一種用於測量液相氣體折射率的測量儀的製作方法
2023-07-29 21:02:06 2
專利名稱：一種用於測量液相氣體折射率的測量儀的製作方法
技術領域：
一種用於測量液相氣體折射率的測量儀技術領域[0001]本實用新型涉及光學折射率測量領域，具體涉及一種光學折射率測量儀，用於高 壓下的液相氣體的各種特性參數的測量和定性分析，同時也可對常溫、常壓下液體溶液進 行測量。
背景技術：
[0002]折射率不僅是表徵物質光學特性的基本物理量，而且也是新材料合成、物質鑑別 和科學研究中一項重要的性能參數，其與物質的密度、濃度、溫度以及應力等物理量有關， 廣泛地應用在光學、煉油、造紙、食品、材料等技術領域。[0003]液相氣體折射率與氣體物理和化學性能參數存在著線性關係，折射率的測量相對 於其他的物理量的測量更易於實現。根據Lorentz-Lorenz公式，物質的折射率是單位體積 內物質中的微觀粒子(原子或分子)的個數N的函數。由上述原理該液相氣體折射率儀也可 應用在氣體鑑別和組份分析。[0004]目前，液相氣體折射率的測量方法主要分為波動光學、SPR技術、光纖傳感技術、臨 界角法。波動光學優點是測量精度高，但該方法可實現性差、對設備要求較高、抗幹擾性差、 成本較高不適合大規模生產和應用。SPR技術的優點是測量精度高、適合商業應用，但該方 法測量時間較長，無法實現在線測量、抗外界雜質幹擾較差、界面金屬膜容易被腐蝕，不適 合極端條件下折射率測量。光纖傳感技術的優點是測量靈敏度高、抗外界電磁幹擾較強，但 該方法對器件要求較高、系統實現成本較高、受氣泡和界面雜質影響大。[0005]臨界角法的優點是測量精度高、抗幹擾性強、系統維護簡單、適合大規模生產和應 用、適合極端條件液相氣體折射率測量。阿貝折光計是臨界角法的典型代表，因其測量原理 簡單、精度高、系統可靠性高、抗外界幹擾強在工農業生產和科學研究領域大量使用。[0006]臨界角法由探測界面上光斑大小分為聚焦型臨界法和發散型臨界法。 CN102012359公開了一種發散型臨界角發測量液體參數的方法。該方法是將入射光線照射 在探測界面質上，通過光線在探測界面發生部分反射和全反射從而液體折射率測量。該方 法所需探測面較大，只適合測量在常溫、常壓下液體的參數。而且，由於發散型臨界法其入 射到稜鏡探測面的光束具有固定的發散角，探測界面材料的折射率不均勻，因此折射率測 量範圍比較狹窄，探測面容易受雜質影響、束縛光束能力較差，容易因光線洩露而影響系統 精度、稜鏡斜面的空氣隙容易受外界影響，而使系統失效。[0007]聚焦型臨界法是利用平凸透鏡將入射光束聚焦在測量界面上，從而測量聚焦點處 的折射率。該方法的優點是測量精度不受界面上折射率分布不同而受影響、成像端光斑的 明暗界限明顯、測量範圍遠比發散型臨界法大、方便維護、易於大規模生產和應用。通過將 裝置倒置可以提高系統抗界面氣泡和雜質的幹擾，從而減小系統誤差提高系統精度。通過 改變照明系統的像距、物距以及透鏡的焦距，可以增加稜鏡探測面入射角的範圍，從而達到 擴大折射率測量範圍。實用新型內容[0008]本實用新型目的在於提出一種基於全反射原理測量液相氣體的折射率的測量儀， 其利用聚焦型臨界法測量液相氣體的折射率，為氣體鑑別和組份分析奠定了基礎，同時該 折射率具有取樣少、適合高壓等極端條件下液體或者液相氣體的測量、精度高、在線測量、 維護方便等優點。