專利名稱：液體濃度在線測量儀的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于一種液體濃度測量裝置，是一種利用光的折射規律和新型的光位敏器對液體的折射率和濃度進行在線測量的儀器。
液體濃度是一個很重要的物理量。在工業生產如化工、制藥、輕工、食品飲料、環保將各個部門以及科研、國防各個領域，都需要對液體的濃度進行測量等。
通過測量液體折射率來測量液體濃度是常用的方法之一，由于其測量精度高、適用范圍廣而廣泛被采用。在現有利用折射率測量液體濃度的裝置中，幾乎無例外地根據全反射光學原理而設計的(見

圖1)當光線從光密媒質(例如玻璃，折射率為n1)射到光疏媒質(例如液體，折射率為n2)時，折射角i2總是大于入射角i1，根據折射定律n1sini1＝n2sini2當i1較小時，只有一小部分光強反射而大部分光折射，而當i1增大到某一臨界值i1c時，折射角i2c＝90°，即折射光線在兩種介質的分界面上。這時如果再增大i1，則在光疏媒質(n2)一側已沒有折射光，全部光按光的反射規律反射，即光在界面上發生了全反射。這時的入射角i1c稱為全反射臨界角。
i1c＝sin-1(n2/n1)因此當一束光以不同角度入射時，在反射光一側觀測，在視場上將會出現一條明顯的明暗分界線ss，這條界線正好對應于全反射臨界角i1c的反射光線(反射角為i1c)。基于全反射原理制成的折射計或濃度儀需要準確地尋找這條分界線的位置，以便確定全反射臨界角i1c，再由已知的玻璃折射率n1計算出待測液體的折射率n2，進而計算出液體的濃度。顯然，現有的液體濃度測定儀的難點在于確定這條分界線的位置，由此測定被測液體的光學特性，例如CN91209521.0所公開的“攝像法”，即采用CCD(電荷耦合器)圖像傳感器在反射光一側“攝像”，得到包含該明暗分界線的“面”的圖像，再將圖像轉換成視頻脈沖，送計算機處理，計算出液體的濃度。但這種裝置需較昂貴的光學圖像傳感裝置及較復雜的光學及電路系統，且測量濃度范圍較小，只為0-25％。
本實用新型的目的在于針對上述攝像法液體濃度儀的不足，提供一種結構簡單、無需攝像光學系統、測量范圍較大的液體濃度在線測量儀。
本實用新型的液體濃度在線測量儀，包括被測液體光學特性測量部分，所測得的信號前置放大器，A/D模數轉換接口，單片機數據處理及顯示部分，其特征在于所述的被測液體光學特性測量部分是一專門設計的光學傳感頭，該光學傳感頭包括一個密封腔體及設置在密封腔體底部中心開口處橫向并排的兩光學棱鏡共同構成的“液體棱鏡”，在一棱鏡的表面上方腔體壁上設置一豎直的滑槽，該滑槽內由下至上依次設置用以構成光束準直聚焦透鏡組的三個透鏡及半導體激光器(LD)，在另一棱鏡表面上方腔體壁上設置的滑槽內設置一個二維微調架，該微調架上固定一光位敏器(PSD)，該光位敏器有一受光面、公共陰極及兩個光電流輸出端，在腔體內靠近液體棱鏡處設置一溫度探頭。
將激光器、準直聚焦透鏡組以及光位敏器分別固定在兩棱鏡上方的豎直滑槽內的適當位置，通過調節激光器，各透鏡及光位敏器的位置，使激光束垂直入射于一棱鏡的表面，使其焦點落到PSD的受光面中心線上，當該光學傳感頭插入被測液體中，激光器發出的激光通過透鏡組準直聚焦后通過其下方的棱鏡而進入液體棱鏡，由于液體對激光束的折射作用而進入另一棱鏡，進而射向PSD的光線而偏離PSD的受光面的幾何中心，其位移即偏離度x隨被測液體折射率的不同而變化，PSD將這種位移變化轉換成電流信號，這種信號送入前置放大器。同時由溫度探頭探測到的反映被測液體溫度的電流信號也送入前置放大器，前置放大器將光電流信號和溫度電流信號轉換成電壓信號，并由A/D模數轉換接口變換成數字信號，單片機處理系統便根據這些數字信號計算出液體濃度并顯示出測量結果。
