CN201909757U - 棱镜模型多次折射的海水盐度检测装置 - Google Patents

Abstract

一种棱镜模型多次折射的海水盐度检测装置，包括上位机、直角棱镜和信号采集与处理模块，在该装置激光器和位置敏感器件下方设有与激光器出射光路垂直的光学玻璃，以及与激光器出射光路呈锐角α₁和钝角β₁的形成一组棱镜模型的两片光学玻璃，在直角棱镜上方依次设有与激光器出射光路的相反方向呈锐角α₂和钝角β₂的形成一组棱镜模型的光学玻璃；所述的光学玻璃以及装置的壳体合围成装满参考液的封闭的上参考腔，所述的光学玻璃与装置底端的壳体合围成内含直角棱镜且装满参考液的封闭的下参考腔。本实用新型结构简单、使用方便、棱镜模型扩大了光线的偏折角而提高了分辨力、准确度和抗干扰能力，且缩短了仪器长度，并降低了设备成本和测量成本。

Description

棱镜模型多次折射的海水盐度检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种海水盐度检测装置，尤其涉及一种棱镜模型多次折射的海水盐度检测装置，属光电传感、海洋环境监测领域。

背景技术

海水盐度检测除了电导率法外，主要还有利用光学折射对海水盐度的光电检测，即光学折射法海水盐度检测，其基本原理是利用待测液体盐度变化引起传输光折射角改变导致接收端光线偏移的性质实现海水盐度的检测。目前，对海水盐度的光电检测，国外具有代表性的是日本的Hideyuki Minato等人提出的用半导体激光做光源，用光纤来传送光信号的透射式盐度传感器，它的缺点是远距离传送信号过程繁琐而且体积比较大。国内，2002年清华大学赵勇等人提出的用于海水温度和盐度同时实时探测的光纤传感器系统，并在2009年改进为基于位置敏感器件(PSD)的光电法海水盐度检测系统，进行了原理实验研究，盐度检测的分辨率为1.67‰，距离实际使用要求还较低；2009年李田泽等提出一种采用双隔离窗的光透射新型液体浓度检测装置，误差大约是8％，误差也比较大。可见上述方法的检测精度都较低，综合分析，上述检测方法的光路都是平行平板模型，光发生一次折射后，进行检测。现有的光学折射法海水盐度检测技术如图4所示，图5(图4的光路展开图)中，前后两块相互平行的光学玻璃之间的测量液可认为是平行平板，入射光线由参考液进入测量液时的偏折角由参考液与测量液两者的折射率决定，到达PSD上的偏移量由偏折角及前后光学镜片之间的距离决定，光线在参考液中都是平行光，并不会提高系统的偏移量，由此可见，该模型仅折射一次，即使在系统中设置多块平行光学玻璃，模型仍然为平行平板，并不能有效提高偏折角，因此，为提高分辨力，必须增加光程，这必然使仪器体积庞大，而增加光程又对系统的稳定性造成不利影响，可见该方法检测分辨力和准确度较难提高。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种棱镜模型多次折射的海水盐度检测装置，以克服目前光学折射法海水盐度检测装置检测精度低的不足。

本实用新型的技术构思是：利用相对于平行平板模型具有更大偏折角的棱镜模型，通过设置多个折射单元，扩大了装置的偏折角，以提高检测灵敏度和准确度，并缩短光程，减小了仪器体积。

一种棱镜模型多次折射的海水盐度检测装置，包括设在该装置底部的直角棱镜，和设在该装置顶部信号处理腔内的通过电缆与上位机连接的信号采集与处理模块，所述的信号采集与处理模块分别连接有激光器和位置敏感器件PSD，且在激光器和位置敏感器件下方设有与激光器出射光路垂直的光学玻璃，其特征在于上述光学玻璃至直角棱镜之间依次设有与激光器出射光路呈锐角α₁和钝角β₁的形成一组棱镜模型的两片光学玻璃；并且在直角棱镜至光学玻璃之间依次设有与激光器出射光路的相反方向呈锐角α₂和钝角β₂的形成一组棱镜模型的光学玻璃；所述的光学玻璃以及装置的壳体合围成装满参考液的封闭的上参考腔，所述的光学玻璃与装置底端的壳体合围成内含直角棱镜且装满参考液的封闭的下参考腔；所述的上、下参考腔之间设有固定于壳体的防护网。

为了进一步扩大了装置的偏折角，以提高检测灵敏度和准确度，并缩短光程，减小了仪器体积，可以设置多个折射单元，将上述上、下参考腔之间再增设一个中参考腔，即中参考腔包括两片自上而下依次与激光器出射光路呈钝角β₁和锐角α₁的光学玻璃，以及两片自下而上依次与激光器出射光路的相反方向呈钝角β₂和锐角α₂的光学玻璃；所述的光学玻璃与装置侧面的壳体合围成装满参考液的封闭的腔体；且该中参考腔与上、下参考腔之间均设有固定于壳体的防护网。