[0009]實現本實用新型目的的一種用於測量液相氣體折射率的測量儀，包括:[0010]點光源照明模塊，其包括LED光源、耦合器、多模光纖以及輸出透鏡，所述LED光源 輸出的光經所述耦合器耦合到多模光纖中，在多模光纖傳輸後經所述透鏡聚焦後出射，以 對待檢測液相氣體進行檢測；[0011]探測稜鏡，其一表面與所述待測液體表面接觸形成反射面，所述點光源照明模塊 出射後的光束在該反射面上聚焦為一點，形成光斑，並發生全反射和部分反射；[0012]反射光接收模塊，其用於收集經所述稜鏡反射面反射的光線，並將收集的光信號 轉換成電信號形成圖像信息輸出；[0013]圖像分析模塊，其對輸出的圖像信息進行處理，提取出光斑中的明暗界限，進而得 到待測物的折射率。[0014]作為本實用新型的改進，所述的測量儀還包括取樣容腔用於容置待測液體，其上 部表面開有圓孔，所述待測液體通過該圓孔與所述探測稜鏡的表面接觸形成所述反射面。[0015]作為本實用新型的改進，入射到底面的光束中，入射角大於臨界角的光束髮生全 反射，入射角小於臨界角的光束髮生部分反射，其部分能量透射到待測的液相氣體中。[0016]作為本實用新型的改進，所述的圖像分析模塊提取光斑中的明暗界限可以採用如 下方法:[0017](a)在光斑圖像中劃取一包含所述明暗界限的區域；[0018](b)對所選取的區域，將其中每一行的圖像數據疊加，得到一行疊加後的圖像數 據；[0019](C)對該行疊加後的圖像數據，以其中任意列像素與其前一列像素之間的差作為 斜率，將斜率最大的點作為界限點。[0020]本實用新型的點光源照明模塊可以通過改變光源的出光頭與透鏡的距離，平凸透 鏡的焦距以及平凸透鏡與稜鏡上表面的距離，來改變入射光束的發散角的大小，從而加大 折射率的測量範圍和系統精度。依據斯涅耳(Snell)原理，光線自光密介質折射入光疏介 質時，折射角大於入射角，且折射角隨入射角的增大而增大，當入射角增大到一定值時，折 射角將增大為90度。光束中部分光線將全反射，光束中另外一部分光線的能量將部分反射 部分透射。如圖3，當入射角大於或者等於臨界角時，入射光線不發生透射；當入射角小於 臨界角時，入射光線發生透射，反射光能量降低。入射光束不變且稜鏡折射率nl —定，液體 折射率n2發生相對變化時，臨界角Θ c將隨著n2的變化而變化。通過計算反射光斑中明 暗界限的位置，就可以通過計算得到有機溶液密度值。[0021]本實用新型折射率儀的光學稜鏡可以是等邊稜鏡，點光源發出的光束經過透鏡聚 焦，會聚光線經過稜鏡SI面在稜鏡探測面S2上聚焦成一點。在S2面上探測點與待測液體 接觸，一部分角度光線發生全反射，另外一部分光線發生部分反射。經過S2面反射的光線 透過S3面由透鏡會聚到CXD像面上。[0022]本實用新型折射率儀的光線收集模塊的作用是將反射光斑耦合到CCD的感光面 上從而實現反射光斑的全部接收，並將接收的光信號轉換成電信號輸出。該CCD可以為一 維的線陣(XD，也可以為二維的面陣(XD。[0023]本實用新型折射率儀的點光源照明模塊是由LED、耦合器、多模光纖以及輸出透鏡 構成。LED輸出的光經過耦合器將光耦合到多模光纖中，經過多模光纖的光束可以認為是一 束具有一定發散角的點光源。光纖耦合輸出光束經過透鏡擴大發散角並將光束聚焦到稜鏡 探測面上。該模塊可以通過擴大光束的發散角來提高系統的測量範圍和精度。[0024]本實用新型折射率儀採用聚焦型臨界角法，可以克服稜鏡探測面材質折射率不均 勻的影響。在測量時裝置可以倒置，這樣可以保證測量點與待測液相氣體或者液體接觸，從 而提高系統抗幹擾能力。本實用新型不需要專門設計精密結構將探測稜鏡進行密封處理， 同時稜鏡斜面的空氣隙不易受外部影響。該折射率儀利用聚焦型臨界角法可以測量具有高 強度壓強的液態氣體，而發散型臨界角法由於稜鏡底面與待測液體接觸面積較大，稜鏡密 封處理較困難。[0025]本實用新型的裝置測量液相氣體折射率具有精度高、維護簡單、實現容易、抗幹擾 能力強、受測量環境影響小等優點。
