专利名称：基于ccd和梯形玻璃体的差分式溶液浓度测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种液体浓度测量方法。本发明也涉及一种液体浓度测量装置。
背景技术：
在石油、化工、冶金、食品、医药等工业领域均需要对溶液浓度进行测量。传统的液体浓度光学测量方法中，如阿贝折射仪测量范围相对较小，且不能实现在线与自动测量；而 用旋光仪测浓度，只适用于旋光性的溶液，也无法实现在线与自动测量，由于要靠人眼来判 断三分视场的亮度是否相同，容易产生较大的误差。随着现代光学技术与光电子技术的进步，电荷耦器件的精密制造技术及性能得到 了快速发展。这使得利用线阵CCD的高分辨力测量液体折射率变化成为可能，并为液体浓 度的测量提供了新的手段。目前基于CXD的液体浓度测量方法主要有一、基于线阵CXD的光学折射法该方 法的实现原理是让一束平行光斜入射到装有待测溶液的矩形玻璃的一个侧面，并从另一面 射出，由CCD接收。出射光与入射光平行但不在同一直线上，即出射光相对于入射光有一侧 向位移。由于溶液折射率受浓度变化影响，导致这一侧向位移随液体浓度的改变而变化。因 此，可以根据位移量测出液位。这种方法采用LED作为光源，玻璃和液体不能过厚，否则减 弱光信号，且灵敏度不高，入射角的变化增加测量误差。二、基于线阵CCD的棱镜最小偏向 角法该方法的实现原理是将溶液盛入空心三棱镜中，一束激光入射到三棱镜上，从另一面 出射的光相对于入射光有一偏向角，记录出射光在满足最小偏向角情况下在CCD上成像的 位置。当溶液浓度发生变化时，液体折射率改变，进而导致最小偏向角改变，在CCD上的成 像出现位移。通过测量最小偏向角与浓度之间的关系，用查表方式可以测出液体浓度。该 方法将最小偏向角与浓度之间的关系近似为线性进行拟合，且在测量偏向角时误差较大， 易受外界环境影响，灵敏度不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量便捷、稳定度高、易于补偿、测量误差小的基于 CCD和梯形玻璃体的差分式溶液浓度测量方法。本发明的目的还在于提供一种本发明的基 于CCD和梯形玻璃体的差分式溶液浓度测量方法的专用装置。本发明的目的是这样实现的本发明的基于CCD和梯形玻璃体的差分式溶液浓度测量方法为采用由一块底面开有楔形槽豁口的梯形玻璃体与密闭于箱体中的激光束光源、线 阵CCD及其处理电路构成的测量装置，将该测量装置浸于待测液体中，其中梯形玻璃体完 全浸在液体中，线阵CCD嵌于密闭箱体一侧面上的开槽中，并对开槽与线阵CCD的缝隙实行 密封，光源发射出的光束正对于梯形玻璃体的楔形槽豁口中央，豁口宽度为平行光束宽度 的2倍，梯形玻璃体上下表面镀膜并产生平面镜效果，固定于箱体下方，并使上下表面平行 于线阵CCD表面，线阵CCD的长度不小于梯形玻璃体的长度；光源发出的平行光速透过液体入射到玻璃体的楔形槽正中位置处，均勻分布于楔形槽豁口的左右两平面上，两楔形面上 的光束发生折射而被分成左右两束并射入梯形玻璃体内部，两束光在梯形玻璃体内部经过 多次反射之后在玻璃体的两梯形斜面处再次发生折射，两束折射光透过液体射到线性CCD 上；当液体浓度改变时，折射角发生变化，使得光束在玻璃内部的反射角也相应发生变化， 在线性CCD上两束光的像斑间距随之发生变化，利用两像斑间距的变化情况获得液体浓度 fn息ο本发明的基于CCD和梯形玻璃体的差分式溶液浓度测量装置的组成包括一块底面开有楔形槽豁口的梯形玻璃体与密闭于箱体中的激光束光源、线阵CCD及其处理电路， 测量装置浸于待测液体中，其中梯形玻璃体完全浸在液体中，线阵CCD嵌于密闭箱体一侧 面上的开槽中，并对开槽与线阵CCD的缝隙实行密封，光源发射出的光束正对于梯形玻璃 体的楔形槽豁口中央，豁口宽度为平行光束宽度的2倍，梯形玻璃体上下表面镀膜并产生 平面镜效果，固定于箱体下方，并使上下表面平行于线阵CCD表面，线阵CCD的长度不小于 梯形玻璃体的长度。