雙折射光透法的液體濃度檢測系統(tǒng)

雙折射光透法的液體濃度檢測系統(tǒng)

0雙折射光透方法的應(yīng)用液體濃度的變化會導(dǎo)致液體折射的變化。對于具有固定入射光束的入射光束，折射變化會導(dǎo)致出射光束偏移。利用光刻定位敏感裝置識別光的位移大小，可以獲得液體折射并計算液體濃度?；谏鲜隼碚?，提出了一種應(yīng)用于液體濃度檢測系統(tǒng)的雙折射光透法。該系統(tǒng)具有速度快、精度高、不污染試驗(yàn)對象的液體，以及通過自動轉(zhuǎn)換信號來實(shí)現(xiàn)自動化控制的特點(diǎn)。1濃度檢測原理1.1百分含量試驗(yàn)對一種水溶液來說,其濃度大小表示了它與水的所占比例的關(guān)系.在濃度不是很大且沒有發(fā)生化合、結(jié)合的情況下,溶液折射率可寫成n=c1n1+c2n2(1)式中,c表示百分含量;n為待測物的折射率;n1為玻璃折射率,n2為水的折射率.當(dāng)百分含量發(fā)生變化,例如待測物增加了x,則在新濃度下溶液的折射率n′為n′=(c1+x)n1+(c2?x)n2(2)(2)?(1)式得n′=(c1+x)n1+(c2-x)n2(2)(2)-(1)式得n′?n=(n1?n2)x(3)n′=(n1?n2)x+n(4)n′-n=(n1-n2)x(3)n′=(n1-n2)x+n(4)式中(n1-n2)可視為常量,因此濃度的變化與折射率有著簡單的線性關(guān)系.1.2待測液體實(shí)驗(yàn)液體濃度檢測的原理如圖1.被測液體濃度的改變,會引起入射光線折射角變化,通過檢測光線折射角度的變化(這一變化幾乎與濃度成正比),經(jīng)過分析計算可以求得待測液體的濃度.測量水槽分為兩部分,一部分裝有參考的液體(蒸餾水),另一部分就是待測的液體,中間用一塊傾斜放置的光學(xué)透射窗隔開.這樣,光線的折射角度就會隨兩部分液體折射率差值的變化而不同.當(dāng)光線如圖1的情況入射時,兩種液體折射率之差Δn與光線偏移量d(相當(dāng)于參考液體與被測液體都是蒸餾水的情況)之間存在下列關(guān)系Δn=n-n0=Ωcotθ+Ω2/2n≈kd(5)式中,Ω為光線出射角;θ為光線入射角;k為與結(jié)構(gòu)有關(guān)的常量.2工藝型濃度檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計時要考慮到:出射光線具有足夠的隨液體折射率變化的角分辨率;具有足夠的光強(qiáng)透射率;充分考慮構(gòu)成液體平面鏡的夾角、隔離窗的折射率等.新型濃度檢測系統(tǒng)主要包括:半導(dǎo)體激光器、光學(xué)系統(tǒng)、信號調(diào)理電路、8051單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換電路和顯示電路等.液體濃度檢測系統(tǒng)框圖如圖2.半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光,通過光學(xué)系統(tǒng)(內(nèi)裝有參考液體和待測液體)照射到一維PSD感光面上,經(jīng)過一維PSD信號調(diào)理電路將輸出的電流信號進(jìn)行放大等處理,由A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,通過適當(dāng)接口將其送入微處理器,以其為核心對濃度檢測系統(tǒng)進(jìn)行控制,再由顯示系統(tǒng)顯示出待測液體濃度.2.1位置敏感器件的選擇光源的選取:綜合考慮水的吸收以及散射引起對光的衰減作用,本系統(tǒng)選擇中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所(海特光電子技術(shù)公司)生產(chǎn)的HTL67T05型5mW輸出670nm基橫模量子阱激光器作為系統(tǒng)的光源.