CN207336360U - 基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量系统，涉及液体浓度测量领域。本实用新型包括：光源模块，光耦合模块，反射式光纤系统模块，光电探测模块，微电流放大模块，A/D转换模块，微控制器模块，键盘输入模块和寄存显示模块。本实用新型适用于透明液体的浓度测量，结构紧凑，体积小,易于携带的优点。

Description

基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量系统

技术领域

本实用新型涉及液体浓度测量领域，尤其涉及基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量系统。

背景技术

液体浓度是反映液体特性的重要物理量，对溶液浓度的测量与监控在造纸、化工、制糖、食品、制药、环境监测等领域中有着广泛的应用，是保证产品品质和提高产品质量的重要技术手段。因此液体浓度的测量也一直是科研工作者研究的热点问题。随着工业化社会的快速发展，环境污染问题的出现使得人们密切关注社会的可持续发展，并且越来越重视环境监测和保护问题。不论是人们日常的工作环境, 还是工业过程监控、医药以至国家安全等都需要进行大量的化学气体、液体检测，因此对液体浓度测量系统和方法的研究有着特殊的意义与价值。

科研领域中液体的研究一般都会从液体的折射率、浓度、密度、透射吸收光谱（发光特性）、粘滞系数、表面张力、旋光性等角度入手，建立一个液体的性质和其他衡量液体性质参数的关系，来分析液体的本质属性。目前，国内外测量液体浓度多采用化学分析法、色谱法、红外吸收光谱法、光折射率法、光强吸收法等。这些分析方法需要用到的仪器体积庞大，结构复杂，不能应用于需要实时测量的工况中。

发明内容

本实用新型提供了基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量系统，系统体积小，结构紧凑，能够适用于需要方便携带且实现现场实时测量的工况。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量系统，包括：光源模块，光耦合模块，反射式光纤系统模块，光电探测模块，微电流放大模块，模数转换模块，微控制器模块，键盘输入模块和寄存显示模块，光源模块通过所述光耦合器模块连接反射式光纤系统模块,反射式光纤系统模块连接光电探测模块,光电探测模块连接微电流放大模块,微电流放大模块通过A/D转换模块连接微控制器模块,微控制器模块还连接键盘输入模块和寄存显示模块。

进一步的，所述反射式光纤系统模块，包括：输入光纤，光纤探头，自聚焦光纤，光程调节器，输出光纤。

进一步的，所述自聚焦光纤与所述输入光纤粘合构成光束输入端，所述自聚焦光纤与所述输出光纤粘合构成光束输出端，所述输入光纤构成光纤探头外层光纤，所述输出光纤构成光纤探头内层光纤，所述光纤探头外层光纤和光纤探头内层光纤与所述自聚焦光纤粘合后，能够实现所述光束准直平行出射和聚焦入射的功能。

进一步的，所述高反射面光程调节器，包括不透明圆柱状壳体、光纤探头、光程调节器和高反射面，不透明圆柱状壳体由硬质耐腐蚀材料制成，所述光纤探头外置于所述不透明圆柱状壳体，通过滑动所述光纤探头可以调节光程，所述不透明圆柱状壳体的端部开有小圆孔封盖，所述小圆孔封盖处安装镂空支撑架用来支撑所述高反射面，光束在所述光程调节器内，所述光纤探头和所述高反射面之间入射、反射。

本实用新型中的各部件均采用市面上常用的产品，通过各部件的组合和连接关系实现本实用新型的有益效果，其中，各部件实用的控制类程序均为现有技术中的常用方法，并不包含软件层面的改进。

本实用新型的有益效果是：测量系统结构紧凑体积小，便于携带，能够适应需要随身携带且能够现场得到测量结果的工况。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是基于光纤传感技术的透明液体浓度测量系统的结构示意图；

图2是基于光纤传感技术的透明液体浓度测量系统的反射式光纤系统的示意图；

图3是基于光纤传感技术的透明液体浓度测量系统的反射式光纤系统导光示意图；

图4是所述二级差分放大电路的电路图；

图5是所述信号处理模块的硬件电路图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。

基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量系统，包括：光源模块101，光耦合模块102，反射式光纤系统模块103，光电探测模块104，微电流放大模块105，A/D转换模块106，微控制器模块107，键盘输入模块108和寄存显示模块109。光源模块101通过光耦合器模块102连接反射式光纤系统模块103,反射式光纤系统模块103连接光电探测模块104,光电探测模块104连接微电流放大模块105,微电流放大模块105通过A/D转换模块106连接微控制器模块107,微控制器模块107还连接键盘输入模块108和寄存显示模块109。