为了能够达到理想的折射效果，上述锐角α₁或α₂在20～70度范围内，上述钝角β₁或β₂在110～160度范围内；进一步，上述锐角α₁、α₂以及钝角β₁、β₂分别为45度和135度而使左右相邻的两片光学玻璃相互垂直。

上述光学玻璃可以是石英玻璃，耐腐蚀耐压，适合深水海洋使用。折射率同海水接近的酒精、甘油、四氯化碳、蒸馏水等均可作为参考液，然而，研究发现，参考液选用来源广泛的蒸馏水，对海水测量最适宜，因此参考液优选蒸馏水。

上、下参考腔之间或中参考腔与上、下参考腔之间的部分作为测量腔将有海水进入。

本实用新型的测量过程为：激光器发出的光，垂直入射到其下方的与激光器出射光路垂直的光学玻璃，穿过上参考腔的参考液，到达第二块光学玻璃，也就是参考液与测量液的交界面时，由于参考液与测量液介质不同而发生折射，再依次穿过上测量腔的测量液、中参考腔、下测量腔、下参考腔的参考液到达直角棱镜，经直角棱镜转向后，再依次穿过下测量腔、中参考腔、上测量腔、上参考腔后，到达PSD接收面，PSD接收面上光点位置的变化经信号采集与处理模块处理后，经相关软件计算出测量液的盐度值。

其中，位于参考腔之间的测量腔上下均有参考腔的光学玻璃，且光学玻璃呈一定夹角，由于测量液(海水)密度比参考液(蒸馏水)高，则测量腔形成棱镜模型，光线穿过测量腔后的偏折角要比平行平板模型大很多。光线每穿过一个棱镜模型，偏折角都扩大一次，而不像平行平板模型那样，即便设置多个平行平板模型，也不能显著扩大偏折角。因此，设置多个棱镜模型，经多次折射后，扩大了光线的偏折角，增大了出射光线在PSD光敏面上光点的偏移量，从而提高了系统的分辨力。

显然，本实用新型结构简单、使用方便、便于携带，采用棱镜模型，提高了光线的偏移量，显著提高了系统的分辨力，获得精准的测量结果，节省了测量时间，同时缩短了仪器的长度，降低了设备成本、运输成本和测量成本。

附图说明

图1是本实用新型的带有两组棱镜模型的结构示意图。

图2是本实用新型的带有四组棱镜模型的结构示意图。

图3是本实用新型的一组棱镜模型的结构示意图。

图4是现有的平行平板模型的海水盐度检测装置结构示意图。

图5是图4的光路展开图。

图6是图1的光路展开图。

图7是图2的光路展开图。

图8是本实用新型的检测效果示意图。

其中，1、信号处理腔，2、上参考腔，3、中参考腔，4、下参考腔，5、电缆，6、水密插头，7、激光器，8、位置敏感器件，9、光学玻璃，10、参考液，11、测量液，12、外壳，13、防护网，14、直角棱镜，15、上位机，16、信号采集与处理模块，17～24、光学玻璃，n₀、参考液的折射率，n₁、测量液的折射率，n_g、光学玻璃的折射率。

具体实施方式

本实用新型的棱镜模型如图3所示，两片呈一定夹角的光学玻璃17、18与其中间的测量液12构成一组棱镜模型。

如图1所示，本实用新型包括设在装置底部的直角棱镜14，和设在该装置顶部信号处理腔1内的通过电缆5与上位机15连接的信号采集与处理模块16，所述的信号采集与处理模块16分别连接有激光器7和位置敏感器件8，且在激光器7和位置敏感器件8下方设有与激光器7出射光路垂直的光学玻璃9，其特征在于上述光学玻璃9至直角棱镜14之间依次设有与激光器7出射光路呈锐角α₁和钝角β₁的形成一组棱镜模型的两片光学玻璃17、18；并且在直角棱镜14至光学玻璃9之间依次设有与激光器7出射光路的相反方向呈锐角α₂和钝角β₂的形成一组棱镜模型的光学玻璃19、20；所述的光学玻璃9、17、20以及装置的壳体12合围成装满参考液10的封闭的上参考腔2，所述的光学玻璃18、19与装置底端的壳体12合围成内含直角棱镜14且装满参考液10的封闭的下参考腔4；所述的上、下参考腔2、4之间设有固定于壳体12的防护网13。

如图2所示，为了进一步扩大了装置的偏折角，以提高检测灵敏度和准确度，并缩短光程，减小了仪器体积，可以设置多个折射单元，如上述上、下参考腔2、4之间还设有一个中参考腔3，即中参考腔3包括两片自上而下依次与激光器7出射光路呈钝角β₁和锐角α₁的光学玻璃21、22，以及两片自下而上依次与激光器7出射光路的相反方向呈钝角β₂和锐角α₂的光学玻璃23、24；所述的光学玻璃21～24与装置侧面的壳体12合围成装满参考液10的封闭的腔体；且该中参考腔3与上、下参考腔2、4之间均设有固定于壳体12的防护网13；从而使棱镜模型的数量达到4组。

