一种基于布儒斯特定律的溶液浓度监测方法及装置与流程

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种基于布儒斯特定律的溶液浓度监测方法及装置。

背景技术：

目前光学测量技术已经相当成熟，在许多领域都有广泛的应用。对于溶液浓度的在线监测在化工、医药、饮料、造纸、食品等领域中有着重要的意义，是保证和提高产品质量的重要技术手段，现在国内还没有采用基于布儒斯特定律实现监测溶液浓度的仪器设备。目前，溶液浓度的测量主要采用以下几种方法：

(1)蒸发分离法。取部分溶液并测量其质量，加热蒸发掉水分后，测量剩下的溶质的质量，计算出溶液的质量百分比浓度。

(2)利用旋光仪测量溶液浓度。当线偏振光通过旋光性溶液时，偏振光的振动方向会转过一定角度，这个角度称为旋光度，它与偏振光通过溶液的长度及旋光性物质的浓度成正比。

(3)利用不同浓度的溶液对光的折射率不同的特性，通过光电探测器接收折射光信号的强弱来计算溶液浓度值。也可基于全反射原理的掠入射法，用阿贝折射仪测量透明溶液的折射率。

(4)吸光光度法。对于较稀的溶液，吸光度和浓度成正比，由比尔-朗伯定律得出二者关系。

(5)利用溶液的电化学性质，通过测量电学参量再转化成浓度值。此外，也还有用浮球法测量溶液的比重再换算成溶液浓度等。

以上几种方法的缺点主要有：

(1)对待测溶液的限制多，不能测量具有挥发性和加热分解的溶液，耗费时间长，对低浓度的溶液测量误差大。

(2)待测溶液必须具有旋光性质。

(3)需要在溶液中插入传输折射光信号装置，最后使折射光被探测器接收，光路设计复杂。不能用阿贝折射仪测量折射率大于折光棱镜折射率的溶液。此外，使用仪器前要检查折射棱镜和标准块的光学面清净，每次更换样品要擦拭干净，还要防止气泡进入待测溶液中。

(4)溶液要保持透光状态，光线始终垂直穿过待测溶液，吸光物质为均匀非散射体系，仪器装置成本较高。

(5)电化学法与溶液导电性能有关。浮球法需要合适的浮球和高精度重量传感器，并且测量过程中保持浮球相对稳定。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于布儒斯特定律的溶液浓度监测方法，利用线偏振光照射待测溶液，可监测多种性质溶液的浓度，方法简单且可操作性强。

本发明的另一目的是提供一种基于布儒斯特定律的溶液浓度监测装置，产生线偏振光并照射待测溶液，用读数装置测得线偏振光与水平方向的锐角夹角，计算得出溶液的浓度，装置的成本较低，测量精准度更高。

为了实现上述目的，本发明的方案是：

一种基于布儒斯特定律的溶液浓度监测方法，所述方法包括：获取待测溶液样品；产生线偏振光；使线偏振光照射到溶液样品的表面发生反射和折射，接收并观察反射光；调节线偏振光入射到液面的角度，当反射光消失时，测量并记录此时线偏振光与水平方向的夹角，即消光角度；根据布儒斯特定律，求出溶液折射率；由溶液折射率和浓度的关系计算得出溶液样品的浓度。

进一步的，所述根据布儒斯特定律求出溶液折射率的方法为，所述消光角度与布儒斯特角互为余角，利用布儒斯特角与分界面周围的两种介质折射率的关系计算得出溶液的折射率。

进一步的，所述由溶液折射率和浓度的关系计算得出溶液样品的浓度的方法为，建立溶液折射率与浓度的对应关系的理论模型，即通过测量不同的已知浓度溶液的消光角度，计算出对应的折射率，利用origin拟合线性或非线性曲线，得到该溶液样品折射率与浓度的关系式，再以该关系式为依据，计算出某折射率下待测溶液的浓度。