所述的处理电路包括线阵C⑶驱动电路、数据采集与处理电路、数据传输电路以 及激光束光源驱动电路。所述的光源为激光二极管。梯形玻璃体与激光二极管光源固定于密闭箱体下方并与箱体合为一体。梯形玻璃体与激光二极管光源单独放置固定于密闭箱体下方。所述的底面开有楔形槽豁口的梯形玻璃体是一等腰梯形或由等腰梯形构成的光 学玻璃体，其上的楔形槽的两个斜面分别与梯形玻璃体上与之相隔的斜面平行。当梯形玻璃与线阵CXD的相对位置有上下、远近等位置改变时，线阵CXD上两像斑 间距变化不大，对浓度的测量结果影响很小，因而此装置具有很高的可靠性以及稳定性。该测量方法相对简便，易于使用，具有精度高、受液体流动变化影响极小、可在腐 蚀性等恶劣工业环境下工作等优点。光源由激光二极管构成，处理电路的逻辑功能可由FPGA或单片机实现，光源与线 阵CCD集成于密闭箱体中；线阵CCD嵌于密闭箱体表面上宽度与CCD芯片宽度一样的开槽 中，并在密闭箱体内外两侧对开槽与CCD芯片的缝隙实行密封；激光二极管位于CCD与梯形 玻璃体的正下方；梯形玻璃体固定在箱体下方，并平行于CCD表面，楔形槽豁口处两楔形面 与玻璃体两梯形面分别平行。本发明是一种基于线阵CCD的光学液体浓度测量方法及装置，适用于透明及半透 明液体的浓度测量。
图1是本发明实现1原理示意图；图2是本发明实现2原理示意图；图3是本发明中入射光在梯形玻璃体的楔形槽豁口处形成的光斑示意图；图4是本发明中线阵CXD像斑示意图。
具体实施例方式
结合图1，基于线阵CCD和梯形玻璃体的差分式溶液浓度测量装置包括激光光源 5、线阵CXD芯片7、电路单元3 (包括(XD驱动、数据采集与处理和数据传输功能)、密闭箱 体4、开有楔形槽豁口 9的梯形玻璃体6。线阵CCD芯片7嵌于密闭箱体4的开槽中，并在 密闭箱体4内外两侧对开槽与CCD芯片7的缝隙实行密封。激光光源5位于箱体4以及梯 形玻璃体6的正下方，并与楔形玻璃体固定在一起。梯形玻璃体6上、下表面镀铜，固定于 密闭箱体4下方，使梯形玻璃体6的上、下表面与箱体4下表面平行，且两梯形表面正对于 CXD芯片7。将密闭箱体4置于盛有待测液体2的容器1中，使线阵CXD芯片7、激光光源5 与梯形玻璃体6均浸没在待测溶液2中，从激光光源5发出的激光透过待测溶液2射到梯 形玻璃体的楔形槽豁口中央，于是可得入射界面光斑示意图3，光束8被楔形槽豁口 9分成 两束，图2中矩形正中的虚线为两楔形面的相交位置。被楔形槽豁口面分开的两条光束在 梯形玻璃体6中多次反射，分别从玻璃体的两梯形面射出，两束出射光在CCD芯片7上像斑 如图4。待测液体浓度改变时折射率也随之变化，导致出射光在CCD芯片7上实现1光斑间 距发生变化，通过光斑间的距变化信息可实现液体浓度测量，为提高测量精度，可增加梯形 玻璃体6厚度或者长度。
权利要求
