一种基于惠更斯光折射原理的透明液体浓度测量装置

1.本实用新型涉及一种测量装置，具体为一种基于惠更斯光折射原理的透明液体浓度测量装置。


背景技术：

2.浓度是液体的重要特性参数之一，对工农业生产和科学研究有重要意义。在农业中，农药浓度的测量必不可少，农药浓度对农作物的生长起着至关重要的作用；在化工业中，造纸过程中的纸浆浓度、石油等物质的含水量测量都需要测量精确的液体浓度数值；在医疗领域，药品生产、临床药品等需要配制一定浓度的药物，以达到最佳治疗效果；在环境保护中，为防止短时间的污染物聚集，对污染物排放浓度进行严格把控。
3.常见的液体浓度测量方法及特点，具体如下：
4.旋光度法，优势：使用旋光仪，操作简单；缺陷：液体必须能够产生旋光度，旋光度测定值引入的不确定度主要与测量的重复性和旋光仪的校准相关，易产生不稳定的误差。
5.超声波声速法，优势：可适用于不同环境，系统结构简单、成本低廉；缺陷：液体中声速受温度影响较大，存在一定测量误差。
6.超声光栅法，优势：精度高、性能稳定、结构简单；缺陷：超生槽透光窗口较小，通过的衍射条纹受到一定限制，不便观察。
7.化学分析法，优势：检测操作简单；缺陷：破坏或改变了原溶液中物质的性质，对环境温度要求高，不能实时在线监测。
8.电容法，优势：动态响应好，结构简单，适应性强；缺陷：输出阻抗高，负载能力差，寄生电容影响大，输出特性非线性。
9.光在从空气进入液体时会发生折射，这是因为不同的光介质的密度、介电系数不同，会对电磁波产生不同影响，进而表现出的折射率不同，而在对液体浓度的研究与应用中，离不开对液体折射率的测量。通过查阅大量资料，了解到可以利用惠更斯原理计算折射率。
10.基于以上分析，本实用新型设计了基于惠更斯光折射原理的透明液体浓度测量装置，推导浓度与折射率关系，实现对液体浓度的测量。