一种实施上述基于布儒斯特定律的溶液浓度监测方法的装置，包括样品池、激光源、转动读数装置和接收装置；所述样品池为无盖容器，用于盛放待测溶液样品，样品池一侧的上方放置激光源，相对的另一侧放置用于接收并检测反射光的接收装置；所述激光源固定在转动读数装置上，跟随转动读数装置在竖直面内连续转动；所述转动读数装置标有与水平方向夹角的刻度线，包括主刻度盘和游标盘，主刻度盘分为360°，最小刻度值为30'，游标盘有30个分格，最小分度值为1'；通过调整转动读数装置，改变激光入射的角度，当接收装置检测到待测溶液反射的线偏振光刚好消失时，此时转动读数装置的读数为激光器与水平方向的夹角α，即消光角度。

进一步的，所述激光源包括激光器、套筒、旋转盘和起偏器，所述激光器的输出端连接有套筒，所述套筒内嵌有旋转盘，旋转盘中心处设有圆孔，圆孔处固定有可360°自由旋转的起偏器，所述起偏器与激光器端面平行。

进一步的，所述旋转盘的边缘0°～180°范围内标有角度刻线，所述角度刻线的精度为1°。

进一步的，所述转动读数装置包括读数装置和转动装置，所述读数装置包括主刻度盘、游标盘、容栅传感器、液晶屏；所述容栅传感器包括动栅和静栅，所述动栅固定在游标盘上，所述静栅固定在主刻度盘上；所述容栅传感器测量激光器与水平方向的锐角夹角后，经过数据转换模块的信号处理，再通过液晶屏实时显示。

进一步的，所述转动装置包括蜗轮、蜗杆、齿轮结构、编码器、电动机和控制面板，所述蜗杆为圆柱蜗杆传动，蜗轮和蜗杆结构实现一级减速，蜗轮和齿轮结构实现二级减速；所述齿轮结构包括大齿轮和小齿轮，所述大齿轮通过低速轴与激光源、游标盘相连，所述编码器用于控制电动机的起始位置及转动方向，所述控制面板用于控制电动机的工作状态；所述转动装置中还设有抱闸，用于锁死低速轴。

进一步的，所述的接收装置为白屏，材料为白纸板、白塑料板或者白铁板。

进一步的，所述接收装置为ccd光强分布测量仪，由计算机实时采集数据，实时检测接收的反射光束相对光强变化。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种基于布儒斯特定律的溶液浓度监测方法及装置，与现有技术相比，其优势在于：对待测溶液性质的局限性小，可实现溶液浓度的实时、在线监测，易于实施，操作简单，读数方便，误差小，仪器设备成本低，系统稳定，可重复性强。

附图说明

图1为本发明一种基于布儒斯特定律的溶液浓度监测装置结构框图；

图2为本发明的激光源的结构示意图；

图3为本发明的读数装置结构示意图；

图4为本发明的转动装置结构示意图；

图5为本发明的容栅旋转传感器结构示意图；

图6为光以布儒斯特角照射到溶液表面发生反射与折射示意图；

图7为nacl溶液浓度与折射率的关系图；

图中：1-激光源；2-转动读数装置；3-样品池；4-接收装置；5-入口；6-出口；7-塞子；8-激光器；9-套筒；10-旋转盘；11-起偏器；12-主刻度盘；13-游标盘；14-容栅传感器；15-液晶屏；16-蜗杆；17-蜗轮；18-小齿轮；19-大齿轮；20-低速轴；21-抱闸；22-高速轴；23-电动机；24-编码器；25-控制面板；26-动栅；27-静栅；28-发射极；29-屏蔽极；30-接收极；31-反射极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