光源模块101用于系统的初始信号发射，光源模块101发射的信号是本系统的关键，对稳定性的要求很高，然而，LED光具有波长分布广，价格低廉、体积小，亮度高，环保和坚固耐用等特点，能够满足本实用新型的要求，因此选择LED光源作为系统的信号源。

光耦合模块102，用于将光源模块101发射的初始光信号耦合到反射式光纤系统模块103中，在本实用新型中，信号源模块101和反射式光纤系统模块103的输入端面间放置相匹配的透镜系统以实现高效耦合，这里所述的透镜系统包括单透镜和望远镜透镜组。

光源模块101发出的某一波长的光束，经直径为20mm、焦距30mm的单透镜会聚后，射入望远镜组的窗口上，然后由目镜单元和物镜单元透镜组合的放大倍数到40倍。使用时，让目镜作为光束的输入端，物镜作为光束的输出端，可以实现光斑40倍的缩小，再将反射式光纤系统输入端206调整到望远镜筒输出焦点的中心位置，就实现光源模块101和反射式光纤系统模块103的最佳耦合。

反射式光纤系统模块103，在本系统中起导光作用的是反射式光纤系统模块103，反射式光纤系统模块103是由带有高反射面光程调节器206、自聚焦光纤205和多模光纤组成，利用反射式光纤系统模块103可以实现入射光和反射光的分离，光束在待测透明液体中的光程可以调节，有效避光外壳的设计，其结构如图2所示。

反射式光纤系统103，包括：输入光纤201，输出光纤202，光纤探头203，自聚焦光纤204（自聚焦光纤直径为2.1mm），自聚焦光纤205（自聚焦光纤直径为3mm），光程调节器206，高反射面211（厚度为3mm 银镜），镂空支架212以及固定螺丝213。其中，输入光纤201和输出光纤202分别粘合自聚焦光纤204，构成输入端面207和输出端面208，实现光信号的高效耦合。而光纤探头203端面则包括两部分，内层光纤209 (石英光纤，数值孔径为0.37)和外层光纤210 (石英光纤，数值孔径0.22)。光束经输入端面207由输入光纤201输送到光纤探头203端面210处，垂直入射到自聚焦光纤205端面，由自聚焦光纤205聚焦准直后垂直入射到光程调节器206中的高反射面211，自聚焦光纤205端面再次接收由反射面211反射的光束，聚焦后耦合到光纤探头203的内层光纤209输出。其光路图如图3所示，输入光束301和输出光束302。

光束在自聚焦光纤205中通过发散聚焦的不断重复交替向前传播，当自聚焦光纤205长度取自聚焦光纤205的周期长度的四分之一或者四分之一的奇数倍时，光线沿着正弦曲线的切线反向且平行于光纤轴线射出，实现自聚焦准直作用。

进入光纤探头203的内层光纤209的光束302，是经过待测透明液体样品由反射面反射后的光束302，因此必定携带了透明液体样品的信息。由于光束302的强度与待测透明液体样品浓度，即样品中的溶质含量，是有密切关系的，因此根据由输出端面208射出的光束302的强度，就可以得出待测透明液体样品的溶质含量百分比。

本系统测量透明液体样品的关键就是测量由输出端面208出射光束的强度。因此，保证它的稳定性是得到准确测量结果的关键。

影响由输出端208出射光束的强度稳定性的因素包括：

第一，由输入端201进入光纤的初始光强的稳定性，即光源模块101输出的稳定性，本系统的光信号源为LED光源，经过测定，输出电压稳定，符合测量要求；

第二，光纤探头203出射平行光束垂直入射到高反射面211，影响输出端面208出射光信号强度的因素不仅有透明液体样品的浓度，还与光纤探头203出射平行光束能否垂直入射到高反射面211有关；

