專利名稱：一種用于測量液相氣體折射率的測量儀及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學折射率測量領域，具體涉及一種光學折射率測量儀及測量方法，用于高壓下的液相氣體的各種特性參數(shù)的測量和定性分析，同時也可對常溫、常壓下液體溶液進行測量。
背景技術：
折射率不僅是表征物質(zhì)光學特性的基本物理量，而且也是新材料合成、物質(zhì)鑒別和科學研究中一項重要的性能參數(shù)，其與物質(zhì)的密度、濃度、溫度以及應力等物理量有關，廣泛地應用在光學、煉油、造紙、食品、材料等技術領域。 液相氣體折射率與氣體物理和化學性能參數(shù)存在著線性關系，折射率的測量相對于其他的物理量的測量更易于實現(xiàn)。根據(jù)Lorentz-Lorenz公式，物質(zhì)的折射率是單位體積內(nèi)物質(zhì)中的微觀粒子(原子或分子)的個數(shù)N的函數(shù)。由上述原理該液相氣體折射率儀也可應用在氣體鑒別和組份分析。目前，液相氣體折射率的測量方法主要分為波動光學、SPR技術、光纖傳感技術、臨界角法。波動光學優(yōu)點是測量精度高，但該方法可實現(xiàn)性差、對設備要求較高、抗干擾性差、成本較高不適合大規(guī)模生產(chǎn)和應用。SPR技術的優(yōu)點是測量精度高、適合商業(yè)應用，但該方法測量時間較長，無法實現(xiàn)在線測量、抗外界雜質(zhì)干擾較差、界面金屬膜容易被腐蝕，不適合極端條件下折射率測量。光纖傳感技術的優(yōu)點是測量靈敏度高、抗外界電磁干擾較強，但該方法對器件要求較高、系統(tǒng)實現(xiàn)成本較高、受氣泡和界面雜質(zhì)影響大。臨界角法的優(yōu)點是測量精度高、抗干擾性強、系統(tǒng)維護簡單、適合大規(guī)模生產(chǎn)和應用、適合極端條件液相氣體折射率測量。阿貝折光計是臨界角法的典型代表，因其測量原理簡單、精度高、系統(tǒng)可靠性高、抗外界干擾強在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學研究領域大量使用。臨界角法由探測界面上光斑大小分為聚焦型臨界法和發(fā)散型臨界法。CN102012359公開了一種發(fā)散型臨界角發(fā)測量液體參數(shù)的方法。該方法是將入射光線照射在探測界面質(zhì)上，通過光線在探測界面發(fā)生部分反射和全反射從而液體折射率測量。該方法所需探測面較大，只適合測量在常溫、常壓下液體的參數(shù)。而且，由于發(fā)散型臨界法其入射到棱鏡探測面的光束具有固定的發(fā)散角，探測界面材料的折射率不均勻，因此折射率測量范圍比較狹窄，探測面容易受雜質(zhì)影響、束縛光束能力較差，容易因光線泄露而影響系統(tǒng)精度、棱鏡斜面的空氣隙容易受外界影響，而使系統(tǒng)失效。聚焦型臨界法是利用平凸透鏡將入射光束聚焦在測量界面上，從而測量聚焦點處的折射率。該方法的優(yōu)點是測量精度不受界面上折射率分布不同而受影響、成像端光斑的明暗界限明顯、測量范圍遠比發(fā)散型臨界法大、方便維護、易于大規(guī)模生產(chǎn)和應用。通過將裝置倒置可以提高系統(tǒng)抗界面氣泡和雜質(zhì)的干擾，從而減小系統(tǒng)誤差提高系統(tǒng)精度。通過改變照明系統(tǒng)的像距、物距以及透鏡的焦距，可以增加棱鏡探測面入射角的范圍，從而達到擴大折射率測量范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提出一種基于全反射原理測量液相氣體的折射率的測量儀，其利用聚焦型臨界法測量液相氣體的折射率，為氣體鑒別和組份分析奠定了基礎，同時該折射率具有取樣少、適合高壓等極端條件下液體或者液相氣體的測量、精度高、在線測量、維護方便等優(yōu)點。實現(xiàn)本發(fā)明目的的一種用于測量液相氣體折射率的測量儀，包括點光源照明模塊，其包括LED光源、耦合器、多模光纖以及輸出透鏡，所述LED光源輸出的光經(jīng)所述耦合器耦合到多模光纖中，在多模光纖傳輸后經(jīng)所述透鏡聚焦后出射，以對待檢測液相氣體進行檢測；
