CN217585894U - 透明液体浓度的测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光学检测技术领域，具体涉及一种透明液体浓度的测量系统，包括光学系统和接收单元，光学系统包括光源、空心三棱镜和反射镜；空心三棱镜，用于放置透明液体；反射镜，用于进行所述光源发出的光束经空心三棱镜折射后的折射光束反射，得到反射光束；调节机构，用于带动空心三棱镜转动，反射镜与所述空心三棱镜同步转动，调节机构带动检测单元转动，其与所述空心三棱镜和反射镜同步转动，以在反射镜从转盘上拆卸后，用于检测所述空心三棱镜的折射光束的出射角度；所述接收单元，用于接收透射光束与反射光束。即本发明的方案利用空心三棱镜进行透明液体的浓度测量时，通过调节机构自动进行空心三棱镜的调节，能够更加方便、简单地实现透明液体的浓度测量。

Description

透明液体浓度的测量系统

技术领域

本实用新型涉及光学检测技术领域，具体涉及透明液体浓度的测量系统。

背景技术

浓度是衡量工业产品质量的一项非常重要的指标，是液体物质的一个重要物理参数。因此，在化工、医药、食品等行业的生产以及在一些科学研究中，经常需要精确定量测量液体中特定物质的浓度。

传统测量液体浓度的方法主要有比重法、化学分析法、超声波法、光学方法等。其中光学方法是采用光学系统、信号接收两部分构成，即光源发出的光束，经透镜准直后通过狭缝，入射到三棱镜，折射光经分光计后，一部分至观察屏直接观察读数，另一部分直CCD，将其输出信号送至计算机，得到浓度值。

上述采用的光学方法进行浓度的测量虽然方便，快捷，但是需要采用分光计进行光束分光，得到两路光路，其中一路光路打到观察屏进行角度的读取，由于存在读数误差，容易导致浓度测量不准确；且光学测量系统过于复杂，成本相对较高，容易受环境等影响，导致精度不高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种透明液体浓度的测量系统，用以解决现有的测量透明液体浓度的测量系统复杂，检测精度不高的问题。

本实用新型的一种透明液体浓度的测量系统，包括光学系统和接收单元，所述光学系统包括光源、转盘、空心三棱镜和反射镜；所述空心三棱镜，用于放置透明液体；

所述反射镜，用于进行所述光源发出的光束经空心三棱镜折射后的折射光束反射，得到反射光束；

所述反射镜与所述空心三棱镜均设置在所述转盘上，并实现同步转动，使光源发射的光束经所述空心三棱镜透射后的透射光束与所述反射光束平行；

所述测量系统还包括检测单元，所述检测单元设置在所述转盘上，并与所述空心三棱镜和反射镜同步转动，以在所述反射镜从转盘上拆卸后，用于检测所述空心三棱镜的折射光束的出射角度；

所述接收单元，用于接收所述透射光束与反射光束。

进一步地，所述反射镜与所述转盘可拆卸连接。

进一步地，所述反射镜与所述空心三棱镜的顶角对应的底边紧邻。

进一步地，所述接收单元包括固定导轨和光屏，所述固定导轨上固定设置有玻纤板，并在固定导轨上进行滑动，所述光屏设置在固定导轨后方，且光屏的延伸方向与固定导轨平行。

进一步地，所述光源发射出的光束方向与所述固定导轨方向相互垂直。

进一步地，所述光源为激光光源。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型利用空心三棱镜进行透明液体的浓度测量时，通过进行空心三棱镜的调节，能够更加方便、简单地实现透明液体的浓度测量。

2、本实用新型将转盘上的反射镜设置为可拆卸的结构，能够在不使用时进行方便拆卸，便于后续利用CCD进行透明液体的浓度测量，无需采用分光计进行分光，不仅简化了系统结构，能够更直观、清楚地对测量结果进行判定。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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附图。

图1为本实用新型的一种透明液体浓度的测量系统的俯视示意图；

图2为最小偏向角光路示意图；

图3为本实用新型的空心三棱镜和反射镜的光路示意图；

图4为本实用新型的测量系统在透明液体浓度为0时检测到的空心三棱镜出射角的偏转量；

图5为本实用新型的测量系统在透明液体浓度为2％时检测到的空心三棱镜出射角的偏转量；

图6为本实用新型的测量系统在透明液体浓度为4％时检测到的空心三棱镜出射角的偏转量；

图7为本实用新型的测量系统在透明液体浓度为6％时检测到的空心三棱镜出射角的偏转量；

图8为本实用新型的测量系统在透明液体浓度为8％时检测到的空心三棱镜出射角的偏转量；

图9为本实用新型的测量系统在透明液体浓度为10％时检测到的空心三棱镜出射角的偏转量；

附图标号：1-光源，2-转盘，3-空心三棱镜，4-反射镜，5-CCD，6-固定导轨，7-光屏。

具体实施方式

为了更进一步阐述本实用新型为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本实用新型的方案的具体实施方式、结构、特征及其功效进行详细说明。

