一种溶液浓度变化实时检测系统的制作方法

所属技术领域

本发明涉及一种检测系统，尤其涉及一种溶液浓度变化实时检测系统。

背景技术：

溶液折射率和浓度的测量是生物医学、材料学、化学、工程技术等领域十分关注的研究课题。在生物医学领域，生物组织的光学成像一直是研究人员关注的热点问题。近年来，国内外多个研究小组通过改进数字全息显微技术来观测活体细胞，再现出的活体细胞图像的实质为细胞组织折射率分布的动态变化。在晶体材料制备过程中，晶体表面浓度分布变化的监测是制备高质量晶体的关键技术之一。山东大学晶体所的研究人员利用激光干涉技术观测晶体生成过程中的溶液浓度变化，通过控制溶液浓度来制备所需要的晶体材料。在化学领域，knox等早在激光器诞生的最初几年里就曾利用全息干涉技术观测化学反应中溶液浓度的变化。最近，德国的研究人员将激光干涉技术应用于固/液界面溶液的相浓度梯度的测定以及磁场作用下的电化学流体动力学的研究。在金属腐蚀研究中，观测腐蚀过程中电极/溶液界面溶液折射率和浓度动态变化以及扩散层厚度变化对分析金属的腐蚀机理有重要的意义。因此，溶液折射率和浓度的检测不仅具有重要的科学意义，而且还具有广泛的应用前景。

光学测试方法为溶液浓度的检测提供了丰富的技术手段。清华大学李文江等提出了用暗场纹影法观察溶液浓度的轮廓，实现了对透明物质内浓度分布的定性观测。武汉理工大学姜德生等和西安理工大学杨秀芳等均利用法布里-珀罗干涉仪设计了液体浓度检测系统，前者通过测试溶液透射光谱的中心波长实现了透明溶液浓度的大范围、高精度测量；后者通过计算机判别干涉条纹级次的变化量来实时获取液体浓度的变化量。重庆理工大学赵明富等利用光纤全反射法设计并改进了能在线测量生物量浓度的传感器，建立了一种新的生物量浓度测量方法。南京理工大学吴斌等利用激光拉曼频移测定了乙醇水溶液的浓度，并获得了很高的精度。这些基于不同原理的光学检测技术都能实现特定条件下溶液浓度的无损测量，相应的溶液浓度测量系统具有重要的实际应用价值。为了检测电极/溶液界面二维浓度的分布变化，本课题组曾提出了一种新的载波干涉方法，以方便获取溶液浓度变化产生的物光波前相位变化。但该方法基于静态图像处理技术，无法实现对溶液浓度动态变化的实时在线测量。

技术实现要素：

本发明的目的是为实时监测溶液浓度二维分布的动态变化，设计了一种溶液浓度变化实时检测系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

溶液浓度变化实时检测系统主要包括以m—z干涉仪为基础的光路系统、以dm642为核心的视频信号处理系统两部分组成。由m—z干涉仪检测溶液浓度变化的信息，通过ccd完成光电转换，利用高速模数转换器将电信号转换成数字信号送入适合视频处理的dm642芯片进行分析计算，最终以视频信号的形式输出并显示。

所述的m—z干涉仪为基础的光路系统将波长为632.8nm的he—ne激光器产生的激光分为两束，一束穿过电解池中的待测溶液样本形成物光，另一束作为参考光。两束光经棱镜叠加形成干涉条纹。电解池中溶液浓度的变化引起溶液折射率的改变和物光相位的变化，在干涉图中表现为干涉条纹的扩张、收缩和扭曲。

所述的视频信号处理系统的硬件平台采用北京合众达公司生产的seed—vpm642，其核心处理芯片为美国ti公司生产的dm642数字信号处理器。

所述的视频信号处理系统的ccd采集到rgb分量信号，经过视频解码器tvp5150转换为ycbcr(4：2：2格式)信号，采样频率为25frame/s。

所述的系统中dm642的视频输入输出接口vpla被设置为视频输入121，vpoa为输出口。经dm642运算处理后，输出标准8位的bt.656数字视频数据流，经过saa7121h视频编码后得到适合屏幕显示的pal制复合视频cvbs信号。