探測棱鏡，其一表面與所述待測液體表面接觸形成反射面，所述點光源照明模塊出射后的光束在該反射面上聚焦為一點，形成光斑，并發(fā)生全反射和部分反射；反射光接收模塊，其用于收集經(jīng)所述棱鏡反射面反射的光線，并將收集的光信號轉(zhuǎn)換成電信號形成圖像信息輸出；圖像分析模塊，其對輸出的圖像信息進行處理，提取出光斑中的明暗界限，進而得到待測物的折射率。作為本發(fā)明的改進，所述的測量儀還包括取樣容腔用于容置待測液體，其上部表面開有圓孔，所述待測液體通過該圓孔與所述探測棱鏡的表面接觸形成所述反射面。作為本發(fā)明的改進,入射到底面的光束中，入射角大于臨界角的光束發(fā)生全反射，入射角小于臨界角的光束發(fā)生部分反射，其部分能量透射到待測的液相氣體中。作為本發(fā)明的改進，所述的圖像分析模塊提取光斑中的明暗界限可以采用如下方法(a)在光斑圖像中劃取一包含所述明暗界限的區(qū)域；(b)對所選取的區(qū)域，將其中每一行的圖像數(shù)據(jù)疊加，得到一行疊加后的圖像數(shù)據(jù)；(C)對該行疊加后的圖像數(shù)據(jù)，以其中任意列像素與其前一列像素之間的差作為斜率，將斜率最大的點作為界限點。本發(fā)明的點光源照明模塊可以通過改變光源的出光頭與透鏡的距離，平凸透鏡的焦距以及平凸透鏡與棱鏡上表面的距離，來改變?nèi)肷涔馐陌l(fā)散角的大小，從而加大折射率的測量范圍和系統(tǒng)精度。依據(jù)斯涅耳(Snell)原理，光線自光密介質(zhì)折射入光疏介質(zhì)時，折射角大于入射角，且折射角隨入射角的增大而增大，當入射角增大到一定值時，折射角將增大為90度。光束中部分光線將全反射，光束中另外一部分光線的能量將部分反射部分透射。如圖3，當入射角大于或者等于臨界角時，入射光線不發(fā)生透射；當入射角小于臨界角時，入射光線發(fā)生透射，反射光能量降低。入射光束不變且棱鏡折射率nl —定，液體折射率n2發(fā)生相對變化時，臨界角Θ c將隨著η2的變化而變化。通過計算反射光斑中明暗界限的位置，就可以通過計算得到有機溶液密度值。本發(fā)明折射率儀的光學棱鏡可以是等邊棱鏡，點光源發(fā)出的光束經(jīng)過透鏡聚焦，會聚光線經(jīng)過棱鏡SI面在棱鏡探測面S2上聚焦成一點。在S2面上探測點與待測液體接觸，一部分角度光線發(fā)生全反射，另外一部分光線發(fā)生部分反射。經(jīng)過S2面反射的光線透過S3面由透鏡會聚到CXD像面上。
本發(fā)明折射率儀的光線收集模塊的作用是將反射光斑耦合到CCD的感光面上從而實現(xiàn)反射光斑的全部接收，并將接收的光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。該CCD可以為一維的線陣(XD，也可以為二維的面陣(XD。本發(fā)明折射率儀的點光源照明模塊是由LED、耦合器、多模光纖以及輸出透鏡構(gòu)成。LED輸出的光經(jīng)過耦合器將光耦合到多模光纖中，經(jīng)過多模光纖的光束可以認為是一束具有一定發(fā)散角的點光源。