CN202974864U - 一种用于测量液相气体折射率的测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于测量液相气体折射率的测量仪，包括：点光源照明模块，其产生光束以对待检测液相气体进行检测；探测棱镜，其一棱镜面与所述待测液体表面接触形成反射面，点光源照明模块出射后的光束在该反射面上聚焦形成光斑，并发生全反射和部分反射；反射光接收模块，其用于收集经所述反射面反射的光线，并将收集的光斑图像信息转换成电信号输出；图像分析模块，其对输出的光斑图像信息进行处理，提取出光斑中的明暗界限，进而即可得到待测物的折射率。本实用新型的装置可以有效测量液相气体折射率，具有精度高、维护简单、实现容易、抗干扰能力强、受测量环境影响小等优点。

Description

一种用于测量液相气体折射率的测量仪

技术领域

本实用新型涉及光学折射率测量领域，具体涉及一种光学折射率测量仪，用于高压下的液相气体的各种特性参数的测量和定性分析，同时也可对常温、常压下液体溶液进行测量。

背景技术

折射率不仅是表征物质光学特性的基本物理量，而且也是新材料合成、物质鉴别和科学研究中一项重要的性能参数，其与物质的密度、浓度、温度以及应力等物理量有关，广泛地应用在光学、炼油、造纸、食品、材料等技术领域。

液相气体折射率与气体物理和化学性能参数存在着线性关系，折射率的测量相对于其他的物理量的测量更易于实现。根据Lorentz-Lorenz公式，物质的折射率是单位体积内物质中的微观粒子（原子或分子）的个数N的函数。由上述原理该液相气体折射率仪也可应用在气体鉴别和组份分析。

目前，液相气体折射率的测量方法主要分为波动光学、SPR技术、光纤传感技术、临界角法。波动光学优点是测量精度高，但该方法可实现性差、对设备要求较高、抗干扰性差、成本较高不适合大规模生产和应用。SPR技术的优点是测量精度高、适合商业应用，但该方法测量时间较长，无法实现在线测量、抗外界杂质干扰较差、界面金属膜容易被腐蚀，不适合极端条件下折射率测量。光纤传感技术的优点是测量灵敏度高、抗外界电磁干扰较强，但该方法对器件要求较高、系统实现成本较高、受气泡和界面杂质影响大。

临界角法的优点是测量精度高、抗干扰性强、系统维护简单、适合大规模生产和应用、适合极端条件液相气体折射率测量。阿贝折光计是临界角法的典型代表，因其测量原理简单、精度高、系统可靠性高、抗外界干扰强在工农业生产和科学研究领域大量使用。

临界角法由探测界面上光斑大小分为聚焦型临界法和发散型临界法。CN102012359公开了一种发散型临界角发测量液体参数的方法。该方法是将入射光线照射在探测界面质上，通过光线在探测界面发生部分反射和全反射从而液体折射率测量。该方法所需探测面较大，只适合测量在常温、常压下液体的参数。而且，由于发散型临界法其入射到棱镜探测面的光束具有固定的发散角，探测界面材料的折射率不均匀，因此折射率测量范围比较狭窄，探测面容易受杂质影响、束缚光束能力较差，容易因光线泄露而影响系统精度、棱镜斜面的空气隙容易受外界影响，而使系统失效。

聚焦型临界法是利用平凸透镜将入射光束聚焦在测量界面上，从而测量聚焦点处的折射率。该方法的优点是测量精度不受界面上折射率分布不同而受影响、成像端光斑的明暗界限明显、测量范围远比发散型临界法大、方便维护、易于大规模生产和应用。通过将装置倒置可以提高系统抗界面气泡和杂质的干扰，从而减小系统误差提高系统精度。通过改变照明系统的像距、物距以及透镜的焦距，可以增加棱镜探测面入射角的范围，从而达到扩大折射率测量范围。

实用新型内容

本实用新型目的在于提出一种基于全反射原理测量液相气体的折射率的测量仪，其利用聚焦型临界法测量液相气体的折射率，为气体鉴别和组份分析奠定了基础，同时该折射率具有取样少、适合高压等极端条件下液体或者液相气体的测量、精度高、在线测量、维护方便等优点。

实现本实用新型目的的一种用于测量液相气体折射率的测量仪，包括：

点光源照明模块，其包括LED光源、耦合器、多模光纤以及输出透镜，所述LED光源输出的光经所述耦合器耦合到多模光纤中，在多模光纤传输后经所述透镜聚焦后出射，以对待检测液相气体进行检测；

