CN206832682U - 一种液体折射率原位测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种液体折射率原位测量装置，测量装置包括测量探头和测量模块，测量探头包括光电测量部分，光电测量部分由间隔设置的光信号发射模块以及用于接收光信号发射模块发出的光信号的光信号接收模块构成，光信号发射模块的光信号发射面以及光信号接收模块的光信号接收面均是球形面，被测液体介于光信号发射面与光信号接收面之间。测量模块计算得到相应的传输系数值，并通过预先标定的被测液体折射率与传输系数的数值对应关系，计算出被测液体的折射率。所以，该测量装置不但能够较为准确地测量得到液体折射率，而且，测量方式较为简单，计算过程不复杂，并且，该测量装置组成部分较少，结构简单，投入成本较低，适合推广应用。

Description

一种液体折射率原位测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种液体折射率原位测量装置，属于液体折射率测量技术领域。

背景技术

折射率是一种很重要的光学参数，借助折射率能了解液体的纯度、浓度以及色散等性质，同时其他的一些参量(如热光系数)也与折射率密切相关，在化学化工、生物医学、食品卫生、环境监测等领域中有广泛的应用。

液体折射率测量的方法较多，但目前一般采用阿贝折光仪和V棱镜折光仪等仪器测量，它们的原理分别是测量全反射时的临界角和光线出射后的偏折角来计算折射率的大小，比如孙流星的《一种阿贝折射仪及光路实现方法》以及《一种高精度数字V棱镜折射仪的光学系统》中就公开了两种测量方法。这两种方法测量时，液体样品都需要和已知折射率的配合棱镜接触，并且测量的液体折射率范围有限，校准繁琐，价格昂贵。而且，现有的液体折射率测量装置一般体积较大，结构复杂，加工和装配繁琐，且不能实现原位测量和实时在线测量。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种液体折射率原位测量装置，用以解决传统的液体折射率测量装置结构复杂和难以实现原位在线测量的问题。

为实现上述目的，本实用新型的方案包括以下技术方案。

方案一：本方案提供一种液体折射率原位测量装置，包括测量探头和测量模块，所述测量探头输出连接所述测量模块，所述测量探头包括光电测量部分，所述光电测量部分由间隔设置的光信号发射模块以及用于接收所述光信号发射模块发出的光信号的光信号接收模块构成，所述光信号发射模块的光信号发射面以及光信号接收模块的光信号接收面均是球形面。

方案二：在方案一的基础上，所述光信号发射模块为半球形封装的LED发光二极管，所述光信号接收模块为半球形封装的PIN光电二极管。

方案三：在方案一或者方案二的基础上，所述测量探头包括一个腔体，所述腔体具有供液体流入以进行测量的测量空间，所述光信号发射模块和光信号接收模块安装在所述腔体内，与所述测量空间形成测量室，进入测量室中的液体填充于所述光信号发射模块的光信号发射面以及光信号接收模块的光信号接收面之间。

方案四：在方案三的基础上，所述腔体设置有用于使液体流入的下端口以及用于排出腔体内空气以平衡气压的上端口，所述上端口和下端口分别位于所述腔体的上下两端。

方案五：在方案四的基础上，所述下端口上装有过滤网，用于过滤进入腔体的液体。

方案六：在方案三的基础上，所述腔体的腔壁由中空的内外两层管壁构成，所述光信号发射模块以及光信号接收模块的电信号传输线路均从所述腔壁的中空空间引出。

方案七：在方案二的基础上，所述测量模块包括CPU处理单元、A/D转换单元、D/A转换单元、PIN测量单元和LED驱动单元，所述CPU处理单元的数字输出端口与D/A转换单元的数字输入端口连接，所述D/A转换单元的模拟量输出端口通过LED驱动单元连接所述LED发光二极管，所述CPU处理单元的数字输入端口连接所述A/D转换单元的数字输出端口，所述A/D转换单元的模拟量输入端口通过PIN测量单元连接所述PIN光电二极管。