位置敏感器件(PositionSensitiveDetector,PSD)的選取:結(jié)合PSD的性能參量、系統(tǒng)測量范圍和測量準(zhǔn)確度的分析,本文選用日本濱松公司的S3932型PSD產(chǎn)品,其響應(yīng)速度為3μs,分辨率為0.3μm,有效敏感區(qū)為1×12mm2.2.2光學(xué)折射圖譜基于濃度檢測的基本光學(xué)原理,本文提出了一種采用雙隔離窗的光透射新型液體濃度檢測的實(shí)驗(yàn)裝置,如圖3.其中F:flume;BPM:bothplanemirror;DW:distilledwater;OTW2:opticstransmissionwindow;ML:measureliquid;OTW1:opticstransmissionwindow;DW1:distilledwater;LF:lightfilter;PS:PSD,L:laser.光學(xué)系統(tǒng)包括兩個裝有蒸餾水的參考水槽和一個裝有待測液體的測量水槽,三個水槽之間由兩個平行的光學(xué)透射窗隔開,水平入射的光線在由光學(xué)透射窗1進(jìn)入待測液體時產(chǎn)生一個入射角,如圖3.在裝有蒸餾水2的水槽裝有一個雙平面鏡,光線經(jīng)過雙平面鏡的反射后,再進(jìn)入待測液體,同樣產(chǎn)生一個入射角,再次進(jìn)入裝有蒸餾水的水槽1,最后通過窄帶濾光片投射在位置敏感器件的光敏面上.當(dāng)待測液體濃度發(fā)生變化時,透射到位置敏感器件的光敏面上的光斑位置也發(fā)生變化,位置敏感器件就會線性的輸出這一變化,從而實(shí)現(xiàn)濃度的檢測.加入濾波片的目的是為了濾除環(huán)境雜散光對檢測的影響.光線的幾何軌跡如圖4.在圖4的幾何光學(xué)軌跡中,d表示待測液體(實(shí)光線)和蒸餾水(虛光線)的光線偏移量.根據(jù)圖4的幾何關(guān)系和光學(xué)折射定律有d=d1+d2(6)d1=(s1?d1)tan(α?β)(7)d2=(s1?d2)tan(α?β)(8)n0sinα=ngsinγ(9)nxsinβ=ngsinγ(10)d1=(s1-d1)tan(α-β)(7)d2=(s1-d2)tan(α-β)(8)n0sinα=ngsinγ(9)nxsinβ=ngsinγ(10)式中,s1為兩隔離窗距離.從式中可以看到,當(dāng)入射角、參比液體和兩隔離窗間距選定以后,n0為真空中的折射率;ng為蒸餾水的折射率;nx為待測液體的折射率,α、n0和s1就是固定值,將式(7)、(8)代入式(6)得到光線偏移量為d=d1+d2=s1tan(α?β)1+tan(α?β)+s1tan(α?β)1+tan(α?β)=2s1tan(α?arcsin(n0nxsinα))1+tan(α?arcsin(n0nxsinα))=f(nx)(11)d=d1+d2=s1tan(α-β)1+tan(α-β)+s1tan(α-β)1+tan(α-β)=2s1tan(α-arcsin(n0nxsinα))1+tan(α-arcsin(n0nxsinα))=f(nx)(11)2.3不同電壓條件下的psd模型一維PSD信號基本檢測和調(diào)理電路如圖5.主要由前置放大、加法器、減法器和除法器等部分構(gòu)成,其中IC1、IC2、IC3、IC4為高準(zhǔn)確度運(yùn)放,IC1和IC2是前置運(yùn)放電路,應(yīng)選用低溫漂高輸入阻抗運(yùn)放,IC3和IC4分別形成加法器和減法器,AD538為模擬除法器,Rf可根據(jù)入射光的強(qiáng)度而定.