液体浓度在线测量仪的制作方法
专利名称：液体浓度在线测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种液体浓度测量装置，是一种利用光的折射规律和新型的光位敏器对液体的折射率和浓度进行在线测量的仪器。
液体浓度是一个很重要的物理量。在工业生产如化工、制药、轻工、食品饮料、环保将各个部门以及科研、国防各个领域，都需要对液体的浓度进行测量等。
通过测量液体折射率来测量液体浓度是常用的方法之一，由于其测量精度高、适用范围广而广泛被采用。在现有利用折射率测量液体浓度的装置中，几乎无例外地根据全反射光学原理而设计的(见
图1)当光线从光密媒质(例如玻璃，折射率为n1)射到光疏媒质(例如液体，折射率为n2)时，折射角i2总是大于入射角i1，根据折射定律n1sini1＝n2sini2当i1较小时，只有一小部分光强反射而大部分光折射，而当i1增大到某一临界值i1c时，折射角i2c＝90°，即折射光线在两种介质的分界面上。这时如果再增大i1，则在光疏媒质(n2)一侧已没有折射光，全部光按光的反射规律反射，即光在界面上发生了全反射。这时的入射角i1c称为全反射临界角。
i1c＝sin-1(n2/n1)因此当一束光以不同角度入射时，在反射光一侧观测，在视场上将会出现一条明显的明暗分界线ss，这条界线正好对应于全反射临界角i1c的反射光线(反射角为i1c)。基于全反射原理制成的折射计或浓度仪需要准确地寻找这条分界线的位置，以便确定全反射临界角i1c，再由已知的玻璃折射率n1计算出待测液体的折射率n2，进而计算出液体的浓度。显然，现有的液体浓度测定仪的难点在于确定这条分界线的位置，由此测定被测液体的光学特性，例如CN91209521.0所公开的“摄像法”，即采用CCD(电荷耦合器)图像传感器在反射光一侧“摄像”，得到包含该明暗分界线的“面”的图像，再将图像转换成视频脉冲，送计算机处理，计算出液体的浓度。但这种装置需较昂贵的光学图像传感装置及较复杂的光学及电路系统，且测量浓度范围较小，只为0-25％。
本实用新型的目的在于针对上述摄像法液体浓度仪的不足，提供一种结构简单、无需摄像光学系统、测量范围较大的液体浓度在线测量仪。
本实用新型的液体浓度在线测量仪，包括被测液体光学特性测量部分，所测得的信号前置放大器，A/D模数转换接口，单片机数据处理及显示部分，其特征在于所述的被测液体光学特性测量部分是一专门设计的光学传感头，该光学传感头包括一个密封腔体及设置在密封腔体底部中心开口处横向并排的两光学棱镜共同构成的“液体棱镜”，在一棱镜的表面上方腔体壁上设置一竖直的滑槽，该滑槽内由下至上依次设置用以构成光束准直聚焦透镜组的三个透镜及半导体激光器(LD)，在另一棱镜表面上方腔体壁上设置的滑槽内设置一个二维微调架，该微调架上固定一光位敏器(PSD)，该光位敏器有一受光面、公共阴极及两个光电流输出端，在腔体内靠近液体棱镜处设置一温度探头。
将激光器、准直聚焦透镜组以及光位敏器分别固定在两棱镜上方的竖直滑槽内的适当位置，通过调节激光器，各透镜及光位敏器的位置，使激光束垂直入射于一棱镜的表面，使其焦点落到PSD的受光面中心线上，当该光学传感头插入被测液体中，激光器发出的激光通过透镜组准直聚焦后通过其下方的棱镜而进入液体棱镜，由于液体对激光束的折射作用而进入另一棱镜，进而射向PSD的光线而偏离PSD的受光面的几何中心，其位移即偏离度x随被测液体折射率的不同而变化，PSD将这种位移变化转换成电流信号，这种信号送入前置放大器。同时由温度探头探测到的反映被测液体温度的电流信号也送入前置放大器，前置放大器将光电流信号和温度电流信号转换成电压信号，并由A/D模数转换接口变换成数字信号，单片机处理系统便根据这些数字信号计算出液体浓度并显示出测量结果。
