本發(fā)明涉及溶液濃度測(cè)量，更具體地說，涉及一種基于折射率測(cè)量溶液濃度的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、溶液的濃度是化學(xué)、生物、制藥等領(lǐng)域中常用的一個(gè)重要參數(shù)。傳統(tǒng)的溶液濃度測(cè)量方法包括重量法、滴定法、電導(dǎo)率法等，這些方法雖然準(zhǔn)確，但操作復(fù)雜、耗時(shí)較長，且可能受到多種因素的影響。近年來，隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，折射率測(cè)量法因其快速、準(zhǔn)確、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為溶液濃度測(cè)量的重要手段之一。

2、目前在對(duì)溶液進(jìn)行配置時(shí)，一般采用折射率測(cè)量法測(cè)量溶液的濃度，通過光線直接穿過裝有待測(cè)液的容器，經(jīng)待測(cè)液的折射后在背部顯光背板上形成光斑，同時(shí)通過光線穿過空載的容器，在顯光背板上形成第二個(gè)光斑，繼而通過測(cè)量光線的出射距離以及兩個(gè)光斑的間距，并通過函數(shù)計(jì)算得出待測(cè)液的濃度，但由于直接測(cè)量缺少對(duì)照試驗(yàn)，容易因溶液中溶質(zhì)濃度的分布不均而產(chǎn)生試驗(yàn)誤差，導(dǎo)致溶液濃度的測(cè)量不準(zhǔn)確，鑒于此，我們提出一種基于折射率測(cè)量溶液濃度的系統(tǒng)和方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于折射率測(cè)量溶液濃度的系統(tǒng)和方法，以解決當(dāng)前現(xiàn)有的測(cè)量方式由于直接測(cè)量缺少對(duì)照試驗(yàn)，容易因溶液中溶質(zhì)濃度的分布不均而產(chǎn)生試驗(yàn)誤差，導(dǎo)致溶液濃度的測(cè)量不準(zhǔn)確的技術(shù)問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種基于折射率測(cè)量溶液濃度的系統(tǒng)，包括光線發(fā)射模塊：

3、所述光線發(fā)射模塊連接有儲(chǔ)液系統(tǒng)并用于向儲(chǔ)液系統(tǒng)發(fā)射光線，所述儲(chǔ)液系統(tǒng)用于對(duì)溶液進(jìn)行存儲(chǔ)測(cè)試，且儲(chǔ)液系統(tǒng)連接有用于對(duì)光線穿過儲(chǔ)液系統(tǒng)后對(duì)光斑進(jìn)行顯示的光斑顯示模塊，所述光斑顯示模塊連接有用于對(duì)光斑圖像進(jìn)行采集的圖像采集模塊，所述圖像采集模塊連接有用于對(duì)采集后的光斑圖像進(jìn)行處理的圖像處理模塊，所述圖像處理模塊連接有用于對(duì)處理后的光斑圖像進(jìn)行分析的圖像分析模塊，所述圖像分析模塊連接有用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理計(jì)算的數(shù)據(jù)處理模塊，所述數(shù)據(jù)處理模塊連接有用于對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行輸出的數(shù)據(jù)輸出模塊，所述數(shù)據(jù)輸出模塊連接有用于對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行顯示的結(jié)果顯示模塊。

4、優(yōu)選的，所述光線發(fā)射模塊用于產(chǎn)生特定波長、穩(wěn)定且可調(diào)節(jié)強(qiáng)度的光線，所述儲(chǔ)液系統(tǒng)包括直角三角形容器，所述光斑顯示模塊包括用于對(duì)光斑坐標(biāo)進(jìn)行讀數(shù)的刻度板。

5、優(yōu)選的，所述圖像采集模塊包括用于在光斑圖像采集過程中進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦以及曝光調(diào)節(jié)的自動(dòng)對(duì)焦模塊和曝光調(diào)節(jié)模塊，所述圖像處理模塊包括用于對(duì)采集到的光斑圖像進(jìn)行去噪處理的去噪模塊、用于增強(qiáng)圖像對(duì)比度的對(duì)比度增強(qiáng)模塊以及用于對(duì)光斑圖像邊緣進(jìn)行檢測(cè)的邊緣檢測(cè)模塊，所述圖像分析模塊包括用于對(duì)圖像處理模塊中處理后光斑圖像中的光斑進(jìn)行定位的光斑定位模塊、用于對(duì)光斑中像素點(diǎn)亮度進(jìn)行分析的亮度分析模塊，以及用于對(duì)光斑中干擾像素點(diǎn)進(jìn)行去除的干擾去除模塊。