一种基于CCD和梯形玻璃体的差分式溶液浓度测量方法，其特征是采用由一块底面开有楔形槽豁口的梯形玻璃体与密闭于箱体中的激光束光源、线阵CCD及其处理电路构成的测量装置，将该测量装置浸于待测液体中，其中梯形玻璃体完全浸在液体中，线阵CCD嵌于密闭箱体一侧面上的开槽中，并对开槽与线阵CCD的缝隙实行密封，光源发射出的光束正对于梯形玻璃体的楔形槽豁口中央，豁口宽度为平行光束宽度的2倍，梯形玻璃体上下表面镀膜并产生平面镜效果，固定于箱体下方，并使上下表面平行于线阵CCD表面，线阵CCD的长度不小于梯形玻璃体的长度；光源发出的平行光速透过液体入射到玻璃体的楔形槽正中位置处，均匀分布于楔形槽豁口的左右两平面上，两楔形面上的光束发生折射而被分成左右两束并射入梯形玻璃体内部，两束光在梯形玻璃体内部经过多次反射之后在玻璃体的两梯形斜面处再次发生折射，两束折射光透过液体射到线性CCD上；当液体浓度改变时，折射角发生变化，使得光束在玻璃内部的反射角也相应发生变化，在线性CCD上两束光的像斑间距随之发生变化，利用两像斑间距的变化情况获得液体浓度信息。
2.一种基于CCD和梯形玻璃体的差分式溶液浓度测量装置，组成包括一块底面开有楔 形槽豁口的梯形玻璃体与密闭于箱体中的激光束光源、线阵CCD及其处理电路，其特征是 测量装置浸于待测液体中，其中梯形玻璃体完全浸在液体中，线阵CCD嵌于密闭箱体一侧 面上的开槽中，并对开槽与线阵CCD的缝隙实行密封，光源发射出的光束正对于梯形玻璃 体的楔形槽豁口中央，豁口宽度为平行光束宽度的2倍，梯形玻璃体上下表面镀膜并产生 平面镜效果，固定于箱体下方，并使上下表面平行于线阵CCD表面，线阵CCD的长度不小于 梯形玻璃体的长度。
3.根据权利要求2所述的基于CCD和梯形玻璃体的差分式溶液浓度测量装置，其特征 是所述的处理电路包括线阵CCD驱动电路、数据采集与处理电路、数据传输电路以及激光 束光源驱动电路。
4.根据权利要求2或3所述的基于CCD和梯形玻璃体的差分式溶液浓度测量装置，其 特征是所述的光源为激光二极管。
5.根据权利要求4所述的基于CCD和梯形玻璃体的差分式溶液浓度测量装置，其特征 是所述的底面开有楔形槽豁口的梯形玻璃体是一等腰梯形或由等腰梯形构成的光学玻璃 体，其上的楔形槽的两个斜面分别与梯形玻璃体上与之相隔的斜面平行。
6.根据权利要求5所述的基于CCD和梯形玻璃体的差分式溶液浓度测量装置，其特征 是梯形玻璃体与激光二极管光源固定于密闭箱体下方并与箱体合为一体。
7.根据权利要求5所述的基于CCD和梯形玻璃体的差分式溶液浓度测量装置，其特征 是梯形玻璃体与激光二极管光源单独放置固定于密闭箱体下方。
全文摘要
本发明提供的是一种基于CCD和梯形玻璃体的差分式溶液浓度测量方法及装置。该方法利用了激光的特性和液体浓度与折射率的关系及光学的折射、反射原理。入射光透过液体，然后穿过梯形玻璃体中间的楔形槽豁口射入梯形玻璃体内部，入射光被分为两束在玻璃内部经过多次的反射之后从其两端的梯形斜面射出，再透过液体由CCD接收。由于液体浓度与折射率相关，当浓度变化时，入射光的折射角发生变化，导致光束在玻璃内部的反射角随之变化，进而使得从玻璃两端出射的光束在CCD上的两像斑间距发生改变。因此，CCD上的像斑间距便可与液体浓度建立对应关系，从像斑间距就可以测出液体的浓度。本发明结构简单、易于布放，可以实时测量液体浓度的变化，并可在腐蚀性等恶劣工业环境中工作。
文档编号G01N21/41GK101806731SQ20101012538
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月17日 优先权日2010年3月17日
发明者孙秋华, 杨依珍, 温强, 王云锋, 王伟强, 谭爽, 邵永丰, 黄宗军 申请人:哈尔滨工程大学