激光器选用可见光的，以便于观测调整。透镜组中的上方两个透镜组成准直系统，以便使LD激光束发散角减小。第三个透镜再使准直光束聚焦使焦点落到PSD受光面上。激光器和三个透镜都装在一棱镜表面上方腔体的滑槽，均可作上下移动以便得到所需的准直聚焦光束。光学棱镜要选用折射率大于被测液体折射率的玻璃。其顶角及其它两角的大小，应使激光在两个棱镜内不与液体接触的面上能发生全反射，以便最大限度地利用光能量，另方面又要使光通过液体棱镜后有最大的随折射率变化的角分辨率。计算表明两个棱镜均采用顶角为直角的等腰三角形棱镜便能较好地满足要求。所述的光位敏器PSD是一种结型光电器件，本实用新型使用的是一维PSD，它有一受光面，三个电极，一个公共阴极和两个光电流输出端，当有光照射其受光面时，光电流输出端会输出光电流，其大小与光照位置有关。PSD安装在微型二维调节架上，该调节架固定在腔体的一个滑槽内。因此实际上可对PSD的空间位置作三维调节，这在调试阶段是非常必要的，可以确保PSD受光面的中心线始终在光线和法线组成的平面内，同时在校准时，让某一标准溶液的出射光线正好射向PSD的几何中点上。调试完毕后，则各活动部分均需固定住。所述的前置放大器为二级运算放大器，每级都用一个集成片，内有两个完全对称的、超低漂移、超低失调电压的精密运算放大器的电路，使两路光电流所受的由于温度漂移等引起的误差完全对称，互相抵消，大大提高了测量精度。所述的A/D模数转换接口可以采用带采样保持的AD1674，可使两个光电流信号和温度信号认为是同一时刻测得的，提高了测量精度。所述的单片机处理系统可以是8031单片机，其余电路采用现有的常用电路。
以下结合附图对本实用新型的液体浓度在线测量仪的结构及其效果作进一步的说明。
图1是现有浓度仪所依据的全反射光学原理图。
图2是本实用新型的光学传感头结构示意图。
图3是光位敏器PSD结构示意图。
如图2所示，本实用新型的光学传感头，是一个由密封腔体1和设置在密封腔体底部中心开口处横向并列的光学棱镜6和7共同构成的液体棱镜，由半导体激光器2发出的激光经过设置在光学棱镜6的表面6-1上方的透镜3、4和5准直聚焦后垂直入射于棱镜6的表面6-1，其透射光在该棱镜的反射面6-2全反射后进入液体棱镜的进光面(棱镜6的出光面)6-3，经液体棱镜折射后由液体棱镜的出光面(即棱镜7的进光面)7-3射出而进入光学棱镜7，并经过该棱镜反射面7-2全反射到达表面7-1，进一步折射而进入设置在该棱镜7表面7-1上方的固定在二维调节架10上的光位敏器9。当测量光8进入光位敏器PSD照射到其受光面16时，光位敏器PSD9的两个输出端18和19将输出两个光流I1和I2，其大小随光斑能量中心20与PSD几何中心17之间的位移x有关I1=L-x2LIo]]>I2=L+x2LIo]]>其中Io为正比于光源光强的总电流。
Io＝I1＋I2L为PSD受光面全长的一半。当光源光强变化时，I1、I2成比例变化，而位移x=I1-I2I1+I2L]]>与光强变化无关。
同时I1、I2只与光斑能量中心位置有关，因此与光斑形状关系不大，故可大大降低对光束准直和聚焦的要求。
通过实测I1和I2，即可求得位移x。在棱镜的结构参数、PSD 9的位置及入射光垂直入射的位置14确定后，被测液体的折射率n就与位移x建立了唯一确定的关系，通过对介面6-3、7-3和7-1运用光的折射定律和简单的几何关系即可求得x和n的对应表。调试时让某一标准溶液(例如纯净水，n＝1.3330)时出射光线对准PSD中点17(通过调整微调架10使单片机显示I1＝I2得到，然后固定调节架)。测量时，通过实测I1、I2即可算得xx＝(I1-I2)L/(I1＋I2)，L为PSD受光面长度之半，再根据x-n的对应表求得待测液体折射率n，再根据n和温度t即可算出液体的浓度值。
