專利名稱：液體折射率檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于液體折射率計結構的改進，涉及光電技術領域。
在化工、飲料、釀酒等行業的生產中，液體折射率的檢測是不可缺少的，液體折射率是液體物理性能的重要參數，它能反映出液體中物質濃度、純度等的量值。測量液體折射率的傳統方法是利用偏轉角法，采用折射儀以人眼目測偏轉角，再經數學公式計算得出液體折射率，這種方法不僅測量速度慢、不能直接得到結果，而且測量結果隨測量人員的經驗水平而存在有誤差。隨著現代工業的發展，很多時候需要實時準確地測量液體的折射率，以便及時對生產進行控制和調整，所以實時、準確、方便地測量成為液體折射率檢測的發展方向。最具有代表性的最新方法有以下四種①基于光量法的微型光纖折射儀，其缺點是對光源及檢測條件要求高，光纖易受振動、溫度的影響，且測量精度不高；②基于光象散差原理的測量方法，其測試設備復雜、且不實用；③基于最小偏向角原理的測量方法，也存在有測試設備復雜、不能實現在線測量的問題；④基于光波導原理的光電測量方法，其測試設備復雜、且不實用。
本發明的目的就是提出一種液體折射率檢測的裝置結構，其能夠實時、準確、方便地完成液體折射率的檢測，同時具有結構簡單、操作方便、經濟實用的優點。
本發明所設計液體折射率檢測裝置的結構原理為采用以玻璃為基底材料的半圓盤為檢測操頭，半圓盤的弓面為柱面是檢測端面，其弦面呈平面，弦面的一端為檢測信號接收端，設置有光電探測器，光電探測器將光信號轉變為電信號后經信號處理電路處理，能得到與液體折射率相關的電信號，再由輸出電路輸出即完成檢測；其中要求半圓盤基底材料的折射率盡量高、熱膨脹系數盡量小，并具有耐腐蝕、抗潮解的性能；并且檢測裝置所用光源可以是在裝置內設置的光源稱為主動光源，也可以是自然光為光源稱為被動光源，主動光源密閉設置在半圓盤弦面的另一端，且光線由此射入半圓盤，被動光源的光線則從被測液體經由半圓盤的弓面折射進入半圓盤。本發明的特征還在于，在檢測裝置內設置有液晶顯示電路，其結構是把由信號處理后的折射率電信號經由采樣保持電路送入模數轉換電路，轉換后的數字信號經微處理器控制液晶顯示電路，即可液晶顯示出所測液體的折射率。
本發明的特征還在于，所述的主動光源采用發光二極管，光電探測器采用光電池，把發光二極管貼于弦面的一端，將光電池緊貼于弦面的另一端，并需把二者之間進行光隔離，同時要求裝置把半圓盤弦面完全密封與外界光隔離，其檢測時要求被測液體也與環境光隔離，光電池把接收到的檢測光轉換為電信號再經放大后即可輸出。按照這種結構，還可以把光源調制成高頻光源，由發光二極管發出高頻光，可以有效地排除環境光的干擾，其把光電池輸出的電信號先經前置放大后送入高通濾波電路，再經選頻放大后進入檢波電路，檢波后的電信號經低通濾波后再經放大即可輸出。
本發明的特征還在于，所述的被動光源的結構形式，其半圓盤的幾何形狀可以是1/2～1/4圓盤，要求裝置把其弦面完全密封與外界光隔離，光電池設在裝置內任一靠弓面的弦面端，檢測時要求被測液體中有足夠的環境光，光線經被測液體由弓面折射進入圓盤照射于光電池，轉換后的電信號經放大后送入能儲存數據的微處理器內處理，在檢測裝置上還設置有零鍵、標準鍵和檢測鍵，檢測時先將檢測探頭置入未含被測物的被測液體中，按下零鍵，得到的電信號被儲存在微處理器中做基數，再于相同環境光條件下將檢測探頭置入含有標準量被測物的被測液體中，按下標準鍵，得到的電信號在微處理器中與零鍵所測基數構成線性關系并被儲存，再于相同環境光條件下將檢測探頭置入含有被測物的待測液體中，按下檢測鍵，得到的電信號在微處理器中經比較取值后即可輸出，也可送至所設的液晶顯示電路顯示出所測液體的折射率。按照這種被動光源的結構形式，可以把光電探測器設置成線陣CCD探測器，其轉換后的電信號經圖像處理電路處理后，再由信號轉換電路轉換成數字信號即可輸出，或由液晶顯示電路顯示出所測液體的折射率。