激光器選用可見光的，以便于觀測調整。透鏡組中的上方兩個透鏡組成準直系統，以便使LD激光束發散角減小。第三個透鏡再使準直光束聚焦使焦點落到PSD受光面上。激光器和三個透鏡都裝在一棱鏡表面上方腔體的滑槽，均可作上下移動以便得到所需的準直聚焦光束。光學棱鏡要選用折射率大于被測液體折射率的玻璃。其頂角及其它兩角的大小，應使激光在兩個棱鏡內不與液體接觸的面上能發生全反射，以便最大限度地利用光能量，另方面又要使光通過液體棱鏡后有最大的隨折射率變化的角分辨率。計算表明兩個棱鏡均采用頂角為直角的等腰三角形棱鏡便能較好地滿足要求。所述的光位敏器PSD是一種結型光電器件，本實用新型使用的是一維PSD，它有一受光面，三個電極，一個公共陰極和兩個光電流輸出端，當有光照射其受光面時，光電流輸出端會輸出光電流，其大小與光照位置有關。PSD安裝在微型二維調節架上，該調節架固定在腔體的一個滑槽內。因此實際上可對PSD的空間位置作三維調節，這在調試階段是非常必要的，可以確保PSD受光面的中心線始終在光線和法線組成的平面內，同時在校準時，讓某一標準溶液的出射光線正好射向PSD的幾何中點上。調試完畢后，則各活動部分均需固定住。所述的前置放大器為二級運算放大器，每級都用一個集成片，內有兩個完全對稱的、超低漂移、超低失調電壓的精密運算放大器的電路，使兩路光電流所受的由于溫度漂移等引起的誤差完全對稱，互相抵消，大大提高了測量精度。所述的A/D模數轉換接口可以采用帶采樣保持的AD1674，可使兩個光電流信號和溫度信號認為是同一時刻測得的，提高了測量精度。所述的單片機處理系統可以是8031單片機，其余電路采用現有的常用電路。
以下結合附圖對本實用新型的液體濃度在線測量儀的結構及其效果作進一步的說明。
圖1是現有濃度儀所依據的全反射光學原理圖。
圖2是本實用新型的光學傳感頭結構示意圖。
圖3是光位敏器PSD結構示意圖。
如圖2所示，本實用新型的光學傳感頭，是一個由密封腔體1和設置在密封腔體底部中心開口處橫向并列的光學棱鏡6和7共同構成的液體棱鏡，由半導體激光器2發出的激光經過設置在光學棱鏡6的表面6-1上方的透鏡3、4和5準直聚焦后垂直入射于棱鏡6的表面6-1，其透射光在該棱鏡的反射面6-2全反射后進入液體棱鏡的進光面(棱鏡6的出光面)6-3，經液體棱鏡折射后由液體棱鏡的出光面(即棱鏡7的進光面)7-3射出而進入光學棱鏡7，并經過該棱鏡反射面7-2全反射到達表面7-1，進一步折射而進入設置在該棱鏡7表面7-1上方的固定在二維調節架10上的光位敏器9。當測量光8進入光位敏器PSD照射到其受光面16時，光位敏器PSD9的兩個輸出端18和19將輸出兩個光流I1和I2，其大小隨光斑能量中心20與PSD幾何中心17之間的位移x有關I1=L-x2LIo]]>I2=L+x2LIo]]>其中Io為正比于光源光強的總電流。
Io＝I1＋I2L為PSD受光面全長的一半。當光源光強變化時，I1、I2成比例變化，而位移x=I1-I2I1+I2L]]>與光強變化無關。
同時I1、I2只與光斑能量中心位置有關，因此與光斑形狀關系不大，故可大大降低對光束準直和聚焦的要求。
通過實測I1和I2，即可求得位移x。在棱鏡的結構參數、PSD 9的位置及入射光垂直入射的位置14確定后，被測液體的折射率n就與位移x建立了唯一確定的關系，通過對介面6-3、7-3和7-1運用光的折射定律和簡單的幾何關系即可求得x和n的對應表。調試時讓某一標準溶液(例如純凈水，n＝1.3330)時出射光線對準PSD中點17(通過調整微調架10使單片機顯示I1＝I2得到，然后固定調節架)。測量時，通過實測I1、I2即可算得xx＝(I1-I2)L/(I1＋I2)，L為PSD受光面長度之半，再根據x-n的對應表求得待測液體折射率n，再根據n和溫度t即可算出液體的濃度值。