光纖耦合輸出光束經(jīng)過透鏡擴大發(fā)散角并將光束聚焦到棱鏡探測面上。該模塊可以通過擴大光束的發(fā)散角來提高系統(tǒng)的測量范圍和精度。本發(fā)明折射率儀采用聚焦型臨界角法，可以克服棱鏡探測面材質(zhì)折射率不均勻的影響。在測量時裝置可以倒置，這樣可以保證測量點與待測液相氣體或者液體接觸，從而提高系統(tǒng)抗干擾能力。本發(fā)明不需要專門設計精密結(jié)構(gòu)將探測棱鏡進行密封處理，同時棱鏡斜面的空氣隙不易受外部影響。該折射率儀利用聚焦型臨界角法可以測量具有高強度壓強 的液態(tài)氣體，而發(fā)散型臨界角法由于棱鏡底面與待測液體接觸面積較大，棱鏡密封處理較困難。本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于測量液相氣體折射率的方法，包括SI :利用光源產(chǎn)生用于測量的LED光束；S2:將光束聚焦在探測棱鏡的棱鏡面上，該棱鏡面與所述待測液相氣體表面接觸形成反射面，光束在該反射面上聚焦形成光斑，并發(fā)生全反射和部分反射；S3:收集經(jīng)所述反射面反射的光線，并對收集的光斑圖像進行處理，提取出光斑中的明暗界限，進而即可得到待測物的折射率。本發(fā)明的裝置和方法測量液相氣體折射率具有精度高、維護簡單、實現(xiàn)容易、抗干擾能力強、受測量環(huán)境影響小等優(yōu)點。


圖I是本發(fā)明實施例的一種用于液相氣體折射率在線測量儀。圖2是本發(fā)明實施例中點光源照明模塊的結(jié)構(gòu)圖。圖3是本發(fā)明實施例中臨界角法反射光線與透射光線示意圖。圖4是本發(fā)明實施例中理想情況下反射光斑圖。圖5中，(a)是本發(fā)明所采用的聚焦型臨界法的原理示意圖，(b)為現(xiàn)有技術的發(fā)散型臨界法的原理示意圖。圖6是某液相氣體在CXD像面上明暗界限隨組分折射率變化圖。圖7是本發(fā)明實施例的折射率測量儀測量食鹽水時，食鹽水濃度與象素的關系曲線圖。圖8是本發(fā)明實施例的折射率儀測量某液相混合氣體時，接收光斑的明暗界限圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步說明，但本發(fā)明不僅限于該實施例。如圖I，本實施例的折射率測量儀包括LED光纖照明模塊I、探測棱鏡3、高壓液相氣體取樣容腔4、反射光能量收集模塊5和圖像處理模塊7。待測液相氣體通過測量儀的取樣模塊4中的入口進入取樣容腔4，進入取樣容腔4的液相氣體與探測棱鏡3底面接觸形成反射面。取樣容腔4中的空氣或者雜質(zhì)通過取樣容腔4的出口排出。本實施例中的該取樣容腔4可以承受50個大氣壓，適合絕大多數(shù)液相氣體的取樣。LED光纖點光源照明模塊I將入射到探測棱鏡3的光束聚焦到探測棱鏡3底面上。入射到底面的光束，入射角大于臨界角的光束發(fā)生全反射；入射角小于臨界角的光束發(fā)生部分反射，即有一部分能量透射到待測的液相氣體中。經(jīng)過探測界面反射的光束經(jīng)過透鏡5將反射光斑耦合到接收模塊5的CCD像面上。CCD將接收的光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸入到圖像處理模塊7中。由圖像處理模塊7得到的反射光斑圖像將光斑中的明暗界限提取出來，并得到明暗界限位置與待測液相氣體折射率的關系式，繼而可以獲得待測液相氣體的折射 率。本實施例中對于光斑中的明暗界限提取可以優(yōu)選采用微分法微分法是通過比較反射光光強的差異來判斷臨界角的，這使得它具備抗干擾強的優(yōu)點。