本发明的有益效果是：

溶液浓度变化实时检测系统能够实时动态观测溶液浓度的变化过程,测量精度约为0.2mmol/l；为电极过程的研究提供了新的实验设备，进一步改进系统的软件和硬件有望拓展其应用范围，为传热传质、流体扩散等研究提供硬件保障。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是马赫-曾德尔干涉仪。

图2是dsp视频信号处理系统。

图3是视频处理算法流程。

具体实施方式

溶液浓度变化实时检测系统主要包括以m—z干涉仪为基础的光路系统、以dm642为核心的视频信号处理系统两部分组成。由m—z干涉仪检测溶液浓度变化的信息，通过ccd完成光电转换，利用高速模数转换器将电信号转换成数字信号送入适合视频处理的dm642芯片进行分析计算，最终以视频信号的形式输出并显示。

如图1所示，波长为632.nm的he—ne激光器产生的激光分为两束，一束穿过电解池中的待测溶液样本形成物光，另一束作为参考光。两束光经棱镜叠加形成干涉条纹。电解池中溶液浓度的变化引起溶液折射率的改变和物光相位的变化，在干涉图中表现为干涉条纹的扩张、收缩和扭曲。发生电化学反应前，溶液相的浓度均一，干涉条纹间隔均匀；反应后，电极/溶液界面的溶液浓度和折射率改变，导致物光光程和波前相位的变化，界面处的干涉条纹发生形变。反应过程中，任一时刻溶液相在任一位置的浓度变化信息均能够以相位变化的形式存储到干涉条纹中。通过ccd记录，再利用dm642计算干涉条纹的相位差分布，进而获取溶液浓度的变化分布。系统中ccd设定的帧率为25frame/s，图像分辨率为720×576。

如图2所示，视频信号处理系统的硬件平台采用北京合众达公司生产的seed—vpm642，其核心处理芯片为美国ti公司生产的dm642数字信号处理器。ccd采集到的rgb分量信号，经过视频解码器tvp5150转换为ycbcr(4：2：2格式)信号，采样频率为25frame/s。系统中dm642的视频输入输出接口vpla被设置为视频输入121，vpoa为输出口。经dm642运算处理后，输出标准8位的bt.656数字视频数据流，经过saa7121h视频编码后得到适合屏幕显示的pal制复合视频cvbs信号。实验中，从ccd开始记录到第一帧结果显示的滞后时问小于1.0s。

如图3所示，在干涉条纹的解相位过程中，为了有效抑制系统噪声以保证测量精度，实际计算的不是单帧干涉图的相位分布，而是两帧不同时刻干涉图之间的相位差分布。以反应初始时刻的干涉图为起始帧，每次计算的相位差值为连续两帧干涉图的相位差分布，计算结果与前一时刻的相位差叠加。因此，任一时刻获取的相位差分布均为该时刻干涉图与初始时刻干涉图的相位差分布，从而保证最终计算的浓度变化是相对于反应初始时刻的浓度差。由于所采集的干涉图像已经引入了载波条纹，因此能够方便地利用傅里叶分析方法处理干涉条纹图像。物光相位差与溶液折射率改变量呈正比例关系，由任一时刻的相位差能够计算出该时刻溶液折射率的变化，再根据溶液折射率和浓度的对应关系确定溶液浓度的变化量。一般而言，恒定温度条件下溶液折射率的改变量与其浓度变化量呈线性关系。当电解液为单一溶质时，能够获得溶液浓度和折射率的准确对应关系，从而能精确计量溶液的浓度变化；当电解液包含多种离子成分时，虽然无法获得多组分变化与折射率的对应关系，但可以根据反应过程先确定主要的溶液成分变化，然后获得该成分变化与折射率的对应关系。在结果显示过程中，溶液部分用不同灰度级的灰度图像来表示浓度变化量(即反应过程中的溶液浓度与初始电解液浓度的差值)。浓度不变时，对应图像的灰度级为中值128，显示为灰色；浓度增加，图像灰度级增强，增加值越大，亮度越高；浓度减少，图像灰度级减弱，减少量越大，图像越暗；对应电极的部分则始终设定为中值128，显示为灰色。溶液浓度的变化最终通过灰度图像直观显示。