本实用新型与现有的CCD摄像法浓度仪比有如下特点1.由于采用了光位敏器PSD作为光敏感元件，减少了摄像光学系统，使光学结构和电子线路均大大简化，从而降低了整机成本。
2.由于PSD只对光斑能量中心敏感，因而对光源光强变化影响可忽略不计，从而大大提高了测量稳定性，同时也进一步降低了对准直聚焦光学系统的要求。
3.由于现有PSD的结构参数和分辨率参数特点可使测量的浓度范围较大。
4.采用棱镜6和棱镜7与腔体1构成了液体棱镜，又构成了光路折反系统，使结构紧凑。
5.使用半导体激光作为光源，它具有光强大和单色性好的特点，前者可使光能通过液体，使现有的全反射法变成透射法，以便可用PSD作为光敏感元件。后者可避免使用滤光镜和消色差光学系统。
以下是按本实用新型的构思设计的一个液体浓度在线测定仪的实例半导体激光器日本HITACHI公司的HLG711G型，波长0.67μm，最大功率5mw。
透镜3f＝3mm，＝6mm，平凸透镜。
透镜4，f＝18mm，＝6mm，平凸透镜。
透镜5，f＝80mm，＝10mm，双凸透镜。
棱镜6和7，K9玻璃，三个角分别为90°，45°和45°，面6-2与6-3，面7-2与7-3之间夹角为90°，直角边长为20mm。
光位敏器PSD日本HAMAMATSU公司的S3931，分辨率可达0.2μm，2L＝6mm。
温度探头AD590，灵敏度为1μA/K。
前置放大器二级OP207。
A/D模数接口AD1674单片机8031腔体1用膨胀系数小的殷钢加工而成。棱镜6和7用密封胶粘在腔体1上。
本实施例可得折射率测量范围为1.3330-1.4205，精度为0.0002，相当于20℃时的蔗糖溶液浓度范围为0-50％，精度为0.1％，如果采用较长的光位敏器，例如用S3932，测量范围还可大大提高，完全可以满足制糖、饮料、啤酒及许多药品等生产过程中的在线测量要求。
权利要求1.一种液体浓度在线测量仪，包括被测液体光学特性测量部分，所测得的信号的前置放大器，A/D模数转换接口、单片机数据处理及显示部分，其特征在于所述的被测液体光学特性测量部分是一专门设计的光学传感头，该光学传感头包括一个密封腔(1)及设置在密封腔体底部中心开口处横向并排的两光学棱镜(6)和(7)共同构成的“液体棱镜”，在棱镜(6)表面6-1的上方腔体壁上设置一坚直的滑槽(1-1)，该滑槽内由下至上依次设置用以构成光束准直聚焦透镜组的透镜(5)、(4)和(3)及半导体激光器(LD)(2)，在另一棱镜(7)表面7-1的上方腔体壁上设置一坚直滑槽(11)，在该滑槽内设置一个二维微调架(10)，在该微调架上固定一光位敏器(PSD)，所述的光位敏器有一受光面(16)，公共阴极(15)及两个光电流输出端(18)和(19)，腔体内靠近液体棱镜处设置一温度探头(13)。
2.如权利要求1所述的液体浓度在线测量仪，其特征在于所述的棱镜(6)和棱镜(7)是一顶角为直角的等腰直角三角形棱镜。
专利摘要一种液体浓度在线测定仪，其特征在于被测液体光学特性测定部分是一种专门设计的光学传感头，该光学传感头包括一个密封腔体1及设置在其底部中心开口处横向并排的两光学棱镜6和7共同构成的液体棱镜，设置在棱镜6表面6-1上方的透镜3、4、5构成的准直聚焦透镜组及激光器2，以及设置在棱镜7表面上方的固定在二维调节架10上的光位敏器9，本发明的浓度在线测定仪，结构简单、成本低、对聚光系统要求低，测量浓度范围大，稳定性好，可广泛用于液体的折射率或浓度的在线测定。
文档编号G01N21/41GK2226299SQ9424489
公开日1996年5月1日 申请日期1994年11月11日 优先权日1994年11月11日
发明者潘志文, 杨淑雯, 严新民, 马君显 申请人:潘志文