本實用新型與現有的CCD攝像法濃度儀比有如下特點1.由于采用了光位敏器PSD作為光敏感元件，減少了攝像光學系統，使光學結構和電子線路均大大簡化，從而降低了整機成本。
2.由于PSD只對光斑能量中心敏感，因而對光源光強變化影響可忽略不計，從而大大提高了測量穩定性，同時也進一步降低了對準直聚焦光學系統的要求。
3.由于現有PSD的結構參數和分辨率參數特點可使測量的濃度范圍較大。
4.采用棱鏡6和棱鏡7與腔體1構成了液體棱鏡，又構成了光路折反系統，使結構緊湊。
5.使用半導體激光作為光源，它具有光強大和單色性好的特點，前者可使光能通過液體，使現有的全反射法變成透射法，以便可用PSD作為光敏感元件。后者可避免使用濾光鏡和消色差光學系統。
以下是按本實用新型的構思設計的一個液體濃度在線測定儀的實例半導體激光器日本HITACHI公司的HLG711G型，波長0.67μm，最大功率5mw。
透鏡3f＝3mm，＝6mm，平凸透鏡。
透鏡4，f＝18mm，＝6mm，平凸透鏡。
透鏡5，f＝80mm，＝10mm，雙凸透鏡。
棱鏡6和7，K9玻璃，三個角分別為90°，45°和45°，面6-2與6-3，面7-2與7-3之間夾角為90°，直角邊長為20mm。
光位敏器PSD日本HAMAMATSU公司的S3931，分辨率可達0.2μm，2L＝6mm。
溫度探頭AD590，靈敏度為1μA/K。
前置放大器二級OP207。
A/D模數接口AD1674單片機8031腔體1用膨脹系數小的殷鋼加工而成。棱鏡6和7用密封膠粘在腔體1上。
本實施例可得折射率測量范圍為1.3330-1.4205，精度為0.0002，相當于20℃時的蔗糖溶液濃度范圍為0-50％，精度為0.1％，如果采用較長的光位敏器，例如用S3932，測量范圍還可大大提高，完全可以滿足制糖、飲料、啤酒及許多藥品等生產過程中的在線測量要求。
權利要求1.一種液體濃度在線測量儀，包括被測液體光學特性測量部分，所測得的信號的前置放大器，A/D模數轉換接口、單片機數據處理及顯示部分，其特征在于所述的被測液體光學特性測量部分是一專門設計的光學傳感頭，該光學傳感頭包括一個密封腔(1)及設置在密封腔體底部中心開口處橫向并排的兩光學棱鏡(6)和(7)共同構成的“液體棱鏡”，在棱鏡(6)表面6-1的上方腔體壁上設置一堅直的滑槽(1-1)，該滑槽內由下至上依次設置用以構成光束準直聚焦透鏡組的透鏡(5)、(4)和(3)及半導體激光器(LD)(2)，在另一棱鏡(7)表面7-1的上方腔體壁上設置一堅直滑槽(11)，在該滑槽內設置一個二維微調架(10)，在該微調架上固定一光位敏器(PSD)，所述的光位敏器有一受光面(16)，公共陰極(15)及兩個光電流輸出端(18)和(19)，腔體內靠近液體棱鏡處設置一溫度探頭(13)。
2.如權利要求1所述的液體濃度在線測量儀，其特征在于所述的棱鏡(6)和棱鏡(7)是一頂角為直角的等腰直角三角形棱鏡。
專利摘要一種液體濃度在線測定儀，其特征在于被測液體光學特性測定部分是一種專門設計的光學傳感頭，該光學傳感頭包括一個密封腔體1及設置在其底部中心開口處橫向并排的兩光學棱鏡6和7共同構成的液體棱鏡，設置在棱鏡6表面6-1上方的透鏡3、4、5構成的準直聚焦透鏡組及激光器2，以及設置在棱鏡7表面上方的固定在二維調節架10上的光位敏器9，本發明的濃度在線測定儀，結構簡單、成本低、對聚光系統要求低，測量濃度范圍大，穩定性好，可廣泛用于液體的折射率或濃度的在線測定。
文檔編號G01N21/41GK2226299SQ9424489
公開日1996年5月1日 申請日期1994年11月11日 優先權日1994年11月11日
發明者潘志文, 楊淑雯, 嚴新民, 馬君顯 申請人:潘志文