CN219532908U - 一种基于旋光度测量透明液体浓度的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于旋光度测量透明液体浓度的装置，属于液体浓度测量装置设计技术领域，包括依次设置于载物台上的激光光源、起偏器、石英比色皿、检偏器和激光功率计；利用所述激光光源发射激光；利用起偏器处理激光，得到第一偏振光；利用盛放有透明液体的石英比色皿处理第一偏振光，得到旋光转角光；利用检偏器处理旋光转角光，得到第二偏振光；利用激光功率计监测第二偏振光的激光功率；本实用新型根据旋光度与透明溶液浓度的函数关系，利用激光光源通过未知浓度的透明溶液，并使用功率计得到衰减后的光强，解决了现有技术通过光学方法测量透明溶液浓度精度不足且成本过高的问题。
Description
技术领域
本实用新型属于液体浓度测量装置设计技术领域，尤其涉及一种基于旋光度测量透明液体浓度的装置。
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、超声波法和光学方法等。其中，光学方法通常是采用光学系统和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，另一部分至电子耦合器件CCD，将其输出信号送至计算机，得到浓度值；但上述光学方法进行浓度的测量虽然方便快捷，但容易存在读数误差导致浓度测量不准确，且光路复杂，成本相对较高，易受环境影响；
偏振光通过某些晶体或物质的溶液时，其振动面以光的传播方向为轴线发生旋转的现象，称为旋光现象；旋光物质能使偏振光的振动面旋转一定角度，当有一束线偏振光通过某些透明物质时，其偏振方向会转过一定的角度并发生旋光现象，利用旋光溶液的旋光性，通过对透明溶液旋光度的测量，能够分析确定透明液体的浓度。
实用新型内容
针对现有技术中的上述不足，本实用新型提供的一种基于旋光度测量透明液体浓度的装置，根据旋光度与蔗糖溶液浓度的函数关系，利用激光光源通过未知浓度的透明溶液，并使用功率计得到衰减后的光强，解决了现有技术通过光学方法测量透明溶液浓度精度不足且成本过高的问题。
为了达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案为：
本发明提供的一种基于旋光度测量透明液体浓度的装置，包括依次设置于载物台上的激光光源、起偏器、石英比色皿、检偏器和激光功率计；
利用所述激光光源发射激光；利用起偏器处理激光，得到第一偏振光；利用盛放有透明液体的石英比色皿处理第一偏振光，得到旋光转角光；利用检偏器处理旋光转角光，得到第二偏振光；利用激光功率计监测第二偏振光的激光功率。
进一步地，所述激光光源、起偏器、石英比色皿、检偏器和激光功率计的受光探头的中心位置均等高同轴。
进一步地，所述激光光源采用波长为633nm的红色半导体激光器。
进一步地，所述起偏器和检偏器均采用通光孔径为22mm，厚度为2mm，消光比为500:1的偏振器；所述起偏器所在平面与检偏器所在平面相互平行；所述起偏器与检偏器的偏振角度相互垂直。
进一步地，所述石英比色皿采用光程为10cm，透光率大于80％，适用波长范围为200nm-2500nm，透光玻璃厚度为1.25mm，长、宽、高分别为12.5mm、102.5mm、45mm的透明石英比色皿。
进一步地，所述激光功率计包括受光探头和与受光探头连接的激光功率计主机；
所述受光探头采用硅光电二极管；
所述激光功率计主机采用测量范围为0μW-39.99mW，激光波长范围为400nm，测量精度为±5％的光学功率计主机。
本实用新型的有益效果为：本实用新型提供的一种基于旋光度测量透明液体浓度的装置，光学原理设计新颖，不受实验条件局限，易于实现清晰的旋光现象，实验装置成本较低，环保节能，可循环使用，有较高的测量精度。
附图说明
图1为本实用新型实施例中一种基于旋光度测量透明液体浓度的装置的结构示意图。
图2为本实用新型实施例中旋光率测量结果示意图。
图3为本实用新型实施例中利用origin线性拟合得到的旋光度与蔗糖浓度函数关系图像。
其中，1、激光光源；2、起偏器；3、石英比色皿；4、检偏器；5、激光功率计。
具体实施方式
下面对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。