技术领域：
本实用新型属于一种液体浓度测量装置，是一种利用光的折射规律和新型的光位敏器对液体的折射率和浓度进行在线测量的仪器。
液体浓度是一个很重要的物理量。在工业生产如化工、制药、轻工、食品饮料、环保将各个部门以及科研、国防各个领域，都需要对液体的浓度进行测量等。
通过测量液体折射率来测量液体浓度是常用的方法之一，由于其测量精度高、适用范围广而广泛被采用。在现有利用折射率测量液体浓度的装置中，几乎无例外地根据全反射光学原理而设计的(见
图1)当光线从光密媒质(例如玻璃，折射率为n1)射到光疏媒质(例如液体，折射率为n2)时，折射角i2总是大于入射角i1，根据折射定律n1sini1＝n2sini2当i1较小时，只有一小部分光强反射而大部分光折射，而当i1增大到某一临界值i1c时，折射角i2c＝90°，即折射光线在两种介质的分界面上。这时如果再增大i1，则在光疏媒质(n2)一侧已没有折射光，全部光按光的反射规律反射，即光在界面上发生了全反射。这时的入射角i1c称为全反射临界角。
i1c＝sin-1(n2/n1)因此当一束光以不同角度入射时，在反射光一侧观测，在视场上将会出现一条明显的明暗分界线ss，这条界线正好对应于全反射临界角i1c的反射光线(反射角为i1c)。基于全反射原理制成的折射计或浓度仪需要准确地寻找这条分界线的位置，以便确定全反射临界角i1c，再由已知的玻璃折射率n1计算出待测液体的折射率n2，进而计算出液体的浓度。显然，现有的液体浓度测定仪的难点在于确定这条分界线的位置，由此测定被测液体的光学特性，例如CN91209521.0所公开的“摄像法”，即采用CCD(电荷耦合器)图像传感器在反射光一侧“摄像”，得到包含该明暗分界线的“面”的图像，再将图像转换成视频脉冲，送计算机处理，计算出液体的浓度。但这种装置需较昂贵的光学图像传感装置及较复杂的光学及电路系统，且测量浓度范围较小，只为0-25％。
本实用新型的目的在于针对上述摄像法液体浓度仪的不足，提供一种结构简单、无需摄像光学系统、测量范围较大的液体浓度在线测量仪。
本实用新型的液体浓度在线测量仪，包括被测液体光学特性测量部分，所测得的信号前置放大器，A/D模数转换接口，单片机数据处理及显示部分，其特征在于所述的被测液体光学特性测量部分是一专门设计的光学传感头，该光学传感头包括一个密封腔体及设置在密封腔体底部中心开口处横向并排的两光学棱镜共同构成的“液体棱镜”，在一棱镜的表面上方腔体壁上设置一竖直的滑槽，该滑槽内由下至上依次设置用以构成光束准直聚焦透镜组的三个透镜及半导体激光器(LD)，在另一棱镜表面上方腔体壁上设置的滑槽内设置一个二维微调架，该微调架上固定一光位敏器(PSD)，该光位敏器有一受光面、公共阴极及两个光电流输出端，在腔体内靠近液体棱镜处设置一温度探头。
将激光器、准直聚焦透镜组以及光位敏器分别固定在两棱镜上方的竖直滑槽内的适当位置，通过调节激光器，各透镜及光位敏器的位置，使激光束垂直入射于一棱镜的表面，使其焦点落到PSD的受光面中心线上，当该光学传感头插入被测液体中，激光器发出的激光通过透镜组准直聚焦后通过其下方的棱镜而进入液体棱镜，由于液体对激光束的折射作用而进入另一棱镜，进而射向PSD的光线而偏离PSD的受光面的几何中心，其位移即偏离度x随被测液体折射率的不同而变化，PSD将这种位移变化转换成电流信号，这种信号送入前置放大器。同时由温度探头探测到的反映被测液体温度的电流信号也送入前置放大器，前置放大器将光电流信号和温度电流信号转换成电压信号，并由A/D模数转换接口变换成数字信号，单片机处理系统便根据这些数字信号计算出液体浓度并显示出测量结果。