方案八：在方案一的基础上，所述测量探头与所述测量模块通过插头与插座机构可拆卸连接。

方案九：在方案一的基础上，所述测量模块还连接有无线通讯模块，用于与外界通讯。

本实用新型提供的液体折射率原位测量装置包括测量探头和测量模块，测量探头包括间隔设置的光信号发射模块和接收模块，将光信号发射模块和接收模块置于被测液体中，光信号发射模块发出的光信号穿过被测液体后，被光信号接收模块接收，以进行测量。并且，光信号发射模块的光信号发射面为球形面，光信号接收模块的光信号接收面也是球形面，利用与球形相关的几何光学原理以及通过液体之后光信号的折射变化，光信号接收模块输出的电信号随液体的折射率而变化，所以，该测量装置不但能够较为准确地测量得到液体折射率，而且，测量方式较为简单，计算过程不复杂，操作简单，安装和调试难度低，并且，该测量装置组成部分较少，结构简单，体积较小，便于携带，投入成本较低，适合推广应用。另外，该测量装置能够实现原位在线测量，数据分析速度快。

附图说明

图1是液体折射率原位测量装置的组成结构示意图；

图2是液体折射率原位测量装置的电路连接结构示意图；

图3是测量探头的结构示意图。

具体实施方式

本实施例提供的液体折射率原位测量装置的核心包括两部分：分别是测量探头和测量模块，其中，测量探头没入被测液体中，利用光电原理实现测量，测量探头输出连接测量模块，测量模块根据各参数的具体数据并结合几何光学关系计算得出液体的折射率。测量模块由数据处理芯片和相关的电子元件构成，本实施例以Arduino单片机为例。图1是液体折射率原位测量装置的组成原理示意图，图2是液体折射率原位测量装置的电路连接结构示意图。如图2所示，测量探头1与Arduino单片机2连接，具体通过插头与插座3连接。

测量探头1的主体是光电测量部分，光电测量部分由两个器件构成，分别是光信号发射模块和光信号接收模块，这两个器件间隔设置，两者之间的距离以及位置关系要以能够准确检测数据为准。当然，不管这两个器件是水平设置还是倾斜设置均可以。而且，光信号发射模块的光信号发射面以及光信号接收模块的光信号接收面均是球形面。在测量时，该测量探头要没入被测液体中，即其光电测量部分没入被测液体中，光信号发射模块以一定的工作电流驱动而发出一定强度的光，通过被测液体折射之后，被光信号接收模块接收而输出一定的电压信号，根据折射、反射以及相关几何光学原理，光信号接收模块输出的电信号大小随被测液体的折射率而变化。本实施例中，如图3所示，光信号发射模块为半球形封装的LED发光二极管12，光信号接收模块为半球形封装的PIN光电二极管11，且两者均是透明封装。

为了确保PIN光电二极管11和LED发光二极管12之间的相对位置保持稳定，测量探头1还包括一个腔体13，腔体13相当于一个壳体，将测量探头1的其他组成部分固定在腔体13的相应位置上，便于被测液体的测量。当然，腔体13要具有供液体流入以进行测量的测量空间，PIN光电二极管11和LED发光二极管12安装在腔体13内，具体的安装位置不做限定，可以安装在腔体13的下部，也可以安装在中部，本实施例给出一种具体的位置，安装在腔体13腔壁的下端两侧。PIN光电二极管11和LED发光二极管12与上述测量空间形成一个测量室。当测量探头1浸入被测液体时，通过检测流入该测量室内的被测液体所引起的光信号接收模块输出电信号的变化来计算得到被测液体的折射率。进一步地，本实施例中，腔体13的材质是化学性质极不活泼的塑料、玻璃或者陶瓷等，避免与被测液体产生化学反应，对被测液体造成影响。而且，本实施例给出腔体13的一种具体结构，腔体13的腔壁由中空的内外两层管壁构成，PIN光电二极管11和LED发光二极管12安装在内层管壁上，腔体13的中空空间是封闭的，被测液体不能进入到该中空空间内，PIN光电二极管11和LED发光二极管12的信号传输线路均从该中空空间引出。腔体13的这种中空结构能够避免信号传输线路与被测液体直接接触，防止具有腐蚀性的液体对信号传输线路造成损坏；而且，当PIN光电二极管11或者LED发光二极管12出现故障需要更换时，两者的信号传输线路可以从中空空间中直接抽出，所以，只要将PIN光电二极管11或者LED发光二极管12从腔体13上取下即可实现器件的更换，方便快捷。