偏振光：光是一种电磁波，电磁波是横波。而振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面，光的振动面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或线偏振光。而我们的实验主要研究线偏振光。
旋光性物质：能使偏振光的振动面旋转一定角度的物质称为旋光物质。
如图1所示，在本实用新型的一个实施例中，本实用新型提供一种基于旋光度测量透明液体浓度的装置，包括依次设置的激光光源1、起偏器2、载物台、石英比色皿3、检偏器4和激光功率计5；
利用所述激光光源1发射红色激光；利用起偏器处理红色激光，得到第一偏振光；利用盛放有透明液体的石英比色皿3处理第一偏振光，得到旋光转角光；利用检偏器4处理旋光转角光，得到第二偏振光；利用激光功率计5监测第二偏振光的激光功率；
所述激光光源1采用波长为633nm的红色半导体激光器；
所述起偏器2和检偏器4均采用通光孔径为22mm，厚度为2mm，消光比为500:1的偏振器；所述起偏器2所在平面与检偏器4所在平面相互平行；所述起偏器2与检偏器4的偏振角度相互垂直；
所述石英比色皿3采用光程为10cm，透光率大于80％，适用波长范围为200nm-2500nm，透光玻璃厚度为1.25mm，长、宽、高分别为12.5mm、102.5mm、45mm的透明石英比色皿3；
所述激光功率计5包括受光探头和与受光探头连接的激光功率计主机；
所述受光探头采用硅光电二极管；
所述激光功率计主机采用测量范围为0μW-39.99mW，激光波长范围为400nm，测量精度为±5％的光学功率计主机。
本实用新型的工作原理为：
预步骤包括起偏器2与检偏器4的调零、测量无石英比色皿3时的入射光强和测量经过石英比色皿3的光强：
起偏器2与检偏器4调零的具体方法如下：
使起偏器2与检偏器4所在平面相互平行，起偏器2和检偏器4的偏振方向相互垂直，此时，缓慢转动检偏器4，可以看到激光功率计5显示屏的示数逐渐降低，当示数减小到0时，说明起偏器2和检偏器4的偏振方向相互垂直，至此，起偏器2与检偏器4的调零完成(调零过程中不设置石英比色皿3)；调零过程中保证起偏器2与检偏器4的偏振方向不变，激光光源1经过起偏器2和检偏器4投射到激光功率计5受光探头的受光面，由于起偏器2与检偏器(4)的偏振方向相互垂直，此时功率计显示屏示数为零；
起偏器2与检偏器4调零后，对入射光强进行测量：
先将受光探头放在起偏器2远离激光光源1的一侧，并测量入射线偏振光的光强，本实施例中，测得激光功率计主机的示数为0.912毫瓦；本实施例中，为使测量精准，保持激光光斑在受光探头中心位置，且入射方向与受光面垂直，使探头受光面的反射光不直接反射到激光光源1的发射口，数据读取稳定；
完成入射光强测量后，将空的石英比色皿3设置于载物台上，并调整石英比色皿3，使其与激光光源1与起偏器2、检偏器4、激光功率计5受光探头中心位置等高同轴，此时，在接收屏上能够看到激光光斑亮度变暗，表面激光光源1经过石英比色皿3左右两个玻璃面时在空气与玻璃界面发射多次反射、折射使光强减弱，通过功率计的示数能够确定光强变小，并利用激光功率计5检测得到初始激光功率数值；
在进行预步骤后将激光光源1、起偏器2、石英比色皿3、检偏器4和激光功率计5依次设置于载物台上，确定激光光源1、起偏器2、石英比色皿3、检偏器4和激光功率计5的受光探头的中心位置均等高同轴，并基于旋光度进行透明液体浓度的测量：
步骤一、向石英比色皿3内放置已知浓度c的透明液体介质，并开启激光光源1，使激光依次经过起偏器2、载有液体介质的石英比色皿3、检偏器4至激光功率计5的受光探头，此时产生旋光现象，检偏器4的光点变暗；
步骤二、转动检偏器4，并同时利用激光功率计5检验激光功率，直至激光功率计5测得功率与初始激光功率数值一致时，停止转动激光检偏器4，且根据旋光角零点值，得到检偏器4转动形成的旋光角；
步骤三、基于液体介质的总光程L、已知浓度c的透明液体介质，得到本实用新型提供的基于旋光度测量透明液体浓度的装置的旋光率；
步骤四、通过线性拟合构建旋光度与蔗糖溶液浓度的函数关系，根据图像斜率得到透明液体介质的旋光率；本实施例中采用蔗糖溶液作为透明液体介质；
本实施例中，已知纯蔗糖近饱和水溶液浓度约85％(g/ml)即64.7％(g/g)，室温T＝20℃，激光器波长λ＝633nm，溶液的光程L′＝10cm；