如图1至图7所示，为本发明的一种基于布儒斯特定律的溶液浓度监测方法的装置结构，包括样品池3、激光源1、转动读数装置2和接收装置4。

其中样品池3为无盖容器，用于盛放待测溶液样品，样品池3一侧的上方放置激光源1，相对的另一侧放置用于接收并检测反射光的接收装置4。其中样品池3的侧壁上设有入口5，底部设有出口6，出口处还设有塞子7，塞子7用来在不需要溶液流出时堵住出口6。若待测溶液具有腐蚀性，需将样品池3、入口5、出口6、塞子7设置为抗腐蚀材料。因此，本发明提供的基于布儒斯特定律测定溶液浓度的在线监测装置能在腐蚀性等恶劣条件下使用，增强了溶液浓度的测量对象范围。

其中激光源1固定在转动读数装置2上，跟随转动读数装置2在竖直面内连续转动。其中转动读数装置2标有与水平方向夹角的刻度线，包括主刻度盘12和游标盘13，主刻度盘12分为360°，最小刻度值为30'，游标盘13有30个分格，最小分度值为1'。通过调整转动读数装置2，改变激光入射的角度，当接收装置4检测到待测溶液反射的线偏振光刚好消失时，此时转动读数装置2的读数为激光器8与水平方向的夹角α，即消光角度。

其中激光源1包括激光器8、套筒9、旋转盘10和起偏器11，激光器8的输出端连接有套筒9，所述套筒9内嵌有旋转盘10，旋转盘10中心处设有圆孔，圆孔处固定有可360°自由旋转的起偏器11，所述起偏器11与激光器8端面平行。激光经起偏器11后得到线偏振光，线偏振光入射到样品池3的液面发生反射和折射，其中反射光照射到接收装置4上。

其中旋转盘的边缘0°～180°范围内标有角度刻线，所述角度刻线的精度为1°。

其中转动读数装置2包括读数装置和转动装置，其中读数装置包括主刻度盘12、游标盘13、容栅传感器14、液晶屏15；所述容栅传感器14包括动栅26和静栅27，所述动栅26固定在游标盘13上，所述静栅27固定在主刻度盘12上；所述容栅传感器14测量激光器8与水平方向的锐角夹角后，经过数据转换模块的信号处理，再通过液晶屏15实时显示。

其中容栅旋转传感器14的动栅26包括发射极28、屏蔽极29和接收极30，静栅27包括屏蔽极29和反射极31；动栅26的接收极30获取的信号输送到集成电路中处理，输出信号相对于发射极28激励信号反映出旋转角度的相位差，即将机械旋转量转变为电信号的相位变化量。

其中转动装置包括蜗轮17、蜗杆16、齿轮结构、编码器24、电动机23和控制面板25，所述蜗杆16为圆柱蜗杆传动，蜗轮17和蜗杆16结构实现一级减速，蜗轮17和齿轮结构实现二级减速；所述齿轮结构包括大齿轮19和小齿轮18，所述小齿轮18为设置在蜗轮17上面的同心小齿轮，其转轴为高速轴22，大齿轮19的转轴为低速轴20；所述大齿轮19通过低速轴20与激光源1、游标盘13相连，所述编码器24用于控制电动机23的起始位置及转动方向，可设置水平角度即0°0'时为起始点，通过控制面板25的控制，转动装置自动回到水平位置，编码器24还可以通过编程实现转动装置的正转或反转。所述控制面板25用于控制电动机23的工作状态。转动装置中还设有抱闸21，在控制面板25按下相应的控制按键时，锁死低速轴20，所述转动装置停止转动。

其中接收装置4为白屏，材料为白纸板、白塑料板或者白铁板。

其中接收装置4为ccd光强分布测量仪，由计算机实时采集数据，实时检测接收的反射光束相对光强变化，其核心是线阵ccd器件，线阵ccd竖直放置，方便接收高度变化的反射光束，分辨率高，能动态瞬时采集数据，光敏元素为2700个，光敏元尺寸为11×11μm，光敏元中心距为11μm，光谱响应范围为0.3～0.9μm，ccd的终端显示连接计算机，在计算机显示器上移动鼠标时，标志线x值为相对光强曲线上对应的ccd器件上的第几个光电二极管，采集到的相对光强图的左侧栏为光敏元接收到的相对光强值。