因此，只有保持光纤探头203出射平行光束与高反射面211始终垂直，才能保证输出端面208出射光束的强度只与透明液体样品的浓度有关。

具体测量中，由于光纤探头203端面的外层光纤210出射的初始光束，经待测透明液体后由高反射面211反射再次经过透明液体，最后由内层光纤209经输出光纤202入射到输出端面208。因此，要想保证经反射面反射的光束高效耦合进入内层光纤209，必须保证光纤探头203出射光束与高反射面211始终保持垂直。将粘合在一起的光纤探头203和自聚焦光纤205嵌置在光程调节器206中并可以移动，既保证了以后的测量中光纤探头203与高反射面211始终保持垂直，实现了反射光束与自聚焦光纤205端面始终垂直，也能够调节光纤探头203和高反射面211之间距离，即实现透射光束在透明液体样品中的物理光程可调节，拓宽了测量范围。

从光纤探头203端面的外层光纤210出射的光束，经透明液体样品入射到高反射面211上，由高反射面211反射后，再次经透明液体样品后从光纤探头203端面内层光纤209射出。由于探头裸露在外，必然会有环境光也随着反射光一起进入光纤中。环境光不携带有任何样品的信息。因此，必须滤除环境光。

为了滤除上述的环境光，本实用新型提供了如图2所示的光程调节器206。光程调节器206可以用任何硬质耐腐蚀材料做成，将其圈成圆柱状，底面直径比光纤探头203稍大，可以外置在光纤探头203上，保证其在光纤探头203上滑动；在光程调节器206端部开有小圆孔，由被测透明液体样品进入，在小圆孔上方是支撑高反射面211的镂空支撑架212，反射面直径远大于小圆孔直径，且小于光程调节器206直径，此设计可以滤除环境光，便于测量；同时，在固定光纤探头的材料上刻有标度，这样可以观察到光程调节器206移动的距离，即光束在透明液体样品中的物理光程，测量过程中由固定螺丝213实现固定。

光电探测模块 104，用于将从透明溶液中采集到光信号转换成电信号，具体为光电二极管。从反射式光纤系统模块103输出光纤201射出的光束302，经自聚焦光纤205聚焦准直后，入射到光电二极管表面上，由光电二极管将光信号装换成电信号。光电二极管和自聚焦光纤205粘合在一起并密封在一个暗盒中，以避免外界光的影响。光强度不同，则光电流的强度也不同，二者成正比。

微电流放大模块 105，用于放大光电流信号并转换为电压信号，本实用新型中采用高增益的ICL7650运放来实现微弱光电流信号的放大转换。ICL7650是采用CMOS工艺集成的斩波稳零高精度运放，能够满足输入阻抗远大于反馈电阻、偏置电流小于被测电流、失调电压和漂移小、增益与共模抑制比高、噪声小等运放的要求。基于ICL7650微电光流二级放大电路如图4所示，由光电二极管前置放大测量支路、光电二极管前置放大参考支路和二级放大电路组成。R1为ICL7650输入限流保护电阻，C1与R2组成反馈补偿网络，降低带宽，防止R2，R3，R4以及C2相移产生自激振荡，R3与C2用来滤去ICL7650的斩波尖峰噪声；而较小电阻R2，R3与R4，构成T型网络结构产生高阻反馈，以提高增益的稳定性和精度，减小噪声，此时输出电压U1= -IS *(R2+R4+ R2*R4/ R3)。

其中，参考支路由一个密封平面镜窗口的硅光电二极管和光电二极管前置放大电路，输出电压为U2。参考支路和测量支路完全是一种对称设计，将两支路在二级放大电路中再做一次差分放大，则外界因素对元器件参数漂移的影响即可消除，二级放大电路输出电压Uout= (1+ R3/ R1) *R4* U1/ (R3+R3) - R4*U2/ R3。二级放大模块中采用ICL 7650运放,放大倍数就为2，改变反馈电阻值，可以改变放大倍数，实际上二级放大只是起辅助放大作用，关键是减少外界环境对系统测量的影响，而整个系统电路实际放大主要是由光电流信号前置放大模块完成的。