技术实现要素：

11.为解决以上现有问题，本实用新型提供一种基于惠更斯光折射原理的透明液体浓度测量装置。本实用新型通过以下技术方案实现。
12.一种基于惠更斯光折射原理的透明液体浓度测量装置，由置于光学导轨上的信号调制、发射和接收系统及信号解调、处理和显示系统，光学反射调节系统和载物平台调节系统组成；
13.所述信号调制、发射和接收系统及信号解调、处理和显示系统的外部设有显示器和高性能光电二极管，其下部设有第一滑座，其内部由高速光电接收器、可调制激光器、信
号调制解调器、有源滤波器、iv变换放大器、线性稳压电源以及单片机组成；
14.所述光学反射调节系统由五维光路反射调节台及其内置的一直角三棱镜组成，固定所述直角三棱镜一侧的调节台上方设有一由细纹螺丝支撑的第一台座，所述第一台座上分别设有第一俯仰调节手钮、第一转动调节手钮以及第一左右调节手钮，调节台下方设有第二滑座和第一左右移动手轮，所述第一台座通过限位柱固定在所述第二滑座上，所述第一台座的下方设有棱镜座升降微调装置；
15.所述载物平台调节系统由旋光管支架和四维调节平台组成，所述载物平台调节系统的上方设有一由细纹螺丝支撑的第二台座，所述第二台座上分别设有第二俯仰调节手钮和第二转动调节手钮，其下方设有第三滑座及第二左右移动手轮，其中部设有用于固定并调节载物平台竖直位置的锁定螺丝。
16.进一步的，所述信号调制、发射和接收系统及信号解调、处理和显示系统中的电路均采用5v电压供电。
17.进一步的，所述显示器上设有一7寸的tft显示屏。
18.进一步的，所述第二滑座和第三滑座均为燕尾槽型。
19.本实用新型的有益效果：本实用新型设计了一种基于惠更斯光折射原理的透明液体浓度测量装置，对透明液体折射率进行非接触式测量，设计了光学反射系统，通过机械加工五维精密反射调节台，实现对入射光及出射光的调节，以使高速光电接收器接收到良好的信号；新装置能够准确测量透明液体的折射率，利用拟合关系，实现对透明液体浓度的测量；该测量装置设计可行，相对误差较小，测量结果较为准确，同时装置操作简便，具有一定的推广价值。
附图说明
20.图1为本实用新型一种基于惠更斯光折射原理的透明液体浓度测量装置的整体结构图；
21.图2为光学反射调节系统的结构图；
22.图3为光学反射调节系统的结构图。
具体实施方式
23.下面结合附图对本实用新型的技术方案作更为详细、完整的说明。
24.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
25.在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
26.此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
27.在本实用新型实施例的描述中，“多个”代表至少2个。
28.在本实用新型实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
29.对于大多数透明液体，其浓度不同折射率通常会发生改变，浓度与折射率存在一定联系。基于此，将透明液体浓度的测量转化为透明液体折射率的测量，设计了基于惠更斯光折射原理的透明液体浓度测量装置，实现对透明液体浓度的测量。
30.具体实施例1，一种基于惠更斯光折射原理的透明液体浓度测量装置，由置于光学导轨1上的信号调制、发射和接收系统及信号解调、处理和显示系统2，光学反射调节系统3和载物平台调节系统4组成；
31.信号调制、发射和接收系统及信号解调、处理和显示系统2的外部设有显示器5和高性能光电二极管6，显示器5上设有一7寸的tft显示屏，其下部设有第一滑座7，其内部由高速光电接收器、可调制激光器、信号调制解调器、有源滤波器、iv变换放大器、线性稳压电源以及单片机组成；
32.其中，线性稳压电源的电源变压器的输出电压为12v，经过整流桥和电容整流滤波产生直流电压，加到lm7805稳压芯片上，可产生稳定的5v电压，系统中的电路都是采用5v电压供电；当激光汇聚至光电探测器时，高性能光电二极管将采集到的光信号转换成电信号，虽然其响应度高，但输出的信号较弱，通过iv变换放大器将输出信号电压放大；为了进一步减小低频信号的干扰，接入滤波器(集成在接收板上)，仅允许确定频率的信号通过，从而提高了示波器捕捉信号的精确度和灵敏度；
33.光学反射调节系统3由五维光路反射调节台及其内置的一直角三棱镜组成，固定直角三棱镜一侧的调节台上方设有一由细纹螺丝支撑的第一台座8，用于调节直角三棱镜的倾斜角度、转动方向及竖直摆角，第一台座8上分别设有第一俯仰调节手钮9、第一转动调节手钮10以及第一左右调节手钮11，调节台下方设有燕尾槽型的第二滑座12和第一左右移动手轮13，实现对反射镜的水平移动，第一台座8通过限位柱14固定在第二滑座12上，第一台座8的下方设有棱镜座升降微调装置15，对三棱镜竖直位置进行调整，以此实现对反射器的五维精密调节；
34.激光通过直角三棱镜后，发生折射，形成入射光、出射光，通过对光学反射系统的调节，使入射光和出射光平行，三棱镜反射面与两光束成45度，达到光学反射系统在光学导轨上任意位置，信号接收器接收到的信号状态良好；
35.载物平台调节系统4为两部分，分别用于固定旋光管以及调节旋光管的位置，由旋光管支架16和四维调节平台组成，载物平台调节系统4的上方设有一由细纹螺丝支撑的第二台座17，第二台座17上分别设有第二俯仰调节手钮18和第二转动调节手钮19，其下方设有燕尾槽型的第三滑座20及第二左右移动手轮21，用于调节旋光管的倾斜角度、转动方向
以及左右位置，使激光能垂直穿过旋光管中的液体且打入激光接收装置中，其中部设有用于固定并调节载物平台竖直位置的锁定螺丝22，以此实现对载物平台的四维调节。
36.具体使用过程：
37.(1)实验前30分钟，打开基于惠更斯光折射原理的透明液体浓度测量装置，将频率调到100mhz待其频率稳定后进行仪器校准；
38.(2)调节激光调节台和光学反射器的旋钮，观察显示器，直至反射器在全段光学导轨上移动，高速光电接收器接收到的信号皆良好。保持各调节钮位置，进行实验；
39.(3)五次同方向移动反射器位置，记录反射器移动后所显示的相位差并记录移动反射器时的间隔距离x1、x2、x3、x4、x5，计算和得到100mhz下光在空气中的传播速度；
40.(4)将旋光管放置在多维调节载物台上，调节载物台旋钮，对旋光管位置进行微调，使得显示屏上信号接收恢复良好；
41.(5)更换不同旋光管，重复操作(4)，记录放置旋光管前后的相位差计算对应波长λ2及光穿过在旋光管中的传播速度v2；
42.(7)更换为150mhz和200mhz的频率，重复以上操作，计算得出3种频率下光在空气中的平均传播速度及光在不同浓度葡萄糖分析纯液体中传播的平均速度
43.(8)通过实验发现，100mhz下测得的光的传播速度误差较大，所以实验选择在150mhz、200mhz下进行实验。
44.利用origin软件实验数据进行线性拟合，证明测量结果较为准确，且与实验原理相符合。
45.本实用新型设计了一种基于惠更斯光折射原理的透明液体浓度测量装置，对透明液体折射率进行非接触式测量，设计了光学反射系统，通过机械加工五维精密反射调节台，实现对入射光及出射光的调节，以使高速光电接收器接收到良好的信号；新装置能够准确测量透明液体的折射率，利用拟合关系，实现对透明液体浓度的测量；该测量装置设计可行，相对误差较小，测量结果较为准确，同时装置操作简便，具有一定的推广价值。
46.以上对本实用新型及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。