專利名稱：基于玻璃合成體和線陣ccd的液體濃度測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種液體濃度測量方法。本發(fā)明也涉及一種液體濃度測量裝置。 具體地說是一種基于玻璃合成體和線陣CCD的液體濃度光學(xué)測量方法及測量裝置。
背景技術(shù)：
在石油、化工、冶金、食品、醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域均需要對溶液濃度進(jìn)行測量。傳統(tǒng)的液 體濃度光學(xué)測量方法中，如阿貝折射儀測量范圍相對較小，且不能實(shí)現(xiàn)在線與自動(dòng)測量；而 用旋光儀測濃度，只適用于旋光性的溶液，也無法實(shí)現(xiàn)在線與自動(dòng)測量，由于要靠人眼來判 斷三分視場的亮度是否相同，容易產(chǎn)生較大的誤差。隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)與光電子技術(shù)的進(jìn)步，電荷耦器件的精密制造技術(shù)及性能得到 了快速發(fā)展。這使得利用線陣CCD的高分辨力測量液體折射率變化成為可能，并為液體濃 度的測量提供了新的手段。目前基于CCD的液體濃度測量方法主要有一、基于線陣CCD的光學(xué)折射法該方 法的實(shí)現(xiàn)原理是讓一束平行光斜入射到裝有待測溶液的矩形玻璃的一個(gè)側(cè)面，并從另一面 射出，由CCD接收。出射光與入射光平行但不在同一直線上，即出射光相對于入射光有一側(cè) 向位移。由于溶液折射率受濃度變化影響，導(dǎo)致這一側(cè)向位移隨液體濃度的改變而變化。因 此，可以根據(jù)位移量測出液位。這種方法采用LED作為光源，玻璃和液體不能過厚，否則減 弱光信號，且靈敏度不高，入射角的變化增加測量誤差。二、基于線陣CCD的棱鏡最小偏向 角法該方法的實(shí)現(xiàn)原理是將溶液盛入空心三棱鏡中，一束激光入射到三棱鏡上，從另一面 出射的光相對于入射光有一偏向角，記錄出射光在滿足最小偏向角情況下在CCD上成像的 位置。當(dāng)溶液濃度發(fā)生變化時(shí)，液體折射率改變，進(jìn)而導(dǎo)致最小偏向角改變，在CCD上的成 像出現(xiàn)位移。通過測量最小偏向角與濃度之間的關(guān)系，用查表方式可以測出液體濃度。該 方法將最小偏向角與濃度之間的關(guān)系近似為線性進(jìn)行擬合，且在測量偏向角時(shí)誤差較大， 易受外界環(huán)境影響，靈敏度不高。三、基于線陣CCD的等腰梯形測量方法該方法的實(shí)現(xiàn)原 理是以激光作為光源，入射光透過液體射入梯形玻璃合成體的一端，在玻璃內(nèi)部經(jīng)過多次 的反射之后從另一端射出，再透過液體由CXD接收。由于液體濃度與折射率相關(guān)，當(dāng)濃度變 化時(shí)，入射光的折射角發(fā)生變化，導(dǎo)致光束在玻璃內(nèi)部的反射角隨之變化，進(jìn)而使得從玻璃 另一端出射的光束在CCD上光斑發(fā)生位移。因此，CCD上光斑便可與液體濃度建立對應(yīng)關(guān) 系，從光斑就可以測出液體的濃度。該方法對入射光線的入射角要求嚴(yán)格，容易在出射面上 發(fā)生全反射，光束出射角度易受外界環(huán)境變化影響，穩(wěn)定性比本專利提出的方法低很多。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可在線測量、穩(wěn)定度高、分辨率高、測量誤差小的基于 玻璃合成體和線陣CCD的液體濃度測量裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種基于玻璃合成 體和線陣CCD的液體濃度測量方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明的基于玻璃合成體和線陣CCD的液體濃度測量裝置的組成包括激光光源、 用于密封的玻璃片、玻璃合成體、線陣CCD、電路單元和箱體；所述玻璃合成體的上下底面 為相互平行的平面、一個(gè)側(cè)面為斜面、與斜面相對的側(cè)面為圓柱面，玻璃合成體的上下底面 鍍內(nèi)反射膜；玻璃合成體、激光光源、線陣CCD及電路單元置于箱體中，線陣CCD置于玻璃合 成體的圓柱面的前方，激光光源發(fā)出的光束垂直于玻璃合成體兩底面并照射到玻璃合成體 的斜面上；箱體開有使玻璃合成體的斜面部分暴露的開口，開口處由用于密封的玻璃片實(shí) 現(xiàn)箱體的整體密封；玻璃合成體、激光光源、線陣CXD和電路單元連接；箱體置于裝有待測 液體的容器中。