6、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)處理模塊用于依據(jù)光斑坐標(biāo)、間距以及光線出射長度參數(shù)對(duì)溶液濃度進(jìn)行計(jì)算，且數(shù)據(jù)處理模塊包括用于對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化處理的數(shù)字化模塊、用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理的濾波模塊、用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行放大處理的放大模塊以及用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。

7、優(yōu)選的，所述結(jié)果顯示模塊包括用于對(duì)數(shù)據(jù)處理模塊處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行表格和圖表展示的顯示形式模塊、用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄的歷史記錄模塊、用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的統(tǒng)計(jì)分析模塊以及用于供用戶進(jìn)行操作的用戶界面模塊。

8、一種基于折射率測(cè)量溶液濃度的方法，包括如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的基于折射率測(cè)量溶液濃度的系統(tǒng)，包括以下步驟：

9、s1、材料準(zhǔn)備；

10、準(zhǔn)備一個(gè)由特定透明材料制成的直角三角形容器，該容器的材質(zhì)對(duì)光線的折射率記為nc，設(shè)為1.5，容器的直角邊長度分別記為la和lb，斜邊長度記為lc，直角角度為90°，另兩個(gè)角分別記為∠α和∠β，其中

11、準(zhǔn)備一個(gè)高精度刻度板，刻度板的最小刻度為精確至0.1毫米，其材質(zhì)不會(huì)對(duì)光線產(chǎn)生干擾，且表面平整度在0.05毫米以內(nèi)，以確保光斑位置測(cè)量的準(zhǔn)確性；

12、準(zhǔn)備一個(gè)高分辨率圖像采集設(shè)備，該設(shè)備具備足夠的像素和動(dòng)態(tài)范圍，能夠清晰采集刻度板上光斑的圖像，并且可以連接至計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像分析處理；

13、準(zhǔn)備一個(gè)穩(wěn)定的光源，光源能夠發(fā)射特定波長范圍為400nm-700nm的光線，其功率穩(wěn)定性在1％以內(nèi)，光源發(fā)出的光線以垂直于直角三角形容器的直角邊的角度入射；

14、s2、空載容器光線測(cè)試；

15、讓垂直于直角邊la入射的光線在容器內(nèi)經(jīng)過折射和反射后，從容器穿出并在刻度板上形成光斑；

16、利用圖像采集設(shè)備采集空載狀態(tài)下刻度板上的光斑圖像，并傳輸至計(jì)算機(jī)；

17、通過設(shè)置圖像分析模塊，對(duì)光斑像素點(diǎn)的亮度分布進(jìn)行分析，設(shè)光斑圖像中像素點(diǎn)的坐標(biāo)為(x，y)，像素點(diǎn)的亮度值為i(x，y)，首先確定光斑的大致區(qū)域，可通過設(shè)定亮度閾值t，將亮度值大于t的像素點(diǎn)組成光斑的候選區(qū)域，然后，采用以下算法確定光斑中心點(diǎn)：

18、計(jì)算光斑候選區(qū)域的中心坐標(biāo)(xc，yc)，公式為：

19、

20、以重心坐標(biāo)為中心，選取一定半徑范圍內(nèi)的像素點(diǎn)進(jìn)行二次擬合，采用二維高斯函數(shù)進(jìn)行擬合，其中a為幅度，(x0，y0)為光斑中心坐標(biāo)，σx和σy分別為在x和y方向上的標(biāo)準(zhǔn)差，通過最小二乘法求解擬合參數(shù)，得到光斑中心點(diǎn)坐標(biāo)(x0，y0)；

