专利名称：一种实时测量流动溶液浓度的方法和测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电子学领域溶液浓度是根据溶质在溶液中的含量来计算，在实际应用中由于溶质量的变化，溶液浓度也发生改变。直接测量溶液中溶质的含量在许多场合中是不适宜的，从而采用间接测量的方法来获得溶液浓度数值。P.F.Bordui(“In-Line BulkSupersaturation Measurement By Electrical Conductometry In KdpCrystal Growth From Aqueous Solution”，Journal of Crystal Growth67(1984)168)采用通过测量溶液电导率方法来实时计算KDP溶液饱和度数值，Kuehbergert(Improved product quality at a cooling crystallizationprocess by measurement and control of supersaturation，Trans IChemE，Vol75，Part A，February 1997)采用在结晶溶液中放入Peltier-element半导体制冷器件观察溶质析出情况来实时计算溶液饱和度数值。张克从(《晶体生长科学与技术》科学出版社1997)介绍了采用平衡法、浓度涡流法、光学效应法来分析溶液是否处于饱和状态。Bordui这种附加电场的测量方法会对水溶液离子运动状态产生一定影响，而Kuehbergert的方法因需要制冷会影响局部溶液温度，张克从介绍的几种方法在观察中会受到液体流动因素的影响而难于应用。
本发明的目的就在于提出一种可用于晶体生长过程流动溶液浓度的实时测量方法和测量装置。
根据电磁波传播理论，光在不同传播媒介的交界面上会发生折反射现象，在一定入射角度时，从光密媒介到光疏媒介会产生全反射现象，该角度的数值与界面两边媒介对电磁波响应的折射率有关。对于溶液而言，其溶质含量的改变，也即溶液浓度的变化，会影响溶液对电磁波的响应，宏观上表现出折射率数值的变化，通过测量全反射角角度的大小可以计算出溶液的折射率数值，从而计算出对应溶液的浓度。
本发明测量流动溶液浓度的方法是采用我们设计的光学棱镜，由其功能我们命名为双全反射棱镜，其底面(9)与被测溶液(8)相接触，He-Ne激光器(1)发出的光束经光束扩束器(2)和分束器(3)由柱面镜(4)汇聚于双全反射棱镜(5)，在底面(9)处产生第一次全反射，之后由于反射面(10)的作用，光束按原路径返回并在底面(9)处产生第二次全反射，产生二次全反射临界光线的夹角记为δ，经过这个过程的光学信号经分束器(3)和光束缩束器(6)由光学面阵探测器件CCD(7)接收。通过测量二次全反射临界光线夹角δ的大小，按下式计算待测溶液的折射率n2n2＝n1·sin((3α-δ)/3)式中n1为双全反射棱镜的折射率，δ为二次全反射临界光线的夹角，α为双全反射棱镜的底面(9)与反射面(10)的交角。根据溶液浓度与折射率的对应关系，就可以求出溶液的浓度。
本发明的测量装置由双全反射棱镜，He-Ne激光器，光束扩束器，分束器和柱面镜，光束缩束器等主要部分组成，双全反射棱镜的底面与被测溶液相接触，He-Ne激光器发出的激光经光束扩束器和分束器由柱面镜会聚于双全反射棱镜中，其反射信号经分束器和光束缩束器后由CCD面阵探测器接收。
上述双全反射棱镜由多边形棱镜构成。
上述双全反射棱镜可以由锐角三角形棱镜构成。
上述双全反射棱镜也可以由半圆形柱面镜构成。
上述光源1可以采用半导体激光二极管元件，其波长从532纳米至820纳米范围。
该发明与已有的溶液浓度测量方法相比有以下特点不影响溶液的生长环境，适用于流动溶液的浓度测量，以及溶液浓度实时高精度测量。
附图
为本发明装置的工作原理图。
以下根据附图就本发明方法和装置作进一步说明双全反射棱镜置于被测溶液(8)中，He-Ne激光器(1)发出的光束经光束扩束器(2)和分束器件(3)后由柱面镜(4)汇聚于双全反射棱镜(5)，在固液交界面(9)处产生二次全反射并由原路径返回，经过这个过程产生的二次全反射信号经分束器(3)和光束缩束器(6)由光学面阵探测器件CCD(7)接收。
实施例双全反射棱镜置于DKDP溶液(8)中，He-Ne激光器(1)发出的光束经光束扩束器(2)和分束器件(3)后由柱面镜(4)汇聚于双全反射棱镜(5)，在底面(9)处产生第一次全反射，之后由于反射面(10)的作用，光束按原路径返回并在(9)处产生第二次全反射，经过这个过程产生的二次全反射信号经分束器(3)和光束缩束器(6)由光学面阵探测器件CCD(7)接收。角度α为58.30度双全反射棱镜折射率n1为1.5932测量二次全反射临界光线夹角δ的数值大小为0.86度按公式计算被测溶液折射率n2为1.3513DKDP溶液温度为40℃根据DKDP溶液在40℃时浓度c与折射率的关系c＝(n2-1.3266)/0.00129求得此时溶液浓度重量百分比数值为19.1％。
权利要求
1一种实时测量流动溶液浓度的方法，其特征在于采用光学棱镜(双全反射棱镜)使探测光在与被测溶液交界面上产生二次全反射，并根据二次全反射临界光线夹角δ的数值计算相应溶液的折射率n2和浓度数值。
2如权力要求1所述的方法，其特征在于所述的折射率n2通过以下公式计算n2＝n1·sin((3·α-δ)/3)式中n1为双全反射棱镜的折射率，α为双全反射棱镜的底面(9)与反射面(10)的交角。
3一种用于权利要求1方法的测量装置，包括He-Ne激光器(1)，光束扩束器(2)，分束器(3)和柱面镜(4)，光束缩束器(6)，光学面阵探测器件CCD(7)等主要部分组成，其特征在于装置中使用双全反射棱镜(5)用于测量溶液的折射率。
4如权力要求3所述的测量装置，其特征在于所述双全反射棱镜(5)由多边形棱镜构成。
5如权力要求3所述的测量装置，其特征在于所述双全反射棱镜(5)可以由锐角三角形棱镜构成。
6如权力要求3所述的测量装置，其特征在于所述双全反射棱镜(5)也可以出半圆形柱面镜构成。
7如权力要求3到6所述的测量装置，其特征在于所述光源He-Ne激光器(1)可以采用半导体激光二极管元件，其波长从532纳米至820纳米范围。
全文摘要
一种实时测量流动溶液浓度的方法和测量装置是根据光学全反射原理利用光学棱镜使光在固液面上产生二次全反射,通过测量二次全反射临界光线夹角的大小计算出流动溶液的折射率,从而求出对应溶液的浓度。该发明适用于流动溶液的浓度测量以及溶液浓度实时高精度测量,并且不影响溶液的生长环境。
文档编号G01N21/41GK1240934SQ9811466
公开日2000年1月12日 申请日期1998年6月29日 优先权日1998年6月29日
发明者庄欣欣, 张雨东, 谢发利, 蒋捷, 崔传鹏 申请人:中国科学院福建物质结构研究所