如图1，本实用新型的一种透明液体浓度的测量系统包括光学系统和接收单元。

其中光学系统包括光源1、转盘2、空心三棱镜3、反射镜4和调节机构；空心三棱镜3，用于盛放透明液体；反射镜4，用于进行光源1发出的光束经空心三棱镜3折射后的折射光束反射，得到反射光束。

其中空心三棱镜3和反射镜4均设置转盘2上，进行同步转动，且反射镜4与空心三棱镜3的顶角对应的底边紧邻，使光源1发射的光束经空心三棱镜3透射后的透射光束与反射光束平行。

本实用新型空心三棱镜3的内部是中空结构，其采用无折射率大小限制的透明材料，且其光入射面和出射面夹角等于A；使用时，将空心三棱镜3置于转盘2上。本实施例中的空心三棱镜为等边三角形，边长25mm、高度76mm、厚度1mm。

需要说明的是，空心三棱镜3顶角α决定了折射率测量范围，顶角α不同，测量范围不同。当棱镜顶角α＝30°时，液体折射率测量范围为：1.0000～3.8600。

进一步地，转盘上还设置有检测单元，其中检测单元为CCD 5，用于在透射光束与反射光束平行后，拆下反射镜4，检测折射光束的出射角。其中，CCD 5的型号TCD1304为，尺寸大小为46*24mm(长*宽)。

其中的接收单元，包括固定导轨6和光屏7，用于接收透射光束与反射光束形成的光斑，以此判断透射光束与反射光束是否平行，并进行透明液体的浓度的测量。其中，固定导轨6 上还需固定一块0.2mm厚的玻纤板(长和宽的尺寸为10cm×10cm)；本实施例中调整光源方向和固定导轨6的位置，直至玻纤板两侧出现两条淡淡的光痕，且放置在固定导轨6后的光屏7上出现被一分为二的光斑时，判定透射光束与反射光束平行。

需要说明的是，本实用新型的光源1发射出的光束方向与固定导轨6所在的方向相互垂直，用以限制两者的相对位置。

上述中的光源1的型号KYD650N5-T1030，φ10×30mm(直径*长度)，可内调焦，接5V1A 电源；当然作为其他实施方式，还可以采用激光光源，如He-Ne激光器，当然本实施例中的光源1还可以根据实际情况进行设置。

本实用新型的测量系统的工作过程为：

首先，检查装置是否完整，对装置进行调节。打开固定光源的电源，使光束能够打在CCD5 的检测区。

其次，测量系统搭建后，利用望远镜进行自准直测试，具体准直过程为现有技术，此处不再过多介绍；

然后，将浓度为零的透明液体倒入空心三棱镜3中，转动转盘2，调整反射镜4反射光和固定导轨6垂直，即与单独光源1发出的光束的方向平行(平行的依据：卡片两侧有光路，在光屏上光点一分为二)，此时处于最小偏向角位置，拆下反射镜，记录此时空心三棱镜3折射的光线打在CCD上的数据，也即获取光束的出射角，根据出射角进行透明液体的浓度的计算。

最后，改变浓度时更换其他浓度的透明溶液，重复上述步骤，记录数据。

当然作为其他实施方式，本实用新型的线性CCD5还连接数据处理模块，用于进行透明液体浓度的计算，数据处理模块连接显示器，将数据处理后的浓度值直接通过显示器进行可视化显示。

上述测量系统在进行透明液体浓度的测量时，依据的是最小偏向角原理实现的，如图2 所示；下面对根据最小偏向角原理进行透明液体浓度的获取的过程进行说明：

首先，在满足最小偏向角时，透明液体的折射率n与最小偏向角δ_min、棱镜顶角α有关，即

由于透明液体浓度与折射率n有关，所以在棱镜顶角α一定时，透明液体的浓度引起的偏向角变化，即Δθ＝δ-δ0，其中，δ是任意浓度下的最小偏向角，δ0是m_c＝0时的最小偏向角。

如图3所示，判定最小偏向角的条件为：入射光Ⅰ与反射光Ⅱ平行。因此在本实施例中，只要判定入射光Ⅰ与反射光Ⅱ平行，就可准确测量透明液体的浓度。

其次，根据偏向角变化与透明液体的浓度的关系，进行线性拟合，其中拟合表达式为：

m_c＝a+θ (2)

其中a,b为待定系数。

上述步骤中采用线性拟合的原因是由于偏向角变化缓慢，可以认为两者近似于线性关系。

然后，在测量时利用CCD检测出出射角偏转，从而表示出最小偏向角变化，其中偏向角达到最小值δ_min与入射角i₁、出射角i₂、棱镜顶角α的关系式

将上述中计算出的偏向角最小值与浓度为0时的最小偏向角的差值，带入公式(2)中，得到当前透明液体的浓度。

上述步骤中的利用曲线拟合方法确定m_c-Δθ的函数关系，是通过精确配置若干组已知浓度的透明液体样品，逐一测出相应的偏转角，得[x_i,y_i]，i＝1、2…N。其中横坐标x表示最小偏转角变化量Δθ_i，纵坐标y表示浓度m_ci，N为不同透明液体浓度的组数。