由上述技術方案中可以看出，本發明的核心是以半圓盤為功能器件作為檢測探頭，由于光在其中進行多次反射，非全反射光對輸出光的影響隨反射次數的增加逐步減小，而全反射光無論是平行還是非平行入射都能保證輸出光能與待測液體的折射率成線性關系，從而直接得到與折射率相關的電信號，可以將其送入自控系統實現對生產過程的自動控制，也可由顯示電路直接顯示，實現生產過程的實時監控，甚至可以制成便攜式的檢測裝置。本發明所設計的檢測裝置不僅能實時、準確、方便地檢測液體折射率，而且具有結構簡單、操作方便、經濟實用的優點。
以下結合附圖詳細說明本發明技術方案的工作原理和實施例。
附

圖1為本發明所設計檢測裝置中半圓盤的光學原理圖。參見附圖1和2，把半徑為r、折射率為ns的半圓盤的弓面浸入折射率為n1的待測液體中，使一束垂直于弦面的光從半圓盤弦面的任一端射入，根據Sne11折射定律，入射光會在半圓盤弓面邊緣進行折射和反射。假設PA為入射光，O為圓盤中心，A和B是入射光線在弓面的反射點(亦稱入射點)，X為入射光距弦面端的距離，而AO是法線，Qi是入射角，Qr是折射角，以O為中心作AB的垂線，交AB于D點，由圖1可知，三角形△APO與三角形△ADO全等，因此OP＝OD；又因有n1/ns＝sinQi/sinQr，以及sinQi＝(r-X)/r的成立，當Qr≥90°時發生全反射，則使n1/ns＝sinQc，Qc是發生全反射的入射角，稱為臨界角，故有n1＝ns(1-Xc/r)的成立，Xc則為臨界距離；由于小于臨界距離Xc之內的入射光的入射角都大于臨界角，即在臨界距離之內的入射光在弓面發生全反射，而在臨界距離之外的入射光在弓面為非全反射光，其中大部分被折射，從而使半圓盤弦面一端的入射光在半圓盤中大于OD小于r的空間形成光線傳輸通道，而由弦面的另一端射出，在光線入射弦面一端就形成了入射窗口(其高為半圓盤厚、寬為臨界距離Xc)，從入射窗口射入的光線經多次全反射后應無損地從弦面另一端射出，而入射窗口之外進入的入射光則經反射后被折射，這樣就使入射窗口成為較暗區域，而超出入射窗口的區間成為明亮區域，這種明暗對比很明顯，并且這明暗交界處即為Xc。根據上述n1＝ns(1-Xc/r)，對于一種明確的半圓盤，其ns和r均為確定數值，此時的n1與Xc緊密相關，即n1越大其Xc越小，也就是說被測液體折射率n1的變化能改變入射窗口的大小，從而改變全反射光的入射量，那么在入射窗口設置一固定光源照射，由于液體折射率的不同另一端所設光電池接收到的光強也不同，致使其轉換的電信號也隨之改變，從而使光電池轉換出的電信號與液體折射率成線性關系，利用這種關系對電信號進行處理，即能得到待測液體的折射率。這是主動光源的檢測原理，而被動光源的原理與其相同，但光路相反把半圓盤弦面的一端密封與外界光隔離，在另一端設置光電池，要求環境中有足夠的自然光射入被測液體，當把半圓盤的弓面浸入被測液體，光線就從弓面折射進入半圓盤，根據上述原理，進入半圓盤的光線均為折射光，不會沿傳輸通道行進，此時垂直觀察弦面的任一端，小于Xc的區間因無出射光成為黑暗區域，而大于Xc的區間則因折射光而成為明亮區域，明暗交界處仍為Xc，同樣n1越大其Xc越小，固定設置的光電池接收出射光的面積則隨液體折射率的增大而增大，其轉換出的電信號也與液體折射率成線性關系。由上述n1＝ns(1-Xc/r)得知，得到Xc值就能得到n1值，所以在被動光源結構中的光電探測器還可以采用線陣CCD探測器(即線陣電荷耦合器件作探測器)來準確地確定Xc的位置，將得到的信號經信號處理后就能得到被測液體的折射率。