21、使用高精度測(cè)量工具，測(cè)量光線從容器穿出的出射點(diǎn)與空載光斑中心點(diǎn)的距離，記為l1空，l1空為空載距離；

22、s3、去離子水光線測(cè)試；

23、將去離子水緩慢注入直角三角形容器中，確保水中無氣泡且液面平整；

24、重復(fù)空載容器光線測(cè)試中的光線入射、圖像采集和光斑中心點(diǎn)確定步驟；

25、測(cè)量光線從容器穿出的出射點(diǎn)與裝有去離子水后光斑中心點(diǎn)的距離，記為l1水；

26、根據(jù)斯涅爾定律，設(shè)光線在空氣中的折射率為n0＝1,在去離子水中的折射率為nw,有n0?sinθ0＝nw?sinθw，其中θ0光線在空氣中入射到容器壁的角度，已知為90°，通過測(cè)量出射角θw，結(jié)合已知的n0，計(jì)算出nw；

27、s4、待測(cè)溶液注入及光線測(cè)試；

28、將待測(cè)溶液緩慢注入直角三角形容器中，確保溶液中無氣泡且液面平整；

29、重復(fù)空載容器光線測(cè)試中的光線入射、圖像采集和光斑中心點(diǎn)確定步驟；

30、計(jì)算空載情況下光斑與裝有溶液情況下光斑之間的間距，記為l2；

31、s5、混合溶液光線測(cè)試；

32、在裝有去離子水的直角三角形容器中注入一定量的待測(cè)溶液，形成混合溶液，設(shè)注入的待測(cè)溶液體積為vt，去離子水體積為vw，混合溶液總體積為vm＝vt+vw；

33、重復(fù)空載容器光線測(cè)試中的光線入射、圖像采集和光斑中心點(diǎn)確定步驟；

34、測(cè)量光線從容器穿出的出射點(diǎn)與裝有混合溶液后光斑中心點(diǎn)的距離，記為l3，同時(shí)，計(jì)算裝有混合溶液的光斑與裝有去離子水的光斑之間的位置變化量，記為δl混水＝l3-l1水；

35、計(jì)算混合溶液中待測(cè)液的濃度。設(shè)混合溶液中待測(cè)液的濃度為c混，根據(jù)以下公式計(jì)算：

36、首先，根據(jù)混合溶液的折射率與組成成分的關(guān)系，混合溶液的折射率nm可表示為nm＝c混·ns+(1-c混)·nw，其中ns為待測(cè)溶液的折射率，nw為去離子水的折射率；

37、結(jié)合折射角變化量和距離關(guān)系，構(gòu)建方程組：

38、

39、其中θs為光線在待測(cè)溶液中的出射角，θm為光線在混合溶液中的出射角，

40、f2(ns，nm，θs，θm)＝nm-c混·ns-(1-c混)·nw＝0；

41、通過數(shù)值求解方法同時(shí)求解方程組，得到混合溶液中待測(cè)液的濃度c混；

42、s6、修正與濃度計(jì)算；

43、使用l1水對(duì)l1空進(jìn)行修正，修正公式為l1修正＝l1空+k×(l1水-l1空),其中修正系數(shù)k,通過多次實(shí)驗(yàn)取平均值確定，設(shè)為0.8；

44、根據(jù)修正后的距離l1修正、間距l(xiāng)2以及位置變化量δl混水，還有直角三角形容器的已知角度∠α和∠β，通過以下計(jì)算公式計(jì)算得出待測(cè)溶液的濃度c：

45、首先，根據(jù)光的折射定律，結(jié)合上述測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出光線在空載容器、裝有去離子水的容器、裝有待測(cè)溶液的容器以及裝有混合溶液的容器中的折射角變化量。設(shè)光線在待測(cè)溶液中的折射率為ns，在混合溶液中的折射率為nm，有n0?sinθ0＝ns?sinθs和n0?sinθ0＝nmsinθm，其中θs和θm分別為光線在待測(cè)溶液和混合溶液中的出射角，通過測(cè)量出射角結(jié)合已知的n0計(jì)算出ns和nm，折射角變化量分別為δθs＝θs-θ0，δθm＝θm-θ0；

46、然后，進(jìn)行復(fù)雜的公式整合與推導(dǎo)：

47、根據(jù)混合溶液的體積比和濃度關(guān)系，有

48、結(jié)合折射角變化量和距離關(guān)系，構(gòu)建如下復(fù)雜方程組：

49、

50、f2(ns，nm，θs，θm)＝nm-c混·ns-(1-c混)·nw＝0；

51、通過數(shù)值求解方法同時(shí)求解方程組，得到ns與c的關(guān)系，設(shè)已知溶液的折射率ns與濃度c之間存在特定的函數(shù)關(guān)系為g(ns)＝c，通過該函數(shù)關(guān)系計(jì)算出待測(cè)溶液的濃度c；