腔体13具有两个端口，分别称为下端口和上端口，下端口用于使被测液体流入到测量室内；上端口为排气口，用于排出测量室内空气以平衡内部气压，便于液体流入。这两个端口能够使被测液体顺利流入该测量室内。上端口和下端口只是相对而言，可以分别设置在腔体13的最上端和最下端，但是，由于上端口和下端口的基本作用是使液体流入到测量室内，以供PIN光电二极管11和LED发光二极管12进行检测，那么，上端口和下端口的设置位置就与PIN光电二极管11和LED发光二极管12的位置有关，只要上端口和下端口分别位于PIN光电二极管11和LED发光二极管12构成的光电测量部分的上下两侧就能够使液体流入测量室内，即流入到PIN光电二极管11和LED发光二极管12能够检测到的空间内。本实施例中给出一种典型的实施方式，上端口15设置在腔体13的最上端，下端口设置在腔体13的最下端，如图3所示。另外，为了过滤进入腔体13的被测液体，防止其他杂质影响测量结果，在下端口上设置有过滤网14。

如图2所示，除了测量探头1和Arduino单片机2之外，本实施例提供的测量装置还包括无线通讯模块4(本实施例以蓝牙模块为例)、电阻5和电阻6，测量探头1通过插头与插座3与测量装置主体可拆卸装配连接，便于测量探头1的维修和拆换。

PIN光电二极管11和LED发光二极管12通过插头与插座3和相应的电阻元件5、6分别对应连接Arduino单片机2的相应接口，Arduino单片机2内部写有控制和分析程序，Arduino单片机2上有USB接口，可与计算机相连交换数据，测量装置制作完成前需要对Arduino单片机2进行编程，使所需要的程序加载在Arduino单片机2内。

与Arduino单片机2连接的蓝牙模块4用于使测量装置与手机等移动终端设备交换数据。

Arduino单片机2有两种供电方式：用USB接口与计算机连接时，由计算机供电；一般运行情况下，比如与手机等移动终端进行蓝牙连接或者使用显示屏直接显示数据时，由专门的9V电池供电。

测量装置的除去测量探头1的其他部分进行连接后，可使用合适的外壳进行封装。

Arduino单片机2可以是一个独立的器件，也可以是由多个组成单元构成，如图1所示，包括CPU处理单元、A/D转换单元、D/A转换单元、PIN测量单元和LED驱动单元，CPU处理单元的数字输出端口与D/A转换单元的数字输入端口连接，D/A转换单元的模拟量输出端口通过LED驱动单元连接LED发光二极管；CPU处理单元的数字输入端口连接A/D转换单元的数字输出端口，A/D转换单元的模拟量输入端口通过PIN测量单元连接PIN光电二极管。

设定PIN测量单元的输出电压与LED驱动单元的输出电流之比作为传输系数，传输系数随被测液体的折射率而变化。CPU处理单元的数字输出端口输出一定的数值，然后通过D/A转换单元和LED驱动单元生成向LED发光二极管输入的一定的工作电流，LED发光二极管发出的光信号经过被测液体的折射之后由PIN光电二极管接收，转化成PIN测量单元的输出电压，并由A/D转换单元转换成数字量之后传输给CPU处理单元的数字输入端口。CPU处理单元以数字输入端口读取的PIN测量单元输出的电压值和数字输出端口写入的LED驱动单元的输出电流值计算传输系数，并通过预先标定的被测液体折射率与传输系数的对应关系计算出被测液体的折射率。