由下述线性回归公式

得出系数a和b。

具体地，本实施例以配置10组不同浓度的透明液体样本为例，对上述拟合的浓度与偏向角变化量进行说明：

1)配置高浓度的透明液体样本，将高浓度的透明液体样本分别制作成10种阶段的稀释品后每份进行2次测定，确认高浓度测定的可能范围，获取对应的曲线。

其中图4-图9分别为透明液体浓度为0％(也即三棱镜中无液体)、2％、4％、6％、8％和 10％时检测出的曲线数据。

需要说明的是，多组标准液的浓度范围较宽，所测标准管的个数多，一般先进行线性试验，然后在线性范围内制备标准曲线。

通过预测值减去真实值后除以真实值求得的百分比值，来判断可行的浓度范围，如果误差超过10％，则超出线性范围。

2)对检测出的不同浓度的透明液体的曲线数据进行预处理，即离群点判断和处理：利用标准化残差判断离群点并予以删除，获取可以进行线性拟合的数据，如下表1所示；根据表1的线性拟合的数据，利用公式(3)计算出对应的最小偏转角，如表2所示。

其中，标准化残差是残差除以其标准差后得到的数值，也称残差或半学生化残差,用Z_e表示，第i个观察值的标准化残差为：

其中，s_e是残差的标准差的估计。

如果误差项服从正态分布的这一假定成立，则标准化残差的分布也服从正态分布。大约有95％的标准化残差在-2～2之间。超出这个范围的称为离群点，需要删除。

表1

浓度C	CCD偏转量
		0％	174/3647
2％	115/3647
		4％	165/3647
6％	317/3647
		8％	389/3647
10％	469/3647

表2

浓度(y)	0％	2％	4％	6％	8％	10％
							θ	8.20	8.72	8.94	9.77	9.97	10.32
Δθ(x)		0.52	0.74	1.57	1.77	2.02

根据表2的数据，可计算出系数a和b的值，也即

至此，得到了公式(2)的具体表达式：

根据具体的表达式，计算透明液体的理论浓度值，计算理论浓度值以及实际浓度值的误差，如表3所示。由表3可知，透明液体的浓度越小，测量系统的误差越大，透明液体的浓度较大时，测量系统的误差小。

表3

本实用新型的测量系统是以空心三棱镜3中透明液体的最小偏向角与其浓度之间存在的关系为基础进行方案设计、装置搭建、数据分析，并创新性地避免了分光计的使用，使过程更加简便、直观且快速；且装置结构简单易组装，并通过多组数据测量和处理证明了实验装置的可行性，具备透明液体浓度的快速测量能力。

进一步地，实验装置的测量范围和测量精度仍有提升空间，可通过3D打印定制固定组件，调整CCD宽度，提高光源质量等方式加以改善。此外，基于该方案，具备搭建一种小巧便携式的透明浓度测量仪的可行性，可用于各种透明液体浓度的快速测量。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种透明液体浓度的测量系统，包括光学系统和接收单元，其特征在于，所述光学系统包括光源、转盘、空心三棱镜和反射镜；所述空心三棱镜，用于放置透明液体；

所述反射镜，用于进行所述光源发出的光束经空心三棱镜折射后的折射光束反射，得到反射光束；

所述反射镜与所述空心三棱镜均设置在所述转盘上，并实现同步转动，使光源发射的光束经所述空心三棱镜透射后的透射光束与所述反射光束平行；

所述测量系统还包括检测单元，所述检测单元设置在所述转盘上，并与所述空心三棱镜和反射镜同步转动，以在所述反射镜从转盘上拆卸后，用于检测所述空心三棱镜的折射光束的出射角度；

所述接收单元，用于接收所述透射光束与反射光束。

2.根据权利要求1所述的一种透明液体浓度的测量系统，其特征在于，所述反射镜与所述转盘可拆卸连接。

3.根据权利要求2所述的一种透明液体浓度的测量系统，其特征在于，所述反射镜与所述空心三棱镜的顶角对应的底边紧邻。

4.根据权利要求1所述的一种透明液体浓度的测量系统，其特征在于，所述接收单元包括固定导轨和光屏，所述固定导轨上固定设置有玻纤板，并在固定导轨上进行滑动，所述光屏设置在固定导轨后方，且光屏的延伸方向与固定导轨平行。

5.根据权利要求4所述的一种透明液体浓度的测量系统，其特征在于，所述光源发射出的光束方向与所述固定导轨方向相互垂直。

6.根据权利要求5所述的一种透明液体浓度的测量系统，其特征在于，所述光源为激光光源。

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