52、通過對(duì)比c混和c對(duì)比并進(jìn)行平均值計(jì)算，即可得到溶液的密度。

53、本發(fā)明通過在裝有去離子水的直角三角形容器中注入一定量的待測(cè)溶液，形成混合溶液，并通過溶液混合后的體積變化以及光斑折射位置變化綜合計(jì)算混合溶液中待測(cè)溶液的濃度，從而與直接測(cè)量待測(cè)溶液濃度形成了對(duì)照組，有利于對(duì)比驗(yàn)證待測(cè)溶液濃度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

54、優(yōu)選的，在測(cè)量過程中，保持環(huán)境溫度在20℃-25℃之間，以減少溫度對(duì)溶液折射率和容器尺寸的影響。

55、優(yōu)選的，為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性，可以進(jìn)行多次測(cè)量并取平均值，對(duì)于空載容器、裝有去離子水的容器、裝有溶液的容器和裝有混合溶液的容器，分別進(jìn)行至少5次的光線測(cè)試、圖像采集和光斑中心點(diǎn)確定步驟，然后計(jì)算出平均的空載距離l1ɑvg空、裝有去離子水后的距離l1ɑvg水、間距l(xiāng)2ɑvg以及位置變化量δlɑvg混水，再進(jìn)行修正和濃度計(jì)算。

56、優(yōu)選的，為了驗(yàn)證測(cè)量方法的準(zhǔn)確性，可以使用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，將已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液注入直角三角形容器中，按照上述測(cè)量步驟進(jìn)行測(cè)試，并將計(jì)算得出的濃度與標(biāo)準(zhǔn)溶液的已知濃度進(jìn)行比較，誤差在5％以內(nèi)視為測(cè)量方法準(zhǔn)確。

57、優(yōu)選的，該方法可以適用于不同類型的溶液，包括但不限于透明溶液、有色溶液和渾濁溶液，但對(duì)于渾濁溶液，需要對(duì)圖像分析算法進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以準(zhǔn)確確定光斑中心點(diǎn)。

58、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

59、1、本發(fā)明通過在裝有去離子水的直角三角形容器中注入一定量的待測(cè)溶液，形成混合溶液，并通過溶液混合后的體積變化以及光斑折射位置變化綜合計(jì)算混合溶液中待測(cè)溶液的濃度，從而與直接測(cè)量待測(cè)溶液濃度形成了對(duì)照組，有利于對(duì)比驗(yàn)證待測(cè)溶液濃度測(cè)量的準(zhǔn)確性，解決了現(xiàn)有的測(cè)量方式由于直接測(cè)量缺少對(duì)照試驗(yàn)，容易因溶液中溶質(zhì)濃度的分布不均而產(chǎn)生試驗(yàn)誤差，導(dǎo)致溶液濃度的測(cè)量不準(zhǔn)確的問題。

60、2、本發(fā)明還通過設(shè)置圖像分析模塊，對(duì)光斑像素點(diǎn)的亮度分布進(jìn)行分析，并通過設(shè)定亮度閾值t，將亮度值大于t的像素點(diǎn)組成光斑的候選區(qū)域，隨后通過計(jì)算得到光斑候選區(qū)域的中心坐標(biāo)，從而提升了光斑位于刻度板上讀數(shù)的準(zhǔn)確性，從而有利于降低因光線穿過溶液后發(fā)生散熱導(dǎo)致光斑模糊讀數(shù)不準(zhǔn)，影響溶液濃度計(jì)算準(zhǔn)確性的問題。

61、3、本發(fā)明還通過在容器中注入去離子水，通過光線穿過去離子水后的距離對(duì)容器空載狀態(tài)下的距離進(jìn)行修正，從而提升容器在空載狀態(tài)下光線從容器內(nèi)的出射點(diǎn)到刻度板上光斑之間長度的準(zhǔn)確性，從而克服測(cè)量誤差，進(jìn)一步提升溶液濃度計(jì)算的準(zhǔn)確性。