探测棱镜，其一表面与所述待测液体表面接触形成反射面，所述点光源照明模块出射后的光束在该反射面上聚焦为一点，形成光斑，并发生全反射和部分反射；

反射光接收模块，其用于收集经所述棱镜反射面反射的光线，并将收集的光信号转换成电信号形成图像信息输出；

图像分析模块，其对输出的图像信息进行处理，提取出光斑中的明暗界限，进而得到待测物的折射率。

作为本实用新型的改进，所述的测量仪还包括取样容腔用于容置待测液体，其上部表面开有圆孔，所述待测液体通过该圆孔与所述探测棱镜的表面接触形成所述反射面。

作为本实用新型的改进，入射到底面的光束中，入射角大于临界角的光束发生全反射，入射角小于临界角的光束发生部分反射，其部分能量透射到待测的液相气体中。

作为本实用新型的改进，所述的图像分析模块提取光斑中的明暗界限可以采用如下方法：

(a)在光斑图像中划取一包含所述明暗界限的区域；

(b)对所选取的区域，将其中每一行的图像数据叠加，得到一行叠加后的图像数据；

(c)对该行叠加后的图像数据，以其中任意列像素与其前一列像素之间的差作为斜率，将斜率最大的点作为界限点。

本实用新型的点光源照明模块可以通过改变光源的出光头与透镜的距离，平凸透镜的焦距以及平凸透镜与棱镜上表面的距离，来改变入射光束的发散角的大小，从而加大折射率的测量范围和系统精度。依据斯涅耳（Snell）原理，光线自光密介质折射入光疏介质时，折射角大于入射角，且折射角随入射角的增大而增大，当入射角增大到一定值时，折射角将增大为90度。光束中部分光线将全反射，光束中另外一部分光线的能量将部分反射部分透射。如图3，当入射角大于或者等于临界角时，入射光线不发生透射；当入射角小于临界角时，入射光线发生透射，反射光能量降低。入射光束不变且棱镜折射率n1一定，液体折射率n2发生相对变化时，临界角θc将随着n2的变化而变化。通过计算反射光斑中明暗界限的位置，就可以通过计算得到有机溶液密度值。

本实用新型折射率仪的光学棱镜可以是等边棱镜，点光源发出的光束经过透镜聚焦，会聚光线经过棱镜S1面在棱镜探测面S2上聚焦成一点。在S2面上探测点与待测液体接触，一部分角度光线发生全反射，另外一部分光线发生部分反射。经过S2面反射的光线透过S3面由透镜会聚到CCD像面上。

本实用新型折射率仪的光线收集模块的作用是将反射光斑耦合到CCD的感光面上从而实现反射光斑的全部接收，并将接收的光信号转换成电信号输出。该CCD可以为一维的线阵CCD,也可以为二维的面阵CCD。

本实用新型折射率仪的点光源照明模块是由LED、耦合器、多模光纤以及输出透镜构成。LED输出的光经过耦合器将光耦合到多模光纤中，经过多模光纤的光束可以认为是一束具有一定发散角的点光源。光纤耦合输出光束经过透镜扩大发散角并将光束聚焦到棱镜探测面上。该模块可以通过扩大光束的发散角来提高系统的测量范围和精度。

本实用新型折射率仪采用聚焦型临界角法，可以克服棱镜探测面材质折射率不均匀的影响。在测量时装置可以倒置，这样可以保证测量点与待测液相气体或者液体接触，从而提高系统抗干扰能力。本实用新型不需要专门设计精密结构将探测棱镜进行密封处理，同时棱镜斜面的空气隙不易受外部影响。该折射率仪利用聚焦型临界角法可以测量具有高强度压强的液态气体，而发散型临界角法由于棱镜底面与待测液体接触面积较大，棱镜密封处理较困难。

本实用新型的装置测量液相气体折射率具有精度高、维护简单、实现容易、抗干扰能力强、受测量环境影响小等优点。

附图说明

图1是本实用新型实施例的一种用于液相气体折射率在线测量仪。

图2是本实用新型实施例中点光源照明模块的结构图。

图3是本实用新型实施例中临界角法反射光线与透射光线示意图。

图4是本实用新型实施例中理想情况下反射光斑图。

图5中，（a）是本实用新型所采用的聚焦型临界法的原理示意图，（b）为现有技术的发散型临界法的原理示意图。

图6是某液相气体在CCD像面上明暗界限随组分折射率变化图。

图7是本实用新型实施例的折射率测量仪测量食盐水时，食盐水浓度与象素的关系曲线图。

图8是本实用新型实施例的折射率仪测量某液相混合气体时，接收光斑的明暗界限图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明，但本实用新型不仅限于该实施例。