激光器选用可见光的，以便于观测调整。透镜组中的上方两个透镜组成准直系统，以便使LD激光束发散角减小。第三个透镜再使准直光束聚焦使焦点落到PSD受光面上。激光器和三个透镜都装在一棱镜表面上方腔体的滑槽，均可作上下移动以便得到所需的准直聚焦光束。光学棱镜要选用折射率大于被测液体折射率的玻璃。其顶角及其它两角的大小，应使激光在两个棱镜内不与液体接触的面上能发生全反射，以便最大限度地利用光能量，另方面又要使光通过液体棱镜后有最大的随折射率变化的角分辨率。计算表明两个棱镜均采用顶角为直角的等腰三角形棱镜便能较好地满足要求。所述的光位敏器PSD是一种结型光电器件，本实用新型使用的是一维PSD，它有一受光面，三个电极，一个公共阴极和两个光电流输出端，当有光照射其受光面时，光电流输出端会输出光电流，其大小与光照位置有关。PSD安装在微型二维调节架上，该调节架固定在腔体的一个滑槽内。因此实际上可对PSD的空间位置作三维调节，这在调试阶段是非常必要的，可以确保PSD受光面的中心线始终在光线和法线组成的平面内，同时在校准时，让某一标准溶液的出射光线正好射向PSD的几何中点上。调试完毕后，则各活动部分均需固定住。所述的前置放大器为二级运算放大器，每级都用一个集成片，内有两个完全对称的、超低漂移、超低失调电压的精密运算放大器的电路，使两路光电流所受的由于温度漂移等引起的误差完全对称，互相抵消，大大提高了测量精度。所述的A/D模数转换接口可以采用带采样保持的AD1674，可使两个光电流信号和温度信号认为是同一时刻测得的，提高了测量精度。所述的单片机处理系统可以是8031单片机，其余电路采用现有的常用电路。
以下结合附图对本实用新型的液体浓度在线测量仪的结构及其效果作进一步的说明。
图1是现有浓度仪所依据的全反射光学原理图。
图2是本实用新型的光学传感头结构示意图。
图3是光位敏器PSD结构示意图。
如图2所示，本实用新型的光学传感头，是一个由密封腔体1和设置在密封腔体底部中心开口处横向并列的光学棱镜6和7共同构成的液体棱镜，由半导体激光器2发出的激光经过设置在光学棱镜6的表面6-1上方的透镜3、4和5准直聚焦后垂直入射于棱镜6的表面6-1，其透射光在该棱镜的反射面6-2全反射后进入液体棱镜的进光面(棱镜6的出光面)6-3，经液体棱镜折射后由液体棱镜的出光面(即棱镜7的进光面)7-3射出而进入光学棱镜7，并经过该棱镜反射面7-2全反射到达表面7-1，进一步折射而进入设置在该棱镜7表面7-1上方的固定在二维调节架10上的光位敏器9。当测量光8进入光位敏器PSD照射到其受光面16时，光位敏器PSD9的两个输出端18和19将输出两个光流I1和I2，其大小随光斑能量中心20与PSD几何中心17之间的位移x有关I1=L-x2LIo]]>I2=L+x2LIo]]>其中Io为正比于光源光强的总电流。
Io＝I1＋I2L为PSD受光面全长的一半。当光源光强变化时，I1、I2成比例变化，而位移x=I1-I2I1+I2L]]>与光强变化无关。
同时I1、I2只与光斑能量中心位置有关，因此与光斑形状关系不大，故可大大降低对光束准直和聚焦的要求。
通过实测I1和I2，即可求得位移x。在棱镜的结构参数、PSD 9的位置及入射光垂直入射的位置14确定后，被测液体的折射率n就与位移x建立了唯一确定的关系，通过对介面6-3、7-3和7-1运用光的折射定律和简单的几何关系即可求得x和n的对应表。调试时让某一标准溶液(例如纯净水，n＝1.3330)时出射光线对准PSD中点17(通过调整微调架10使单片机显示I1＝I2得到，然后固定调节架)。测量时，通过实测I1、I2即可算得xx＝(I1-I2)L/(I1＋I2)，L为PSD受光面长度之半，再根据x-n的对应表求得待测液体折射率n，再根据n和温度t即可算出液体的浓度值。