如图2所示，本实施例中，将I0为入射线偏振光光强(mw)，Ii为透射光光强(mw)，为背景浓度的旋光度，即以0％浓度水溶液作为基础值，旋光溶液旋光度/>为光源通过待测溶液和石英比色皿3左右两个透明面后总的旋光度(°)，进行实验获取由旋光度与蔗糖浓度的函数关系，得到旋光率测量结果；
如图3所示，根据旋光率测量结果利用origin线性拟合，由图像斜率可以得出蔗糖溶液的旋光率；当激光光源1通过未知浓度的蔗糖溶液，激光功率计5测量得到衰减后的光强，并根据修正式求得未知蔗糖溶液的浓度：
所示修正式的计算表达式如下：
其中，C表示旋光溶液浓度，P表示受光探头接收到的激光功率值，P0表示初始激光功率数值，α表示旋光率，L″表示光源在溶液中的总光程，Ii表示透射光光强，Il表示蔗糖溶液透射光光强，I0表示入社偏振光光强；
在已知旋光度的计算表达式的情况下，利用本实用新型提供的基于旋光度测量透明液体浓度的装置对位置浓度液体进行浓度测量；
旋光度计算表达式如下：
其中，表示透明溶液的旋光度，α表示旋光率，L″表示光源在透明溶液中的总光程，C表示旋光溶液浓度，k表示旋光度与浓度比例系数；
经过多次测量与旋光率相对和绝地不正确验证，得到本实施例中蔗糖溶液的旋光率为：
代入测量数据，可求出：蔗糖溶液旋光度的绝对不确定度，旋光率的相对不确定度和绝对不确定度；
最终，根据蔗糖溶液的旋光率和旋光率最大相对不确定度，说明本方案的测量方法得到的测量值和理论值基本相符，测量精度较高。
本实施例中，将零浓度水溶液的测量包含在调零内，减除实验测量时除以上干扰因素以及还尚未确定的其他干扰因素对实验结果的影响，无需在数据处理中再进行检测和计算，只需要测量蔗糖溶液，得到透射光光强即为经过蔗糖溶液衰减后的光强，通过这种测量方式在实际测量工作中，能够提高后期溶液检测的工作效率，简化数据处理的复杂性；为了验证理论和实验吻合程度、数据完整性以及研究的系统性，本方案提供了详细的实验过程和数据处理过程；本实施例中激光光源1单色性好，具有开放式测量环境，旋光现象清晰可见，且使用激光功率计5代替人眼调零和读数，减小误差；考虑到透光率、吸收率和反射率等情况，线性拟合后实验与理论吻合较好，实验装置传感灵敏度高，单位浓度变化量对应的可测量值区间范围大、测量分辨率优于0.03％，最小精度值为0.002(±0.001)。
Claims (6)
1.一种基于旋光度测量透明液体浓度的装置，其特征在于，包括依次设置于载物台上的激光光源(1)、起偏器(2)、石英比色皿(3)、检偏器(4)和激光功率计(5)；
利用所述激光光源(1)发射激光；利用起偏器处理激光，得到第一偏振光；利用盛放有透明液体的石英比色皿(3)处理第一偏振光，得到旋光转角光；利用检偏器(4)处理旋光转角光，得到第二偏振光；利用激光功率计(5)监测第二偏振光的激光功率。
2.根据权利要求1所述的基于旋光度测量透明液体浓度的装置，其特征在于，所述激光光源(1)、起偏器(2)、石英比色皿(3)、检偏器(4)和激光功率计(5)的受光探头的中心位置均等高同轴。
3.根据权利要求1所述的基于旋光度测量透明液体浓度的装置，其特征在于，所述激光光源(1)采用波长为633nm的红色半导体激光器。
4.根据权利要求1所述的基于旋光度测量透明液体浓度的装置，其特征在于，所述起偏器(2)和检偏器(4)均采用通光孔径为22mm，厚度为2mm，消光比为500:1的偏振器；所述起偏器(2)所在平面与检偏器(4)所在平面相互平行；所述起偏器(2)与检偏器(4)的偏振角度相互垂直。
5.根据权利要求1所述的基于旋光度测量透明液体浓度的装置，其特征在于，所述石英比色皿(3)采用光程为10cm，透光率大于80％，适用波长范围为200nm-2500nm，透光玻璃厚度为1.25mm，长、宽、高分别为12.5mm、102.5mm、45mm的透明石英比色皿(3)。
6.根据权利要求1所述的基于旋光度测量透明液体浓度的装置，其特征在于，所述激光功率计(5)包括受光探头和与受光探头连接的激光功率计主机；
所述受光探头采用硅光电二极管；
所述激光功率计主机采用测量范围为0μW-39.99mW，激光波长范围为400nm，测量精度为±5％的光学功率计主机。
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| CN117269080A (zh) * | 2023-09-20 | 2023-12-22 | 秦皇岛卓安科技有限公司 | 一种有机物检测激光传感器 |
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