如图1，本实施例的折射率测量仪包括LED光纤照明模块1、探测棱镜3、高压液相气体取样容腔4、反射光能量收集模块5和图像处理模块7。

待测液相气体通过测量仪的取样模块4中的入口进入取样容腔4，进入取样容腔4的液相气体与探测棱镜3底面接触形成反射面。取样容腔4中的空气或者杂质通过取样容腔4的出口排出。本实施例中的该取样容腔4可以承受50个大气压，适合绝大多数液相气体的取样。

LED光纤点光源照明模块1将入射到探测棱镜3的光束聚焦到探测棱镜3底面上。入射到底面的光束，入射角大于临界角的光束发生全反射；入射角小于临界角的光束发生部分反射，即有一部分能量透射到待测的液相气体中。经过探测界面反射的光束经过透镜5将反射光斑耦合到接收模块5的CCD像面上。CCD将接收的光信号转换成电信号输入到图像处理模块7中。由图像处理模块7得到的反射光斑图像将光斑中的明暗界限提取出来，并得到明暗界限位置与待测液相气体折射率的关系式，继而可以获得待测液相气体的折射率。

本实施例中对于光斑中的明暗界限提取可以优选采用微分法微分法是通过比较反射光光强的差异来判断临界角的，这使得它具备抗干扰强的优点。根据菲涅尔反射原理，当某一密度的液体覆盖在传感器棱镜的表面时，CMOS图像传感器拍摄到的光斑的图像中存在一条明暗界限，密度越高，界限越往右侧移动，并且密度的增加量与界限的位移量呈线性关系。该图像界限可以通过微分法来进行提取。标定几组密度已知的标准液在图像中界限的位置，就能通过界限识别算法计算出待测量液体的密度和折射率。

本实施例中采用微分法的具体图像算法原理如下：a)划取区域,如图4所示，圆形区域为CMOS所拍图像中的光斑，光斑中存在一条明暗界限，为了保证测量范围和测量精度，在圆形光斑区域中首先划取一个长方形区域（上图光斑中的长方形区域），仅取出方框中的数据进行处理;(b)按行叠加,针对所选取的长方形区域，把每一行的数据叠加起来，最终得到一行叠加后的数据。这种按行叠加的方法可以增加系统的抗干扰性能;(c)FIR滤波,设计FIR低通滤波器，滤除高频噪音，增加算法的抗干扰性能;(d)界限提取,本系统采用斜率法提取界限，即针对第i列像素，第i+1列像素和第i列像素之间的差作为斜率，将斜率最大的点作为界限的位置，其中i为任一整数。

本实用新型的在线式液相气体折射率测量仪不仅可以测溶液的折射率、电解液的折射率还可以测量液相气体的折射率。在液相气体气压恒定的情况下，由于玻璃材料承受压力能力一般较小，同时玻璃受力与接触面积成正比，因此应较小于待测液相气体的面积从而避免玻璃棱镜因受力过大而破裂。传统的折射率仪由于探测面积较大，只能测量溶液而不能测量具有较大压力的液相气体的折射率。本折射率测量仪是利用物理光学中全反射的原理，采用聚焦型临界角法测量液相气体折射率可以实现对液相气体折射率的测量，该方法所需取样面小，易于对高压的液相气体进行测量。

本实用新型的测量仪可以对高压下的液相气体进行折射率测量，当然也可以对高压下的液体或常压下的各种液体的折射率进行测量。

本实施例中待测液相气体与棱镜面接触形成的反射面可以与光束的光斑大小一致或相适应。待测液相气体装在一开有圆孔的容腔4中，该容腔表面与棱镜面抵接，待测液相气体通过该圆孔与棱镜面接触形成反射面。该圆孔很小，以确保其能够承受液相气体的高压，该圆孔可以与光斑大小一致。

本实用新型的测量仪的物理模型可由Snell定律、菲涅尔反射定律以及全反射原理决定。折射率仪测量范围可由以下公式评定，

n_x＝n_gsinθ_c

$R_n=\frac{1}{2}[\frac{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_z)}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_z)}+\frac{{\tan }^2({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_z)}{{\tan }^2({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_z)}]$