[0026]圖1是本實用新型實施例的一種用於液相氣體折射率在線測量儀。[0027]圖2是本實用新型實施例中點光源照明模塊的結構圖。[0028]圖3是本實用新型實施例中臨界角法反射光線與透射光線示意圖。[0029]圖4是本實用新型實施例中理想情況下反射光斑圖。[0030]圖5中，(a)是本實用新型所採用的聚焦型臨界法的原理示意圖，(b)為現有技術 的發散型臨界法的原理示意圖。[0031]圖6是某液相氣體在CXD像面上明暗界限隨組分折射率變化圖。[0032]圖7是本實用新型實施例的折射率測量儀測量食鹽水時，食鹽水濃度與象素的關 系曲線圖。[0033]圖8是本實用新型實施例的折射率儀測量某液相混合氣體時，接收光斑的明暗界 限圖。
具體實施方式
[0034]
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型做進一步說明，但本實用新型不僅限於 該實施例。[0035]如圖1，本實施例的折射率測量儀包括LED光纖照明模塊1、探測稜鏡3、高壓液相 氣體取樣容腔4、反射光能量收集模塊5和圖像處理模塊7。[0036]待測液相氣體通過測量儀的取樣模塊4中的入口進入取樣容腔4，進入取樣容腔4 的液相氣體與探測稜鏡3底面接觸形成反射面。取樣容腔4中的空氣或者雜質通過取樣容 腔4的出口排出。本實施例中的該取樣容腔4可以承受50個大氣壓，適合絕大多數液相氣 體的取樣。[0037]LED光纖點光源照明模塊I將入射到探測稜鏡3的光束聚焦到探測稜鏡3底面上。入射到底面的光束，入射角大於臨界角的光束髮生全反射；入射角小於臨界角的光束髮生部分反射，即有一部分能量透射到待測的液相氣體中。經過探測界面反射的光束經過透鏡5 將反射光斑耦合到接收模塊5的CCD像面上。CCD將接收的光信號轉換成電信號輸入到圖像處理模塊7中。由圖像處理模塊7得到的反射光斑圖像將光斑中的明暗界限提取出來， 並得到明暗界限位置與待測液相氣體折射率的關係式，繼而可以獲得待測液相氣體的折射率。[0038]本實施例中對於光斑中的明暗界限提取可以優選採用微分法微分法是通過比較反射光光強的差異來判斷臨界角的，這使得它具備抗幹擾強的優點。根據菲涅爾反射原理， 當某一密度的液體覆蓋在傳感器稜鏡的表面時，CMOS圖像傳感器拍攝到的光斑的圖像中存在一條明暗界限，密度越高，界限越往右側移動，並且密度的增加量與界限的位移量呈線性關係。該圖像界限可以通過微分法來進行提取。標定幾組密度已知的標準液在圖像中界限的位置，就能通過界限識別算法計算出待測量液體的密度和折射率。[0039]本實施例中採用微分法的具體圖像算法原理如下:a)劃取區域，如圖4所示，圓形區域為CMOS所拍圖像中的光斑，光斑中存在一條明暗界限，為了保證測量範圍和測量精度，在圓形光斑區域中首先劃取一個長方形區域(上圖光斑中的長方形區域)，僅取出方框中的數據進行處理；(b)按行疊加，針對所選取的長方形區域，把每一行的數據疊加起來， 最終得到一行疊加後的數據。這種按行疊加的方法可以增加系統的抗幹擾性能；(C)FIR濾波，設計FIR低通濾波器，濾除高頻噪音，增加算法的抗幹擾性能；(d)界限提取，本系統採用斜率法提取界限，即針對第i列像素，第i+Ι列像素和第i列像素之間的差作為斜率， 將斜率最大的點作為界限的位置，其中i為任一整數。