以下给出一种应用实例，被测液体为硫酸镁溶液。

测量前调整测量装置，利用插头与插座机构连接测量探头，Arduino单片机上的USB端口连接计算机。打开计算机接通测量装置，待测量装置稳定后，把测量探头竖直地插入到硫酸镁溶液中，LED发光二极管和PIN光电二极管中间会充满硫酸镁溶液。LED发光二极管被恒定电流驱动，发出一定强度的光，发出的光通过透明封装和硫酸镁溶液照射到对面的PIN光电二极管，使PIN测量单元输出一定的电压信号，利用上述计算过程进行折射率计算。

以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式，本实用新型的基本思路在于液体折射率原位测量装置的基本结构，所以，除了上述实施方式之外，本实用新型还有其他的实施方式，比如腔体可以不设置，而是利用固定支架或者其他的机构来固定PIN光电二极管和LED发光二极管。另外，本实用新型的保护点在于测量装置的硬件结构，并非折射率的计算方法，所以，基于本实用新型所保护的硬件结构的任何折射率的计算方法均在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种液体折射率原位测量装置，其特征在于，包括测量探头和测量模块，所述测量探头输出连接所述测量模块，所述测量探头包括光电测量部分，所述光电测量部分由间隔设置的光信号发射模块以及用于接收所述光信号发射模块发出的光信号的光信号接收模块构成，所述光信号发射模块的光信号发射面以及光信号接收模块的光信号接收面均是球形面。

2.根据权利要求1所述的液体折射率原位测量装置，其特征在于，所述光信号发射模块为半球形封装的LED发光二极管，所述光信号接收模块为半球形封装的PIN光电二极管。

3.根据权利要求1或2所述的液体折射率原位测量装置，其特征在于，所述测量探头包括一个腔体，所述腔体具有供液体流入以进行测量的测量空间，所述光信号发射模块和光信号接收模块安装在所述腔体内，与所述测量空间形成测量室，进入测量室中的液体填充于所述光信号发射模块的光信号发射面以及光信号接收模块的光信号接收面之间。

4.根据权利要求3所述的液体折射率原位测量装置，其特征在于，所述腔体设置有用于使液体流入的下端口以及用于排出腔体内空气以平衡气压的上端口，所述上端口和下端口分别位于所述腔体的上下两端。

5.根据权利要求4所述的液体折射率原位测量装置，其特征在于，所述下端口上装有过滤网，用于过滤进入腔体的液体。

6.根据权利要求3所述的液体折射率原位测量装置，其特征在于，所述腔体的腔壁由中空的内外两层管壁构成，所述光信号发射模块以及光信号接收模块的电信号传输线路均从所述腔壁的中空空间引出。

7.根据权利要求2所述的液体折射率原位测量装置，其特征在于，所述测量模块包括CPU处理单元、A/D转换单元、D/A转换单元、PIN测量单元和LED驱动单元，所述CPU处理单元的数字输出端口与D/A转换单元的数字输入端口连接，所述D/A转换单元的模拟量输出端口通过LED驱动单元连接所述LED发光二极管，所述CPU处理单元的数字输入端口连接所述A/D转换单元的数字输出端口，所述A/D转换单元的模拟量输入端口通过PIN测量单元连接所述PIN光电二极管。

8.根据权利要求1所述的液体折射率原位测量装置，其特征在于，所述测量探头与所述测量模块通过插头与插座机构可拆卸连接。

9.根据权利要求1所述的液体折射率原位测量装置，其特征在于，所述测量模块还连接有无线通讯模块，用于与外界通讯。