A/D转换模块106，用于将输出的模拟电压信号转为数字信号。选用MC14433作为信号转换模块中的A/D转换器106，它是美国Motorola公司推出的三位半双积分式A/D转换器，其中集成了所有的CMOS模拟电路和数字电路，具有抗干扰强，输入阻抗高（1000MΩ），转换速度快（1-10次/秒）等特点。MC14433的模拟量输入由引脚VX输入，输入量程有199.9mV和1.999V两种，对应的输入基准电压由VR引脚输入，基准电压分别为200mV和2V。根据被测透明溶液吸收光强所对应的电压范围，选取适当量程。MC14433的基准电压由集成稳压芯片MC1403提供。MC1403的输出电压经过可变电阻分压，将分压后的电压连接到A/D转换器基准电源端VR。选用MC14433作为A/D转化器，采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码分时在Q0-Q3轮流输出，同时在DS1-DS4端输出同步字位选通脉冲，来获得A/D转换数据。

微控制器模块107，用于对A/D转换器106输出数据的处理。如图5所示，硬件部分中数据处理器501，采用8051系列中的通用处理器AT89C52，含有8k字节的只读程序存储器（PEROM）和256字节的随机读取数据存储器（RAM）。 MC14433的多路选通脉冲输出端口与BCD码数据输出端引脚和单片机的P1相连。当MC14433的数据转换结束相关引脚DU和EOC短接，同时和单片机外部中断口INT1相连接，采用查询或中断方法实现处理器对数模转化器的数据读取。

寄存显示模块109，采用串行静态显示，利用单片机的两个I/O接口和四个74LS164移位寄存器实现四位LED显示。四片移位寄存器首尾相连，当第一个8个时钟脉冲到来后，数据从单片机的串行输入口RXD进入第一片74LS164移位寄存器中，当第二个8个时钟脉冲到来后，第一移位寄存器中的数据移位到第二片中，而新的数据则从RXD端进入第一移位寄存器中；当第四个8个时钟脉冲到来后，完成数据的显示，首次送出的数据出现在最右边的移位寄存器中，最后送出的数据出现在最左边的移位寄存器中，完成数据的显示。

本实用新型的有益效果包括：

1、测量方法无需依赖体积庞大的高额大型设备，测量系统结构紧凑，价格相对低，且便于维护，使得测量成本降低，便于随身携带和推广使用；

2、测量方法的操作易于上手，测量耗时短，能够实现测量的实时性；

3、测量系统可以根据不同溶质吸收波长，采用不同LED光源和光电二极管，能够适应广泛的测量溶质种类，具有针对性强，灵敏度高，测量准确性好的优点；

4、进入测量液体中光程可以调节，可以实现不同溶液浓度的准确测量，拓展测量范围；

5、测量装置轻小，易携带，智能化，不受外界环境干扰，可进行现场实时测量，使用操作易于上手，清洗和维护方便；

6、LED光源、多模光纤和光电二极管等，工作性能可靠，并且成本低廉。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量系统，其特征在于，包括：光源模块，光耦合模块，反射式光纤系统模块，光电探测模块，微电流放大模块，A/D转换模块，微控制器模块，键盘输入模块和寄存显示模块,所述光源模块通过所述光耦合器模块连接所述反射式光纤系统模块,所述反射式光纤系统模块连接所述光电探测模块,所述光电探测模块连接所述微电流放大模块,所述微电流放大模块通过所述A/D转换模块连接所述微控制器模块,所述微控制器模块还连接所述键盘输入模块和所述寄存显示模块。

2.根据权利要求1所述的基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量系统，其特征在于，所述反射式光纤系统模块，包括：输入光纤，光纤探头，自聚焦光纤，高反射面光程调节器，输出光纤。

3.根据权利要求2所述的基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量系统，其特征在于，所述自聚焦光纤与所述输入光纤粘合构成光束输入端，所述自聚焦光纤与所述输出光纤粘合构成光束输出端，所述输入光纤构成光纤探头外层光纤，所述输出光纤构成光纤探头内层光纤，所述光纤探头外层光纤和光纤探头内层光纤与所述自聚焦光纤粘合后，能够实现所述光束准直平行出射和聚焦入射的功能。

4.根据权利要求2所述的基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量系统，其特征在于，所述高反射面光程调节器，包括不透明圆柱状壳体、光纤探头、光程调节器和高反射面，所述光纤探头外置于所述不透明圆柱状客体，通过滑动所述光纤探头调节光程，所述不透明圆柱状壳体的端部开有小圆孔封盖，所述小圆孔封盖处安装镂空支撑架用来支撑所述高反射面，光束在所述光程调节器内，所述光纤探头和所述高反射面之间入射、反射。