆盘的弓面浸入待测液体，打开光源，光电池接收出射光转换成电信号，再经放大电路放大后即可输出用于工业控制，或送至所设的液晶显示电路，液晶显示所测液体的折射率。附图5为液晶显示电路的原理框图，它是把处理后的折射率电信号经由采样保持电路(可选LF198)送入模数转换电路(可选ADC0809)，转换后的数字信号经微处理器(可选8051)控制液晶显示器件(可选0802)及其驱动电路，即可液晶显示出折射率。

附图3为本发明检测装置采用高频光源时其信号处理电路的原理框图。参见附图2和3，按照主动光源的结构，设置一高频调制电源(如1000Hz)，用其驱动发光二极管作高频闪烁，光电池可选用2CR41型硅光电池，除信号处理电路外装置的其他要求与前例相同，但不要求隔离待测液体中环境光；其信号处理电路是把光电池转换出的电信号先经前置放大后送入高通滤波电路，再经选频放大后进入检波电路，检波后的电信号经低通滤波后再经放大即可输出，或是由液晶显示电路显示折射率。这种结构检测较准确，且抗干扰性能强，其中高频电源和信号处理电路的结构在CN98233097.9专利申请中已有记载，这里不再详述。附图6为采用本发明所制作的带有高频调制光源的液体折射率检测装置检测各种浓度蔗糖溶液折射率的测试结果表。

本发明检测装置采用被动光源的结构形式有两种，一种是前述的光电探测器采用光电池的结构，其设置有零键、标准键和检测键三个按键，要求在相同环境光条件下完成三次按键操作，并要有足够的环境光(至少强于照明光)，其是以已知未含被测物的被测液体(即浓度为0％)的电信号为零点，以折射率的含标准量的被测液体(可定为50％)的电信号为标准点，作两点的直线，再将由待测液体测得的电信号在直线定点，即能得到对应的折射率；其条件较为苛刻，但其成本较低，适于精度不太高的检测。另一种就是采用线阵CCD做光电探测器的结构，其装置的结构与上述被动光源基本相同，只是信号处理电路不同，而且不受光线强弱的干扰就能确定明暗交界处(Xc)的准确位置，其检测精度较高。附图4为本发明采用线阵CCD做探测器时其信号处理电路的原理框图，从图中可以看出，用CCD做探测器确定光线位置的信号处理已是成熟技术，这里不再赘述。

上述各种结构的检测装置其检测信号若是用于自动控制或固定监视，其装置内电源可以采用外接电源，若仅用于显示或便携式的则需以电池为电源。并且各种结构中的电路部分均为专业人员能够完成的，不必细述。

Claims (7)

1.一种液体折射率检测装置，其采用有光源、半圆盘、光电探测器、信号处理和输出电路，其特征在于，采用以玻璃为基底材料的半圆盘为检测探头，半圆盘的弓面为柱面是检测端面，其弦面呈平面，弦面的一端为检测信号接收端，设置有光电探测器，光电探测器将光信号转变为电信号后经信号处理电路处理，能得到与液体折射率相关的电信号，再由输出电路输出即完成检测；其中要求半圆盘基底材料的折射率尽量高、热膨胀系数尽量小，并具有耐腐蚀、抗潮解的性能；并且检测装置所用光源可以是在装置内设置的光源称为主动光源，也可以是自然光为光源称为被动光源，主动光源密闭设置在半圆盘弦面的另一端，且光线由此射入半圆盘，被动光源的光线则从被测液体经由半圆盘的弓面折射进入半圆盘。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的主动光源采用发光二极管，光电探测器采用光电池，把发光二极管贴于弦面的一端，将光电池紧贴于弦面的另一端，并需把二者之间进行光隔离，同时要求装置把半圆盘弦面完全密封与外界光隔离，其检测时要求被测液体也与环境光隔离，光电池把接收到的检测光转换为电信号再经放大后即可输出。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，把所述的光源调制成高频光源，由发光二极管发出高频光，其把光电池输出的电信号先经前置放大后送入高通滤波电路，再经选频放大后进入检波电路，检波后的电信号经低通滤波后再经放大即可输出。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的被动光源的结构，其半圆盘的几何形状可以是1/2～1/4圆盘，要求装置把其弦面完全密封与外界光隔离，光电池设在装置内任一靠弓面的弦面端，检测时要求被测液体中有足够的环境光；转换后的电信号经放大后送入能储存数据的微处理器内处理，在检测装置上还设置有零键、标准键和检测键，检测时先将检测探头置入未含被测物的被测液体，按下零键，得到的电信号被储存在微处理器中做基数，再于相同环境光条件下将检测探头置入含有标准量被测物的被测液体，按下标准键，得到的电信号在微处理器中与零键所测基数构成线性关系并被储存，再于相同环境光条件下将检测探头置入含有被测物的待测液体，按下检测键，得到的电信号在微处理器中经比较取值后即可输出。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，按照被动光源的结构形式，把光电探测器设置成线阵CCD探测器，其转换后的电信号经图像处理电路处理后，再由信号转换电路转换成数字信号即可输出。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的装置，其特征在于：在检测装置内设有液晶显示电路，其结构是把由信号处理后的折射率电信号经由采样保持电路送入模数转换电路，转换后的数字信号经微处理器控制液晶显示电路，即可液晶显示出所测液体的折射率。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述半圆盘的几何尺寸为半径r＝40mm，厚度10mm。

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