所述的激光光源由激光二極管構(gòu)成。在線陣CXD前設(shè)置有一放大鏡。本發(fā)明的基于玻璃合成體和線陣CCD的光學(xué)液體濃度測量方法所采用的測量裝 置的組成包括激光光源、用于密封的玻璃片、玻璃合成體、線陣(XD、電路單元和箱體；所述 玻璃合成體的上下底面為相互平行的平面、一個(gè)側(cè)面為斜面、與斜面相對的側(cè)面為圓柱面， 玻璃合成體的上下底面鍍內(nèi)反射膜；玻璃合成體、激光光源、線陣CCD及電路單元置于箱體 中，線陣CCD置于玻璃合成體的圓柱面的前方，激光光源發(fā)出的光束垂直于玻璃合成體兩 底面并照射到玻璃合成體的斜面上；箱體開有使玻璃合成體的斜面部分暴露的開口，開口 處由用于密封的玻璃片實(shí)現(xiàn)箱體的整體密封；玻璃合成體、激光光源、線陣CCD和電路單元 連接；箱體置于裝有待測液體的容器中；激光光源發(fā)出的光束從玻璃合成體的斜面入射， 并在液體和玻璃合成體界面處發(fā)生折射，折射光束在玻璃合成體內(nèi)上下底面經(jīng)過多次反射 后在玻璃體圓柱面端射出，出射光在線陣CCD上形成光斑；經(jīng)調(diào)整后，斜面處入射光的延長 線與圓柱面處入射光的反向延長線的交點(diǎn)與圓柱面的軸線相交；液體折射率隨著濃度變化 而變化，當(dāng)液體濃度改變時(shí)，折射角發(fā)生變化，使得光束在玻璃合成體內(nèi)部的反射角也相應(yīng) 發(fā)生位移，光束便會(huì)從圓柱面上不同位置徑向出射，在線陣CCD上的光斑位置隨之發(fā)生位 移，利用光斑的位置獲得液體濃度信息。所述電路單元包括線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)采集與處理電路、數(shù)據(jù)傳輸電路以及 激光光源驅(qū)動(dòng)電路。處理電路的邏輯功能可由FPGA或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、易于布放、穩(wěn)定性高，可在線測量使用，并可在腐蝕性等惡 劣工業(yè)環(huán)境中工作等優(yōu)點(diǎn)。出射光在圓柱面上始終沿其半徑出射，無論光線的入射角、液體 濃度如何變化，出射光都不可能在圓柱面處發(fā)生全反射，且不受環(huán)境影響，穩(wěn)定度好，分辨 率高。


圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中光路平面示意圖；圖3是本發(fā)明中的玻璃合成體外形圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖1，基于玻璃合成體和線陣CCD的液體濃度測量裝置包括激光光源1、用于 密封的玻璃片2、玻璃合成體3、線陣CCD 5、電路單元6和箱體7。所述電路單元包括線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)采集與處理電路、數(shù)據(jù)傳輸電路以及激光驅(qū)動(dòng)電路。同時(shí)結(jié)合圖3，玻璃 合成體的上底面22、下底面23為相互平行的平面，一個(gè)側(cè)面為斜面21，與斜面相對的側(cè)面 為圓柱面24，玻璃合成體的上下底面鍍內(nèi)反射膜。玻璃合成體、激光光源、線陣CCD及電路 單元置于箱體中。箱體有一開口，用密封的玻璃片2和玻璃合成體3的斜面21對箱體7的 開口處施行密封，保證只有玻璃合成體3的斜面21與液體接觸。線陣CCD置于玻璃合成體 的圓柱面的前方，激光光源發(fā)出的光束垂直于玻璃合成體兩底面并照射到玻璃合成體的斜 面上。將密閉箱體7置于盛有待測液體4的容器8中，使從激光光源1發(fā)出的激光透過待 測溶液4垂直于玻璃合成體的上下底面入射到玻璃體的斜面上，于是可得光束在玻璃合成 體內(nèi)部的光路示意圖2，圖2中21對應(yīng)的是入射光線、22和23分別對應(yīng)不同溶液濃度時(shí)的 出射光線。光束在玻璃體3中在玻璃合成體的上下底面多次反射，沿柱面徑向射出，出射光 在線陣CCD 5上形成光斑。待測液體濃度改變時(shí)折射率也隨之變化，導(dǎo)致出射光在線陣CCD 5上的光斑發(fā)生位移，通過光斑位置信息可實(shí)現(xiàn)液體濃度測量。 激光光源由激光二極管構(gòu)成，為提高測量靈敏度可在線陣CCD前加一放大鏡，處 理電路的邏輯功能可由FPGA或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