[0040]本實用新型的在線式液相氣體折射率測量儀不僅可以測溶液的折射率、電解液的折射率還可以測量液相氣體的折射率。在液相氣體氣壓恆定的情況下，由於玻璃材料承受壓力能力一般較小，同時玻璃受力與接觸面積成正比，因此應較小於待測液相氣體的面積從而避免玻璃稜鏡因受力過大而破裂。傳統的折射率儀由於探測面積較大，只能測量溶液而不能測量具有較大壓力的液相氣體的折射率。本折射率測量儀是利用物理光學中全反射的原理，採用聚焦型臨界角法測量液相氣體折射率可以實現對液相氣體折射率的測量，該方法所需取樣面小，易於對高壓的液相氣體進行測量。[0041]本實用新型的測量儀可以對高壓下的液相氣體進行折射率測量，當然也可以對高壓下的液體或常壓下的各種液體的折射率進行測量。[0042]本實施例中待測液相氣體與稜鏡面接觸形成的反射面可以與光束的光斑大小一致或相適應。待測液相氣體裝在一開有圓孔的容腔4中，該容腔表面與稜鏡面抵接，待測液相氣體通過該圓孔與稜鏡面接觸形成反射面。該圓孔很小，以確保其能夠承受液相氣體的高壓，該圓孔可以與光斑大小一致。[0043]本實用新型的測量儀的物理模型可由Snell定律、菲涅爾反射定律以及全反射原理決定。折射率儀測量範圍可由以下公式評定，[0044]nx = ngsin Θ c
權利要求1.一種用於測量液相氣體折射率的測量儀，包括:點光源照明模塊(1)，其包括LED光源(11)、耦合器(12)、多模光纖(13)以及輸出透鏡(14)，所述LED光源(11)輸出的光經所述耦合器(12)耦合到多模光纖(13)中，經該多模光 纖(13)傳輸後由所述透鏡(14)聚焦後出射，以對待檢測液相氣體進行檢測；探測稜鏡(3)，其一稜鏡面與所述待檢測液相氣體表面接觸形成反射面，所述點光源照 明模塊(I)出射後的光束在該反射面上聚焦形成光斑，並發生全反射和部分反射；反射光接收模塊(5)，其收集經所述反射面反射的光線，並將收集的光斑圖像信息轉換 成電信號輸出；圖像分析模塊(7)，其對輸出的光斑圖像信息進行處理，提取出光斑中的明暗界限，進 而即可得到待測物的折射率。
2.根據權利要求1所述的一種用於測量液相氣體折射率的測量儀，其特徵在於，所述 的測量儀還包括取樣容腔(4)，用於容置待測液體，其表面開有圓孔，所述待測液體通過該 圓孔與所述探測稜鏡(3)的表面接觸形成所述反射面。
3.根據權利要求1或2所述的一種用於測量液相氣體折射率的測量儀，其特徵在於，在 反射面上聚焦形成光斑的光束中，入射角大於臨界角的光束髮生全反射,入射角小於臨界 角的光束髮生部分反射，其部分能量透射到待檢測的液相氣體中。
專利摘要本實用新型公開了一種用於測量液相氣體折射率的測量儀，包括點光源照明模塊，其產生光束以對待檢測液相氣體進行檢測；探測稜鏡，其一稜鏡面與所述待測液體表面接觸形成反射面，點光源照明模塊出射後的光束在該反射面上聚焦形成光斑，並發生全反射和部分反射；反射光接收模塊，其用於收集經所述反射面反射的光線，並將收集的光斑圖像信息轉換成電信號輸出；圖像分析模塊，其對輸出的光斑圖像信息進行處理，提取出光斑中的明暗界限，進而即可得到待測物的折射率。本實用新型的裝置可以有效測量液相氣體折射率，具有精度高、維護簡單、實現容易、抗幹擾能力強、受測量環境影響小等優點。
文檔編號G01N21/43GK202974864SQ20122059387
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月11日 優先權日2012年11月11日
發明者楊克成, 葉駿偉, 夏珉, 郭文平, 李微 申請人:華中科技大學