根據(jù)菲涅爾反射原理，當某一密度的液體覆蓋在傳感器棱鏡的表面時，CMOS圖像傳感器拍攝到的光斑的圖像中存在一條明暗界限，密度越高，界限越往右側(cè)移動，并且密度的增加量與界限的位移量呈線性關系。該圖像界限可以通過微分法來進行提取。標定幾組密度已知的標準液在圖像中界限的位置，就能通過界限識別算法計算出待測量液體的密度和折射率。本實施例中采用微分法的具體圖像算法原理如下a)劃取區(qū)域，如圖4所示，圓形區(qū)域為CMOS所拍圖像中的光斑，光斑中存在一條明暗界限，為了保證測量范圍和測量精度，在圓形光斑區(qū)域中首先劃取一個長方形區(qū)域(上圖光斑中的長方形區(qū)域)，僅取出方框中的數(shù)據(jù)進行處理；(b)按行疊加，針對所選取的長方形區(qū)域，把每一行的數(shù)據(jù)疊加起來，最終得到一行疊加后的數(shù)據(jù)。這種按行疊加的方法可以增加系統(tǒng)的抗干擾性能；(C)FIR濾波，設計FIR低通濾波器，濾除高頻噪音，增加算法的抗干擾性能；(d)界限提取，本系統(tǒng)采用斜率法提取界限，即針對第i列像素，第i+Ι列像素和第i列像素之間的差作為斜率，將斜率最大的點作為界限的位置，其中i為任一整數(shù)。本發(fā)明的在線式液相氣體折射率測量儀不僅可以測溶液的折射率、電解液的折射率還可以測量液相氣體的折射率。在液相氣體氣壓恒定的情況下，由于玻璃材料承受壓力能力一般較小，同時玻璃受力與接觸面積成正比，因此應較小于待測液相氣體的面積從而避免玻璃棱鏡因受力過大而破裂。傳統(tǒng)的折射率儀由于探測面積較大，只能測量溶液而不能測量具有較大壓力的液相氣體的折射率。本折射率測量儀是利用物理光學中全反射的原理，采用聚焦型臨界角法測量液相氣體折射率可以實現(xiàn)對液相氣體折射率的測量，該方法所需取樣面小，易于對高壓的液相氣體進行測量。本發(fā)明的測量儀可以對高壓下的液相氣體進行折射率測量，當然也可以對高壓下的液體或常壓下的各種液體的折射率進行測量。本發(fā)明的一種用于測量液相氣體折射率的方法，包括SI :利用光源產(chǎn)生用于測量的LED光束；S2:將光束聚焦在探測棱鏡的棱鏡面上，該棱鏡面與所述待測液相氣體表面接觸形成反射面，光束在該反射面上聚焦形成光斑，并發(fā)生全反射和部分反射；
S3:收集經(jīng)所述反射面反射的光線，并對收集的光斑圖像進行處理，提取出光斑中的明暗界限，進而即可得到待測物的折射率。待測液相氣體與棱鏡面接觸形成的反射面可以與光束的光斑大小一致或相適應。待測液相氣體裝在一開有圓孔的容腔4中，該容腔表面與棱鏡面抵接，待測液相氣體通過該圓孔與棱鏡面接觸形成反射面。該圓孔很小，以確保其能夠承受液相氣體的高壓，該圓孔可以與光斑大小一致。本發(fā)明的測量儀的物理模型可由Snell定律、菲涅爾反射定律以及全反射原理決定。折射率儀測量范圍可由以下公式評定，
權(quán)利要求
1.一種用于測量液相氣體折射率的測量儀，包括 點光源照明模塊(1)，其包括LED光源(11)、耦合器(12)、多模光纖(13)以及輸出透鏡(14)，所述LED光源(11)輸出的光經(jīng)所述耦合器(12)耦合到多模光纖(13)中，經(jīng)該多模光纖(13)傳輸后由所述透鏡(14)聚焦后出射，以對待檢測液相氣體進行檢測； 探測棱鏡(3)，其一棱鏡面與所述待測液體表面接觸形成反射面，所述點光源照明模塊(O出射后的光束在該反射面上聚焦形成光斑，并發(fā)生全反射和部分反射； 反射光接收模塊(5)，其收集經(jīng)所述反射面反射的光線，并將收集的光斑圖像信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出； 