为了能够达到理想的折射效果，上述锐角α₁或α₂在20～70度范围内，上述钝角β₁或β₂在110～160度范围内；进一步，上述锐角α₁、α₂以及钝角β₁、β₂分别为45度和135度而使左右相邻的两片光学玻璃相互垂直，从而便于加工与组装。

上述光学玻璃可以是石英玻璃；上述参考液10优选蒸馏水。

图1中实线为测量腔为参考液时的光路，此时，测量液和参考液同为参考液，光线在同一种介质中传输，不发生折射；虚线为测量腔为测量液时的光路，此时，由于参考液和测量液不是同一种介质，故发上折射；由图6、7可知，本实用新型的折射偏移量h_y较现有的平板模型明显增大。

实施例1

如图2所示，采用包括信号处理腔1、上参考腔2、中间参考腔3和下参考腔4的带有4组棱镜模型的装置。信号处理腔1内设置激光器7、PSD及信号采集与处理模块16，其中PSD可焊接在信号采集与处理模块16上，并与激光器7一起由信号采集与处理模块16控制。电缆5通过水密插头6与信号处理腔内1的信号采集与处理模块16相连，给电路板供电及与上位机15通讯。三个参考腔内均注满作为参考液的蒸馏水。参考腔之间及防护网围13成上测量腔和下测量腔，测量液(海水)通过防护网进入该两测量腔内。防护网13不仅有效防止海水生物及杂物进入测量腔，而且遮挡了大部分外界杂散光，有效克服系统受外界杂散光的影响，提高了系统的环境适应能力。

所述激光器7为半导体激光器，输出波长650nm，出瞳功率1mw，1m处的光束直径Φ1mm，具有适合近距离使用，外形尺寸小，输出光强稳定、受环境影响小等优点，且红光便于系统调试。

所述PSD采用日本滨松S8543一维PSD，其光敏面尺寸为0.7×24mm，分辨力为0.6um，具有高分辨力、响应速度快、低功耗、低成本等优点，适合系统使用。

光学镜片与激光器出射光线的夹角为45度，装置总长600mm时，测量腔海水盐度由0变化到40时，光点在PSD光敏面上的偏移量为20mm，是平行平板模型的5.4倍，盐度检测的分辨率可达0.0012‰，明显高于现有的检测装置。

图8为本装置某一测量点的重复性测量曲线，由图可知，该装置测量重复性2σ优于0.05‰，并且稳定性好。

Claims (9)

1.一种棱镜模型多次折射的海水盐度检测装置，包括设在该装置底部的直角棱镜(14)，和设在该装置顶部信号处理腔(1)内的通过电缆(5)与上位机(15)连接的信号采集与处理模块(16)，所述的信号采集与处理模块(16)分别连接有激光器(7)和位置敏感器件(8)，且在激光器(7)和位置敏感器件(8)下方设有与激光器(7)出射光路垂直的光学玻璃(9)，其特征在于上述光学玻璃(9)至直角棱镜(14)之间依次设有与激光器(7)出射光路呈锐角α₁和钝角β₁的形成一组棱镜模型的两片光学玻璃(17、18)；并且在直角棱镜(14)至光学玻璃(9)之间依次设有与激光器(7)出射光路的相反方向呈锐角α₂和钝角β₂的形成一组棱镜模型的光学玻璃(19、20)；所述的光学玻璃(9、17、20)以及装置的壳体(12)合围成装满参考液(10)的封闭的上参考腔(2)，所述的光学玻璃(19、20)与装置底端的壳体(12)合围成内含直角棱镜(14)且装满参考液(10)的封闭的下参考腔(4)；所述的上、下参考腔(2、4)之间设有固定于壳体(12)的防护网(13)。

2.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于上述上、下参考腔(2、4)之间还设有一个中参考腔(3)，即中参考腔(3)包括两片自上而下依次与激光器(7)出射光路呈钝角β₁和锐角α₁的光学玻璃(21、22)，以及两片自下而上依次与激光器(7)出射光路的相反方向呈钝角β₂和锐角α₂的光学玻璃(23、24)；所述的光学玻璃(21～24)与装置侧面的壳体(12)合围成装满参考液(10)的封闭的腔体；且该中参考腔(3)与上、下参考腔(2、4)之间均设有固定于壳体(12)的防护网(13)。

3.如权利要求1或2所述的检测装置，其特征在于上述锐角α₁或α₂在20～70度范围内。

4.如权利要求1或2所述的检测装置，其特征在于上述钝角β₁或β₂在110～160度范围内。

5.如权利要求1或2所述的检测装置，其特征在于上述锐角α₁、α₂以及钝角β₁、β₂分别为45度和135度而使左右相邻的两片光学玻璃相互垂直。

6.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于上述光学玻璃(9、17～20)是石英玻璃。 

7.如权利要求1或2所述的检测装置，其特征在于上述参考液(10)为蒸馏水。

8.如权利要求1或2所述的检测装置，其特征在于上述激光器(7)为输出波长650nm、出瞳功率1mw且在1m处的光束直径为Φ1mm的半导体激光器。

9.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于上述位置敏感器件(8)是型号为S8543的一维PSD。 

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