该装置的操作方法为：将激光器8调节为水平方向，打开激光器8电源，旋转起偏器11，肉眼观察白屏上的反射光亮度是否有变化，或者利用ccd光强分布测量仪检测反射光亮度是否有变化；调节转动读数装置2，将激光器8放置于合适角度使线偏振光入射到样品池3中，调节接收装置4高度和位置，使液面反射光照射到接收装置4上。手动或者自动调整转动装置2，改变线偏振光入射到溶液表面的角度，同时旋转起偏器11，反复调节，观察白屏的光强变化，当观察到反射光刚好消失时，或者ccd光强分布测量仪检测到反射光相对光强最小时，记录此时激光器8与水平方向的锐角夹角，即消光角度α。重复测量若干次，求出α的平均值。

根据布儒斯特定律求出溶液折射率的方法，即所述锐角夹角α与布儒斯特角互为余角，利用布儒斯特角与分界面周围的两种介质折射率的关系计算得出溶液的折射率。具体推导及计算过程如下：

当投射到液面上的入射角为布儒斯特角时，不管入射光的偏振状态如何，反射光为电矢量振动方向垂直于入射面的线偏振光，如图6所示，与分界面周围的两种介质折射率满足如下关系

其中，n'为空气折射率，n为待测溶液折射率。一般地，空气的折射率取1，则式(1)简化为

当起偏器的偏振方向旋转到与反射光电矢量振动方向垂直时，液面反射光消失，激光器与水平方向的锐角夹角为α，线偏振光入射到液面上的入射角为θ，根据几何光学，得到

θ＝90°-α(3)

式(1)～(3)中，θ即为则有待测溶液折射率为

n＝tan(90°-α)(4)

由溶液折射率和浓度的关系计算得出溶液样品的浓度的方法为，建立溶液折射率与浓度的对应关系的理论模型，即通过测量不同的已知浓度溶液的消光角度，计算出对应的折射率，利用origin拟合线性或非线性曲线，得到该溶液样品折射率与浓度的关系式，再以该关系式为依据，通过测量待测溶液的消光角度，计算出溶液样品的浓度。如图7所示，本实施例以nacl溶液为例，取6种不同的已知浓度溶液，利用上述装置分别测量这些溶液样品的消光角度，计算其对应的折射率，结果如下表所示。

表1消光角度α随nacl溶液浓度c变化表

根据表1中数据作溶液折射率n和浓度c的关系图，利用origin拟合曲线如图7所示。由图7发现溶液浓度c与折射率n近似成线性关系，该溶液样品折射率与浓度的关系式为

c＝535.41654n-713.76419(5)

若式(5)中c为10，则表示浓度为10％。该拟合方程的相关系数r＝0.99983，溶液浓度与折射率显著线性相关，线性拟合方程有意义。再以该关系式为依据，计算出某折射率下待测溶液的浓度。

表2浓度为8％和18％的nacl溶液的消光角度α测量数据表

由表2数据得出，对于8％的nacl溶液，当液面反射光消失时，激光器与水平方向的夹角平均值为

同理，对于18％的nacl溶液，当液面反射光消失时，激光器与水平方向的夹角平均值为

由式(4)得出这两种浓度的nacl溶液的折射率分别为

根据nacl溶液折射率与浓度的对应关系的理论模型，即式(5)计算出以上两种浓度的nacl溶液的浓度实验值分别为

c1＝535.41654n1-713.76419＝535.41654×1.34781-713.76419＝7.88单位为：％

c2＝535.41654n2-713.76419＝535.41654×1.36683-713.76419＝18.06单位为：％

二者相对误差分别为

上述各实施例可在不脱离本发明的保护范围下加以若干变化，故以上的说明所包含及附图中所示的结构应视为例示性，而非用以限制本发明申请专利的保护范围。