圖像分析模塊(7)，其對輸出的光斑圖像信息進行處理，提取出光斑中的明暗界限，進而即可得到待測物的折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于測量液相氣體折射率的測量儀，其特征在于，所述的測量儀還包括取樣容腔(4)，用于容置待測液體，其表面開有圓孔，所述待測液體通過該圓孔與所述探測棱鏡(3)的表面接觸形成所述反射面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種用于測量液相氣體折射率的測量儀，其特征在于，所述入射到反射面的光束中，入射角大于臨界角的光束發(fā)生全反射，入射角小于臨界角的光束發(fā)生部分反射，其部分能量透射到待測的液相氣體中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的一種用于測量液相氣體折射率的測量儀，其特征在于，所述的圖像分析模塊(7)提取光斑中的明暗界限可以采用如下過程 (a)在光斑圖像中選取一包含所述明暗界限的區(qū)域； (b)對所選取的區(qū)域，將其中每一行的圖像數(shù)據(jù)疊加，得到一行疊加后的圖像數(shù)據(jù)； (c)對該行疊加后的圖像數(shù)據(jù)，以其中任意列像素與其前一列像素之間的差作為斜率，將斜率最大的點作為界限點。
5.一種用于測量液相氣體折射率的方法，包括 51:利用光源產(chǎn)生用于測量的LED光束； 52:將光束聚焦在探測棱鏡的棱鏡面上，該棱鏡面與所述待測液相氣體表面接觸形成反射面，光束在該反射面上聚焦形成光斑，并發(fā)生全反射和部分反射； 53:收集經(jīng)所述反射面反射的光線，并對收集的光斑圖像進行處理，提取出光斑中的明暗界限，進而即可得到待測物的折射率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于測量液相氣體折射率的方法，其特征在于，所述的待測液相氣體與所述棱鏡面接觸形成的反射面與所述光束的光斑大小一致。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的一種用于測量液相氣體折射率的方法，其特征在于，所述的待測液相氣體裝在一開有圓孔的容腔(4)中，該容腔表面與所述棱鏡面抵接，所述的待測液相氣體通過該圓孔與所述棱鏡面接觸形成反射面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于測量液相氣體折射率的測量儀，包括點光源照明模塊，其產(chǎn)生光束以對待檢測液相氣體進行檢測；探測棱鏡，其一棱鏡面與所述待測液體表面接觸形成反射面，點光源照明模塊出射后的光束在該反射面上聚焦形成光斑，并發(fā)生全反射和部分反射；反射光接收模塊，其用于收集經(jīng)所述反射面反射的光線，并將收集的光斑圖像信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出；圖像分析模塊，其對輸出的光斑圖像信息進行處理，提取出光斑中的明暗界限，進而即可得到待測物的折射率。本發(fā)明還公開了一種測量液相氣體折射率的方法。本發(fā)明的裝置和方法可以有效測量液相氣體折射率，具有精度高、維護簡單、實現(xiàn)容易、抗干擾能力強、受測量環(huán)境影響小等優(yōu)點。
文檔編號G01N21/43GK102967583SQ20121044715
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月11日
發(fā)明者楊克成, 葉駿偉, 夏珉, 郭文平, 李微 申請人:華中科技大學