本發明所設計液體折射率檢測裝置采用半圓盤為檢測探頭，而半圓盤的基底材料采用折射率盡量高、膨脹系數盡量小、并具有耐腐蝕、抗潮解性能的玻璃材料，如可以選擇BaK6玻璃或BaK8玻璃。由上述原理可以看出，半圓盤玻璃材料的折射率ns越大，其測量范圍越大，而半圓盤的幾何尺寸越大，則測量精度就越高，所以半圓盤幾何尺寸的選擇應考慮制作成本和測量精度，比較適中的選擇為r＝40mm、厚度10mm。從上述可以看出，被動光源半圓盤(即180°圓盤，亦稱1/2圓盤)的使用顯得有些浪費，故可將半圓盤最小縮至1/4圓盤(即90°圓盤)也具有同樣的檢測效果，只是小于180°的圓盤有二個弦面，則要求裝置把這二個弦面密封與外界光隔離，在其中任一弦面端固定設置光電探測器。另外要求半圓盤的弓面為柱面、弦面呈平面，即都與上下表面呈90°。
附圖2為本發明所設計檢測裝置的結構原理示意圖(其光源為主動光源)。參見附圖2，把半圓盤弦面用裝置盒體包接密封與外界光隔離，在盒體內弦面的一端固定設置黃色發光二極管做光源、在另一端緊貼弦面固定設置光電池做光電探測器(可選擇2CR40型硅光電池)，并將光源與光電池之間隔離，檢測時需將待測液體盛入盡量不透光的容器內，把半圓盤的弓面浸入待測液體，打開光源，光電池接收出射光轉換成電信號，再經放大電路放大后即可輸出用于工業控制，或送至所設的液晶顯示電路，液晶顯示所測液體的折射率。附圖5為液晶顯示電路的原理框圖，它是把處理后的折射率電信號經由采樣保持電路(可選LF198)送入模數轉換電路(可選ADC0809)，轉換后的數字信號經微處理器(可選8051)控制液晶顯示器件(可選0802)及其驅動電路，即可液晶顯示出折射率。
附圖3為本發明檢測裝置采用高頻光源時其信號處理電路的原理框圖。參見附圖2和3，按照主動光源的結構，設置一高頻調制電源(如1000Hz)，用其驅動發光二極管作高頻閃爍，光電池可選用2CR41型硅光電池，除信號處理電路外裝置的其他要求與前例相同，但不要求隔離待測液體中環境光；其信號處理電路是把光電池轉換出的電信號先經前置放大后送入高通濾波電路，再經選頻放大后進入檢波電路，檢波后的電信號經低通濾波后再經放大即可輸出，或是由液晶顯示電路顯示折射率。這種結構檢測較準確，且抗干擾性能強，其中高頻電源和信號處理電路的結構在CN98233097.9專利申請中已有記載，這里不再詳述。附圖6為采用本發明所制作的帶有高頻調制光源的液體折射率檢測裝置檢測各種濃度蔗糖溶液折射率的測試結果表。
本發明檢測裝置采用被動光源的結構形式有兩種，一種是前述的光電探測器采用光電池的結構，其設置有零鍵、標準鍵和檢測鍵三個按鍵，要求在相同環境光條件下完成三次按鍵操作，并要有足夠的環境光(至少強于照明光)，其是以已知未含被測物的被測液體(即濃度為0％)的電信號為零點，以折射率的含標準量的被測液體(可定為50％)的電信號為標準點，作兩點的直線，再將由待測液體測得的電信號在直線定點，即能得到對應的折射率；其條件較為苛刻，但其成本較低，適于精度不太高的檢測。另一種就是采用線陣CCD做光電探測器的結構，其裝置的結構與上述被動光源基本相同，只是信號處理電路不同，而且不受光線強弱的干擾就能確定明暗交界處(Xc)的準確位置，其檢測精度較高。附圖4為本發明采用線陣CCD做探測器時其信號處理電路的原理框圖，從圖中可以看出，用CCD做探測器確定光線位置的信號處理已是成熟技術，這里不再贅述。
上述各種結構的檢測裝置其檢測信號若是用于自動控制或固定監視，其裝置內電源可以采用外接電源，若僅用于顯示或便攜式的則需以電池為電源。并且各種結構中的電路部分均為專業人員能夠完成的，不必細述。
權利要求