一種基于玻璃合成體和線陣CCD的液體濃度測量裝置，包括激光光源、用于密封的玻璃片、玻璃合成體、線陣CCD、電路單元和箱體；其特征是所述玻璃合成體的上下底面為相互平行的平面、一個(gè)側(cè)面為斜面、與斜面相對的側(cè)面為圓柱面，玻璃合成體的上下底面鍍內(nèi)反射膜；玻璃合成體、激光光源、線陣CCD及電路單元置于箱體中，線陣CCD置于玻璃合成體的圓柱面的前方，激光光源發(fā)出的光束垂直于玻璃合成體兩底面并照射到玻璃合成體的斜面上；箱體開有使玻璃合成體的斜面部分暴露的開口，開口處由用于密封的玻璃片實(shí)現(xiàn)箱體的整體密封；玻璃合成體、激光光源、線陣CCD和電路單元連接；箱體置于裝有待測液體的容器中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于玻璃合成體和線陣CCD的液體濃度測量裝置，其特征是 所述的激光光源由激光二極管構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于玻璃合成體和線陣CCD的液體濃度測量裝置，其特 征是在線陣CCD前設(shè)置有一放大鏡。
4.一種基于玻璃合成體和線陣CCD的光學(xué)液體濃度測量方法，其特征是所采用的測 量裝置的組成包括激光光源、用于密封的玻璃片、玻璃合成體、線陣CCD、電路單元和箱體； 所述玻璃合成體的上下底面為相互平行的平面、一個(gè)側(cè)面為斜面、與斜面相對的側(cè)面為圓 柱面，玻璃合成體的上下底面鍍內(nèi)反射膜；玻璃合成體、激光光源、線陣CCD及電路單元置 于箱體中，線陣CCD置于玻璃合成體的圓柱面的前方，激光光源發(fā)出的光束垂直于玻璃合 成體兩底面并照射到玻璃合成體的斜面上；箱體開有使玻璃合成體的斜面部分暴露的開 口，開口處由用于密封的玻璃片實(shí)現(xiàn)箱體的整體密封；玻璃合成體、激光光源、線陣CCD和 電路單元連接；箱體置于裝有待測液體的容器中；激光光源發(fā)出的光束從玻璃合成體的斜 面入射，并在液體和玻璃合成體界面處發(fā)生折射，折射光束在玻璃合成體內(nèi)上下底面經(jīng)過 多次反射后在玻璃體圓柱面端射出，出射光在線陣CCD上形成光斑；經(jīng)調(diào)整后，斜面處入射 光的延長線與圓柱面處入射光的反向延長線的交點(diǎn)與圓柱面的軸線相交；液體折射率隨著 濃度變化而變化，當(dāng)液體濃度改變時(shí)，折射角發(fā)生變化，使得光束在玻璃合成體內(nèi)部的反射 角也相應(yīng)發(fā)生位移，光束便會(huì)從圓柱面上不同位置徑向出射，在線陣CCD上的光斑位置隨 之發(fā)生位移，利用光斑的位置獲得液體濃度信息。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于玻璃合成體和線陣CCD的液體濃度測量裝置及方法。包括激光光源、用于密封的玻璃片、玻璃合成體、線陣CCD、電路單元和箱體。玻璃合成體的上下底面為相互平行的平面、一個(gè)側(cè)面為斜面、與斜面相對的側(cè)面為圓柱面，玻璃合成體的上下底面鍍內(nèi)反射膜。利用液體濃度與折射率的關(guān)系及光學(xué)的折射、反射原理。入射光透過液體射入玻璃合成體的斜面，在玻璃合成體內(nèi)部經(jīng)過多次反射之后從柱面射出，再由線陣CCD接收。通過線陣CCD上光斑位移便可與液體濃度建立對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而測量液體的濃度。該測量方法結(jié)構(gòu)簡單、易于布放、穩(wěn)定性高，可在線測量使用，并可在腐蝕性等惡劣工業(yè)環(huán)境中工作。
文檔編號G01N21/41GK101995393SQ201010297840
公開日2011年3月30日 申請日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者孫洪穎, 孫秋華, 張曉敏, 朱正, 溫強(qiáng), 王云峰, 高偉強(qiáng) 申請人:哈爾濱工程大學(xué)