可以將位移與液體濃度變化值之間的線形因數(shù)折算到PSD的長度之中選擇合適的電阻阻值將輸出的位置信號在這一步將轉(zhuǎn)化為所對應(yīng)的濃度數(shù)值.2.4顯示系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能鍵1為系統(tǒng)調(diào)零功能,當(dāng)待測液體水槽裝有蒸餾水時,系統(tǒng)采集數(shù)據(jù),經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理后,由顯示系統(tǒng)顯示,若顯示沒有調(diào)零,調(diào)節(jié)PSD的位置,直到調(diào)零為止;功能鍵2為系統(tǒng)工作狀態(tài),把待測液體放入待測液體水槽,按功能鍵2,系統(tǒng)開始工作,采集數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換到8051單片機(jī),數(shù)據(jù)處理后交顯示系統(tǒng)顯示待測液體濃度.3光學(xué)檢測實(shí)驗(yàn)對本設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)測量是在溫度為25℃時進(jìn)行的,溫度變化范圍25±1℃.選擇波長為670nm的半導(dǎo)體激光器作為系統(tǒng)的光源.PSD采用日本濱松公司的S3932型,分辨率為0.3μm,有效敏感區(qū)為1×12mm2.采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的雙平面鏡、水槽和玻璃隔離窗.選取隔離窗間距為S=3cm,A=45°.實(shí)測的x值與實(shí)際測量值對比,最大誤差小于3μm.這是經(jīng)過放大器及單片機(jī)電路后的整體誤差.因此,可設(shè)傳感器分辨率為3倍于此誤差,即15μm,適當(dāng)調(diào)整結(jié)構(gòu)參量,用此傳感器可分辨0.00003的液體折射率變化,這相當(dāng)于20°NaCl溶液的0.0033%的濃度準(zhǔn)確度.關(guān)于檢測范圍,PSD全長12mm,考慮邊緣不能用,實(shí)際可用約11.6mm.因此理論可檢測折射率1.22986～1.50137.如果增加PSD的長度,則檢測范圍可進(jìn)一步加大.實(shí)驗(yàn)中選用了NaCl水溶液,用純凈的NaCl和蒸餾水,使用準(zhǔn)確度為0.001g的電子天平,配制質(zhì)量百分比濃度分別為0.01%,0.03%,0.05%,0.07%,0.09%,0.11%和0.13%七種濃度的NaCl水溶液.檢測的位移偏轉(zhuǎn)d、折射率Nx、檢測的溶液濃度與溶液實(shí)際濃度關(guān)系如表1.實(shí)驗(yàn)可知,誤差大約是8%.產(chǎn)生該誤差的主要因素有下面幾方面:一是激光器出射的激光束未處理成嚴(yán)格的幾何直線,有一定大小的光斑,該光斑從測量水槽出射后射向PSD,在PSD上的感光不是一個幾何點(diǎn),造成了測量誤差;二是兩個平行的光學(xué)透射隔離窗不是嚴(yán)格地平行;三是設(shè)計的兩個平面鏡并非嚴(yán)格成90°;四是凸透鏡的邊緣效應(yīng);另外,在處理電路的設(shè)計時沒有消除背景光和暗電流以及溫度的變化等影響,這些都會給測量帶來誤差.4psd測量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究基于新型PSD的理論和工作特性,深入探討了液體濃度檢測的工作原理,并設(shè)計了液體濃度檢測系統(tǒng).濃度檢測的方法很多:如雙光路光纖濃度檢測方法是根據(jù)光纖彎曲損耗原理對液體的濃度進(jìn)行測量;折光法測量液體濃度的原理是根據(jù)光源發(fā)出的光,經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)通過檢測棱鏡和液體后,形成明暗分界線,由分界線的位置反映液體的濃度及其折射率.這些方法雖然都能測量出液體的濃度,但電路與光路的設(shè)計都比較復(fù)雜.在本文設(shè)計的濃度檢測系統(tǒng)中的光路部分,提出采用雙隔離窗的光透射方法,使光線出射測量水槽時與光線開始進(jìn)入測量水槽時處于平