TWI485384B

TWI485384B - 鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置及檢測方法

Info

Publication number: TWI485384B
Application number: TW102114966A
Authority: TW
Inventors: Jian Neng Wang; Ching Ying Luo
Original assignee: Univ Nat Yunlin Sci & Tech
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2015-05-21
Also published as: TW201441597A

Description

鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置及檢測方法

本發明係有關於一種檢測裝置，特別係有關於一種鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置及檢測方法。

鈣離子與氫氧化鈣檢測可應用於各種工程領域，包括建築土木工程中混凝土之水質、粒料、新拌混凝土或硬固混凝土中鈣離子與氫氧化鈣檢測、房屋結構、橋梁、鋪面、海洋港灣工程、水工結構相關基礎設施等。除此之外，防蝕工程或工業相關部門亦需使用鈣離子與氫氧化鈣檢測之相關應用。更甚者，醫學工程和生物相關領域也需要使用到鈣離子與氫氧化鈣檢測。

傳統鈣離子與氫氧化鈣檢測係使用化學滴定方法或電化學方式，如離子選擇電極法(ion selective electrodes，簡稱ISE)。然而，此種檢測技術具有操作程序複雜、檢驗試劑造成污染、無法進行即時量測、人為誤差大等諸多缺點。

根據上述，業界需要低成本、簡單、可即時控之鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置及鈣離子與氫氧化鈣檢測方法。

根據上述，本發明提供一種鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置，包括一光源；一光學干涉儀，與光源連接；及一光學分析儀，與光學干涉儀連接。

本發明提供一種鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置，包括；一光源；一光耦合器，與光源連接；一光學干涉儀，與光耦合器連接；一反射單元，與光學干涉儀連接；及一光學分析儀，與光耦合器連接。

本發明提供一種檢測鈣離子與氫氧化鈣之方法，包括：配置一光學干涉儀於一待測試樣槽中，配置一光源與和光學干涉儀連接，且配置一光學分析儀與光學干涉儀連接；以光源提供一光線，使光線通過待測試樣槽中之光學干涉儀，傳導至光學分析儀；使用光學分析儀分析上述光線得到一數據；及以一計算單元根據上述數據，推算待測試樣槽中之液體的鈣離子與氫氧化鈣濃度。

本發明提供一種檢測鈣離子與氫氧化鈣之方法，包括：配置一光源連接一光耦合器，配置一光學干涉儀於一待測試樣槽中，且使光學干涉儀連接光耦合器，配置一反射單元連接光學干涉儀，配置一光學分析儀連接光耦合器；以光源提供一光線，使光線傳導至反射單元，產生一反射光線；使反射光線經由光耦合器分配至光學分析儀；使用光學分析儀分析反射光線，得到一數據；及以一計算單元根據數據，推算待測試樣槽中之液體的鈣離子與氫氧化鈣濃度。

100‧‧‧鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置

102‧‧‧光源

104‧‧‧光學干涉儀

106‧‧‧待測試樣槽

108‧‧‧光學分析儀

110‧‧‧計算單元

112‧‧‧光纖

114‧‧‧光纖

116‧‧‧線路

500‧‧‧鈣離子與氫氧化鈣檢測方法

S502~S508‧‧‧步驟

600‧‧‧鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置

602‧‧‧光源

604‧‧‧光耦合器

606‧‧‧反射單元

608‧‧‧光學干涉儀

610‧‧‧光學分析儀

612‧‧‧計算單元

614‧‧‧光纖

616‧‧‧光纖

617‧‧‧光纖

618‧‧‧光纖

620‧‧‧線路

622‧‧‧待測試樣槽

700‧‧‧鈣離子與氫氧化鈣檢測方法

S702~S710‧‧‧步驟

第1圖係顯示本發明一實施例之穿透式鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置結構示意圖。

第2圖和第3圖係顯示不同鈣離子與氫氧化鈣濃度之液體不同波長光線之功率變化曲線圖。

第4圖係顯示不同鈣離子與氫氧化鈣濃度之液體的波長飄移圖。

第5圖係本發明一實施例中鈣離子與氫氧化鈣檢測方法流程圖。

第6圖係顯示本發明一實施例之反射式鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置結構示意圖。

第7圖係顯示本發明另一實施例中鈣離子與氫氧化鈣檢測方法流程圖。

下文為介紹本發明之最佳實施例。各實施例用以說明本發明之原理，但非用以限制本發明。本發明之範圍當以後附之權利要求項為準。

為了克服習知技術的缺點，本發明提供一種的鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置及鈣離子與氫氧化鈣檢測方法，其應用光學感測方式，利用光學干涉儀檢測鈣離子與氫氧化鈣，無須於感測器上鍍膜或再加工，其具有重量輕、成本低的優點。