本实用新型与现有的CCD摄像法浓度仪比有如下特点1.由于采用了光位敏器PSD作为光敏感元件，减少了摄像光学系统，使光学结构和电子线路均大大简化，从而降低了整机成本。
2.由于PSD只对光斑能量中心敏感，因而对光源光强变化影响可忽略不计，从而大大提高了测量稳定性，同时也进一步降低了对准直聚焦光学系统的要求。
3.由于现有PSD的结构参数和分辨率参数特点可使测量的浓度范围较大。
4.采用棱镜6和棱镜7与腔体1构成了液体棱镜，又构成了光路折反系统，使结构紧凑。
5.使用半导体激光作为光源，它具有光强大和单色性好的特点，前者可使光能通过液体，使现有的全反射法变成透射法，以便可用PSD作为光敏感元件。后者可避免使用滤光镜和消色差光学系统。
以下是按本实用新型的构思设计的一个液体浓度在线测定仪的实例半导体激光器日本HITACHI公司的HLG711G型，波长0.67μm，最大功率5mw。
透镜3f＝3mm，＝6mm，平凸透镜。
透镜4，f＝18mm，＝6mm，平凸透镜。
透镜5，f＝80mm，＝10mm，双凸透镜。
棱镜6和7，K9玻璃，三个角分别为90°，45°和45°，面6-2与6-3，面7-2与7-3之间夹角为90°，直角边长为20mm。
光位敏器PSD日本HAMAMATSU公司的S3931，分辨率可达0.2μm，2L＝6mm。
温度探头AD590，灵敏度为1μA/K。
前置放大器二级OP207。
A/D模数接口AD1674单片机8031腔体1用膨胀系数小的殷钢加工而成。棱镜6和7用密封胶粘在腔体1上。
本实施例可得折射率测量范围为1.3330-1.4205，精度为0.0002，相当于20℃时的蔗糖溶液浓度范围为0-50％，精度为0.1％，如果采用较长的光位敏器，例如用S3932，测量范围还可大大提高，完全可以满足制糖、饮料、啤酒及许多药品等生产过程中的在线测量要求。
权利要求1.一种液体浓度在线测量仪，包括被测液体光学特性测量部分，所测得的信号的前置放大器，A/D模数转换接口、单片机数据处理及显示部分，其特征在于所述的被测液体光学特性测量部分是一专门设计的光学传感头，该光学传感头包括一个密封腔(1)及设置在密封腔体底部中心开口处横向并排的两光学棱镜(6)和(7)共同构成的“液体棱镜”，在棱镜(6)表面6-1的上方腔体壁上设置一坚直的滑槽(1-1)，该滑槽内由下至上依次设置用以构成光束准直聚焦透镜组的透镜(5)、(4)和(3)及半导体激光器(LD)(2)，在另一棱镜(7)表面7-1的上方腔体壁上设置一坚直滑槽(11)，在该滑槽内设置一个二维微调架(10)，在该微调架上固定一光位敏器(PSD)，所述的光位敏器有一受光面(16)，公共阴极(15)及两个光电流输出端(18)和(19)，腔体内靠近液体棱镜处设置一温度探头(13)。
2.如权利要求1所述的液体浓度在线测量仪，其特征在于所述的棱镜(6)和棱镜(7)是一顶角为直角的等腰直角三角形棱镜。
专利摘要一种液体浓度在线测定仪，其特征在于被测液体光学特性测定部分是一种专门设计的光学传感头，该光学传感头包括一个密封腔体1及设置在其底部中心开口处横向并排的两光学棱镜6和7共同构成的液体棱镜，设置在棱镜6表面6-1上方的透镜3、4、5构成的准直聚焦透镜组及激光器2，以及设置在棱镜7表面上方的固定在二维调节架10上的光位敏器9，本发明的浓度在线测定仪，结构简单、成本低、对聚光系统要求低，测量浓度范围大，稳定性好，可广泛用于液体的折射率或浓度的在线测定。
文档编号G01N21/41GK2226299SQ9424489
公开日1996年5月1日 申请日期1994年11月11日 优先权日1994年11月11日
发明者潘志文, 杨淑雯, 严新民, 马君显 申请人:潘志文
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