公式中，n_x为待测物质折射率，n_g为玻璃折射率，θ_c为临界角，θ_i为入射角，θ_z为透射角，R_n为棱镜探测面的反射率。根据界面上光线的入射角范围确定和测量原理的公式，折光计测量范围[n_min,n_max]有：

$\left.\begin{array}{c}{n}_{\min }=n_g\sin \left({\mathrm{\θ}}_{\min }\right)\\ n_{\max }=n_g\sin \left({\mathrm{\θ}}_{\max }\right)\end{array}\right\}$

下面以具体的实例对本实用新型的折射率测量仪的具体性能和使用进行说明。

实例1

利用本实用新型的测量仪在室温时对食盐水密度进行测量并与标准手持式密度仪进行比较，测量方法如下：

先将不同密度梯度的食盐水溶液，利用阿贝折射率仪进行测量，再通过标准手持式密度仪对其浓度进行测量。

用蒸馏水清洗本实用新型某型样机的取样模块，将待测食盐水溶液放入取样模块。点光源照明模块将光源的光束聚焦到探测棱镜与食盐水的界面上，经过界面反射的光束通过接收光路耦合到CCD的感光面上。通过VC界面将接收光斑中的界限信息进行提取，并通过图像算法得到待测液体的折射率和密度，并将折射率值和密度值与阿贝折射率仪测量值和标准手持式密度仪测量值进行比较，同时计算出相对误差。上述LED耦合光纤模块选用波长为532nm的LED耦合到多模光纤。

用同样的方法将剩下食盐水溶液进行测量，并得到食盐水溶液折射率与密度变化曲线。

实例2

利用本实用新型的测量仪在室温时对蒸馏水、75%医用酒精、饱和Nacl溶液和某浓度蔗糖溶液密度进行测量并与阿贝折射率仪进行比较，测量方法如下：

先将上述溶液，利用阿贝折射率仪进行测量，再将溶液分别放入已经定标的实用新型某型样机的取样模块。通过VC算法得到各溶液的折射率。将溶液折射率与阿贝折射率测量值进行比较，并计算出相对误差。表1为本折射率仪测量各种标准液体折射率值与阿贝折射仪比较。

表1.各种液体测量值与阿贝测量值的比较

实例3

利用本实用新型的测量仪在低温下对某液相组份气体折射率进行测量，并由折射率定性分析气体组份，测量方法如下：

将待测液相气体出口通过铜管接在样机取样模块的入口，当液相气体进入进入取样模块，将出口阀和液相气体入口阀关闭。待测液相气体由于重力的作用与探测棱镜S3面接触并形成反射面。将LED光纤照明模块和CCD上电，LED光纤照明模块将带有一定发散角的光束汇集到探测棱镜S3与待测液相气体构成的反射面上，会聚光束在反射面上发生全反射和部分反射。发生部分反射的光束会有一部分能量投射到待测液相气体中，产生能量的损耗。发生部分反射的光束进入接收系统的能量是由菲涅尔反射率曲线决定的。经过反射的光束由接收系统耦合到CCD的像面上。随着组份的变化，CCD像面上光斑的明暗界限也发生变化。图8为明暗界限随组分折射率变化图。

Claims (3)

1.一种用于测量液相气体折射率的测量仪，包括： 

点光源照明模块（1），其包括LED光源（11）、耦合器（12）、多模光纤（13）以及输出透镜（14），所述LED光源（11）输出的光经所述耦合器（12）耦合到多模光纤（13）中，经该多模光纤（13）传输后由所述透镜（14）聚焦后出射，以对待检测液相气体进行检测； 

探测棱镜（3），其一棱镜面与所述待检测液相气体表面接触形成反射面，所述点光源照明模块（1）出射后的光束在该反射面上聚焦形成光斑，并发生全反射和部分反射； 

反射光接收模块（5），其收集经所述反射面反射的光线，并将收集的光斑图像信息转换成电信号输出； 

图像分析模块（7），其对输出的光斑图像信息进行处理，提取出光斑中的明暗界限，进而即可得到待测物的折射率。 

2.根据权利要求1所述的一种用于测量液相气体折射率的测量仪，其特征在于，所述的测量仪还包括取样容腔（4），用于容置待测液体，其表面开有圆孔，所述待测液体通过该圆孔与所述探测棱镜（3）的表面接触形成所述反射面。 

3.根据权利要求1或2所述的一种用于测量液相气体折射率的测量仪，其特征在于，在反射面上聚焦形成光斑的光束中，入射角大于临界角的光束发生全反射，入射角小于临界角的光束发生部分反射，其部分能量透射到待检测的液相气体中。 

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