下文將配合符圖詳細說明本發明之鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置的各個元件。

穿透式光學鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置

第1圖係依據本發明一實施例之穿透式鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置結構示意圖。本實施例之鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置100包括(但不限於)：一光源102、一光學干涉儀104、一光學分析儀108以及一計算單元110。在一實施例中，光源102以一光纖112和光學干涉儀104連接，光學干涉儀104以一光纖114和光學分析儀108連接，光學分析儀108以一線路116與計算單元110連接。

本發明光源102係將入射光提供至光纖112中，光線通過光學干涉儀104傳導至光學分析儀108。光源102可為一寬頻放大自發幅射光源(broadband amplified spontaneous emission light source，簡稱ASE)，或一邊射型發光二極體光源(Edge- Emitting LED，簡稱EE-LED)，其中邊射型發光二極體光源之中心波長可以為1550 nm，能夠提供波長為至少1520~1620奈米之光線。在其它實施例中，本發明所採用的光源種類及光波周長不必以此為限。本發明之光纖(又稱光導纖維)係利用全反射原理傳導光線，在一些實施例中，光纖之材質可為玻璃或塑膠。

光學干涉儀104可以為光纖干涉儀(optical fiber interferometer，簡稱OFI)，其可以燒熔光纖或將一光纖其二端以另外的光纖熔接或錯接而成。光纖干涉儀成本低，容易製造的優點。在一些實施例中，光纖干涉儀之長度可以為1.5cm~3cm，此外，光纖干涉儀無需進行塗鍍化合物膜層的步驟。值得注意的是，本實施例為穿透式配置之光學鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置，其將光學干涉儀104設置於光源102和光學分析儀108間。

如第1圖所示，光學干涉儀104置於一待測試樣槽106中，其中待測試樣槽106中儲入待測試液體，使光學干涉儀104週圍環境圍繞待測試液體。待測試液體可以為含鈣離子液體，例如氫氧化鈣溶液。光線經光學干涉儀104處理，後續經由光纖114傳導至光學分析儀108。光學分析儀108可以為光譜分析儀(optical spectrum analyzer，OSA)或光功率計(optical power meter)，其可檢測待測試液體之光譜圖不同波長光線之功率變化、干涉條紋間距變化、波長飄移及/或振幅變化之響應。舉例來說，檢測待測試液體之光譜圖不同波長光線之功率變化可如第2圖和第3圖所示干涉光譜圖，第2圖顯示光學干涉儀之週遭環境為空氣、去離子水、氫氧化鈣含量為0.25%、0.5%、1%、1.5%、之氫氧化鈣溶液對應各波長光線之功率變化曲線圖，第3圖顯示光學干涉儀之週遭環境為空氣、去離子水、氫氧化鈣含量為2%、2.5%、3%、5%、10%之氫氧化鈣溶液對應各波長光線之功率變化曲線圖。又例如，檢測待測試液體之波長飄移如第4圖所示之平均波長飄移圖，其顯示光學干涉儀之週遭環境為去離子水、氫氧化鈣含量為0.25%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、5%、10%之氫氧化鈣溶液相對於空氣之量測之波長飄移。

本發明之計算單元，如第1圖所示，經由一線路116連接至光學分析儀108，其中線路116之第一端連接光學分析儀108，線路116之第二端連接計算單元110。本發明可藉由光學分析儀108量測到的不同波長光線之功率變化、干涉條紋間距變化、波長飄移及/或振幅變化之響應(例如根據第2、3圖所示之干涉光譜圖及/或第4圖所示之平均波長飄移圖)，經由計算單元110推算待測試液體中鈣離子與氫氧化鈣含量及/或其變化。在一實施例中，線路116可以為並列匯流排，計算單元110可以為電腦。

除了前述的穿透式鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置之外，本發明另提供一種鈣離子與氫氧化鈣檢測方法。第5圖係本發明一實施例中鈣離子與氫氧化鈣檢測方法流程圖。一種鈣離子與氫氧化鈣檢測方法500包括：在步驟S502中，配置一光學干涉儀於一待測試樣槽中，配置一光源經由光纖與光學干涉儀連接，配置一光學分析儀經由光纖與光學干涉儀連接；且配置之計算單元經由一線路連接光學分析儀；在步驟S504中，以光源提供一光線，使光線通過該待測試樣槽中之光學干涉儀，傳導至光學分析儀；在步驟S506中，使用光學分析儀分析光線之特徵(例如功率變化、干涉條紋間距變化、波長飄移及/或振幅變化之響應)，得到一數據；在步驟S508中，以一計算單元根據該數據，推算該待測試樣槽中之液體的鈣離子與氫氧化鈣濃度及/或鈣離子與氫氧化鈣濃度變化。