1.一種液體折射率檢測裝置，其采用有光源、半圓盤、光電探測器、信號處理和輸出電路，其特征在于，采用以玻璃為基底材料的半圓盤為檢測探頭，半圓盤的弓面為柱面是檢測端面，其弦面呈平面，弦面的一端為檢測信號接收端，設置有光電探測器，光電探測器將光信號轉變為電信號后經信號處理電路處理，能得到與液體折射率相關的電信號，再由輸出電路輸出即完成檢測；其中要求半圓盤基底材料的折射率盡量高、熱膨脹系數盡量小，并具有耐腐蝕、抗潮解的性能；并且檢測裝置所用光源可以是在裝置內設置的光源稱為主動光源，也可以是自然光為光源稱為被動光源，主動光源密閉設置在半圓盤弦面的另一端，且光線由此射入半圓盤，被動光源的光線則從被測液體經由半圓盤的弓面折射進入半圓盤。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的主動光源采用發光二極管，光電探測器采用光電池，把發光二極管貼于弦面的一端，將光電池緊貼于弦面的另一端，并需把二者之間進行光隔離，同時要求裝置把半圓盤弦面完全密封與外界光隔離，其檢測時要求被測液體也與環境光隔離，光電池把接收到的檢測光轉換為電信號再經放大后即可輸出。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，把所述的光源調制成高頻光源，由發光二極管發出高頻光，其把光電池輸出的電信號先經前置放大后送入高通濾波電路，再經選頻放大后進入檢波電路，檢波后的電信號經低通濾波后再經放大即可輸出。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的被動光源的結構，其半圓盤的幾何形狀可以是1/2～1/4圓盤，要求裝置把其弦面完全密封與外界光隔離，光電池設在裝置內任一靠弓面的弦面端，檢測時要求被測液體中有足夠的環境光；轉換后的電信號經放大后送入能儲存數據的微處理器內處理，在檢測裝置上還設置有零鍵、標準鍵和檢測鍵，檢測時先將檢測探頭置入未含被測物的被測液體，按下零鍵，得到的電信號被儲存在微處理器中做基數，再于相同環境光條件下將檢測探頭置入含有標準量被測物的被測液體，按下標準鍵，得到的電信號在微處理器中與零鍵所測基數構成線性關系并被儲存，再于相同環境光條件下將檢測探頭置入含有被測物的待測液體，按下檢測鍵，得到的電信號在微處理器中經比較取值后即可輸出。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特征在于，按照被動光源的結構形式，把光電探測器設置成線陣CCD探測器，其轉換后的電信號經圖像處理電路處理后，再由信號轉換電路轉換成數字信號即可輸出。
6.根據權利要求1～5中任一項所述的裝置，其特征在于在檢測裝置內設有液晶顯示電路，其結構是把由信號處理后的折射率電信號經由采樣保持電路送入模數轉換電路，轉換后的數字信號經微處理器控制液晶顯示電路，即可液晶顯示出所測液體的折射率。
7.根據權利要求6所述的裝置，其特征在于所述半圓盤的幾何尺寸為半徑r＝40mm，厚度10mm。
全文摘要
一種液體折射率檢測裝置,本發明是以玻璃半圓盤作為檢測探頭,由于光在半圓盤的弓面端能形成全反射光傳輸通道,采用光電探測器在半圓盤弦面的一端接收光信號,使得轉換后的電信號與被測液體的折射率成線性關系,電信號經信號處理后成為折射率信號,其可以輸出用于工業控制,也可以由液晶顯示電路直接顯示;其不僅能實時、準確、方便地檢測液體折射率,而且具有結構簡單、操作方便、經濟實用的優點。
文檔編號G01N21/00GK1254837SQ9811302
公開日2000年5月31日 申請日期1998年11月20日 優先權日1998年11月20日
發明者高應俊, 付翾, 張太鎰 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所