反射式光學鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置

第6圖係依據本發明一實施例之反射式鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置結構示意圖。本實施例與第1圖鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置之差異處為：本實施例光學干涉儀608和光學分析儀610並排於光源602的同一側，藉由反射單元606反射光線，使反射光線通過光學干涉儀608，以光學分析儀610分析反射光線之光譜。

本實施例之鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置600包括(但不限於)：一光源602、一光耦合器604、一光學干涉儀608、一光學分析儀610、一反射單元606及一計算單元612。在本實施例中，光源602以一光纖614和光耦合器604連接，光學干涉儀608以一光纖616和光耦合器604連接，反射單元606以一光纖617和光學干涉儀608連接，光學分析儀610以一光纖618和光耦合器604連接，計算單元612以一線路620和光學分析儀610連接。

本實施例光源602係將入射光提供至光纖614中，光源 602可為一寬頻放大自發幅射光源(broadband amplified spontaneous emission light source，簡稱ASE)，或一邊射型發光二極體光源(Edge- Emitting LED，簡稱EE-LED)，其中邊射型發光二極體光源之中心波長可以為1550 nm，能夠提供波長為至少1520~1620奈米之光線。在其它實施例中，本發明所採用的光源502種類及光波周長不必以此為限。

本實施例之光纖係利用全反射原理傳導光線，在一些實施例中，光纖之材質可為玻璃或塑膠。光纖614之第一端連接光源602，第二端連接光耦合器604。本實施例之光纖617之終端具有一例如反射鏡之反射單元606，而該反射單元606目的在將入射光予以反射而產生反射光。在一範例中，反射鏡係一銀鏡，可利用多倫試液(Tollent’s reagent)將銀塗覆於該光纖之終端而製成。來自於光源602之光線通過光耦合器604，再經反射單元606反射，反射單元606反射之光線經光纖617傳導至光學干涉儀608。光學干涉儀608可以為光纖干涉儀(optical fiber interferometer，簡稱OEI)，其可以燒熔光纖或一光纖其二端以另外的光纖熔接或錯接而成。在一些範例中，光纖干涉儀之長度可以為1.5cm~3cm，此外，光纖干涉儀無需進行塗鍍化合物膜層的步驟。

光學干涉儀608置於一待測試樣槽622中，其中待測試樣槽622中儲入待測試液體，使光學干涉儀608週圍環境圍繞待測試液體。待測試液體可以為含鈣離子液體，例如氫氧化鈣溶液。經由光學干涉儀608處理之光線經由光纖616傳導至光耦合器604，藉由光耦合器604分光，使光線經光纖618傳導至光學分析儀610。光學分析儀610可以為光譜分析儀(optical spectrum analyzer， OSA)或光功率計(optical power meter)，其可檢測待測試液體之光譜圖不同波長光線之功率變化、干涉條紋間距變化、波長飄移及/或振幅變化之響應。

本實施例之計算單元可根據光學分析儀610量測到的不同波長光線之功率變化、干涉條紋間距變化、波長飄移及/或振幅變化之響應等數據，經由計算單元612推算待測試液體中鈣離子與氫氧化鈣含量及其變化。在一範例中，線路620可以為並列匯流排，計算單元612可以為電腦。

除了前述的反射式鈣離子與氫氧化鈣檢測裝置之外，本發明另提供一種鈣離子與氫氧化鈣檢測方法。第7圖係本發明一實施例中鈣離子與氫氧化鈣檢測方法流程圖。一種鈣離子與氫氧化鈣檢測方法700包括：在步驟S702中，配置一光學干涉儀於一待測試樣槽中，配置一光源經由光纖連接一光耦合器，配置一光學干涉儀經由光纖連接光耦合器，配置一反射單元經由光纖連接光學干涉儀，配置一光學分析儀經由光纖連接光耦合器；在步驟S704中，以光源提供一光線，使光線經由光纖傳導至反射單元，產生一反射光線；在步驟S706中，使反射光線經由光耦合器分配至光學分析儀；在步驟S708中，使用光學分析儀分析反射光線之特徵(功率變化、干涉條紋間距變化、波長飄移及/或振幅變化之響應)，得到一數據；及在步驟S710中，以一計算單元根據數據，推算待測試樣槽中之液體的鈣離子與氫氧化鈣濃度。

雖然本發明已揭露較佳實施例如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。