一種檢測液體密度的系統、方法及應用與流程
2023-07-31 10:29:46 3
本發明涉及液體密度測量技術，更具體地，涉及一種檢測液體密度的系統、方法及應用。
背景技術：
液體表面波能反映出液體的性質，如表面張力係數，粘滯係數等，在結合其他參數的基礎上，可以間接測量出溶液密度，其中測液體表面張力的方法很多，大都屬於接觸法或靜態法，如常用的有拉脫法、滴定法、毛細管法、最大氣泡壓力法等，這些方法的缺點是不能實時連續測量，且會汙染液體。
水泡糞工藝用於定時清除畜舍內的糞便和尿液，減少糞汙清理過程中的勞動力投入，減少衝洗用水，提高養殖場自動化管理水平。糞便溶液的密度是溶液處理的一項重要指標，在整個糞便溶液處理過程中，需要定期獲取糞便溶液的密度，以便指導定期清理糞便溶液。目前對排洩物溶液的檢測需要直接接觸上述溶液，獲取樣本，然後帶回實驗室對樣本進行各項屬性檢測，不僅費時費力，還存在安全性問題。水泡糞工藝中狹小的地漏縫隙，也增加了樣本提取的困難；在新型智能豬舍中，檢驗員入場前還需要做消毒滅菌，必須穿著防護服進入豬舍，變向增加了檢測過程複雜度；水泡糞工藝會造成一定的氨氣汙染，對傳統的直接接觸式採集檢測方法造成了很大困難，對採集人員心裡素質、安全防護以及採集設備也提出了較高要求。
技術實現要素：
本發明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的一種檢測液體密度的方法、系統及應用。
根據本發明的一個方面，提供一種非接觸式檢測液體密度的系統，包括：
雷射發生器，用於以一定角度向液體表面射出一定波長的雷射；
毛細波激發器，用於在液體表面產生毛細波；
採集器，沿垂直於液體表面的方向滑動，所述採集器用於採集都卜勒頻率和當前液體對應的±1級衍射光斑的間距；
幾何參數收集器，用於採集雷射的波長、雷射的頻率、雷射的入射角、毛細波激發器的頻率、零級衍射光斑至液面的垂直距離以及雷射入射點至採集器的水平距離；以及
數據處理裝置，用於接收所述採集器和幾何參數收集器採集的數據並計算液體密度。
根據本發明的另一個方面，提供一種檢測液體密度的方法，包括：
s1、液體毛細波激發器在已知密度的液體表面產生毛細波，雷射發生器向該液體發出雷射並產生衍射光斑，採集器沿垂直於液體表面的方向滑動，採集±1級衍射光斑的間距和都卜勒頻率，幾何參數收集器採集雷射的波長、雷射的頻率、雷射的入射角、零級衍射光斑至液面的垂直距離以及雷射入射點至採集器的水平距離；
s2、基於±1級衍射光斑的間距、雷射波長、零級衍射光斑至液面的垂直距離以及雷射入射點至採集器的水平距離，獲得毛細波的角波數；
s3、基於都卜勒頻率、毛細波的角頻率、光速值、雷射的頻率和雷射入射角，獲得毛細波的振幅；
s4、基於毛細波的角頻率、波數、振幅以及該液體的密度，獲得該已知密度的液體的表面波在平衡位置的能量，作為液體表面實際接收的能量；以及
s5、在表面波激發器的頻率、雷射發射器的頻率和雷射入射角保持不變的情況下，將已知密度的液體替換為待測液體，採集器採集待測液體的±1級衍射光斑的間距和都卜勒頻率，基於待測液體的±1級衍射光斑的間距、都卜勒頻率、雷射入射角、零級衍射光斑至液面的垂直距離、雷射入射點至採集器的水平距離、雷射的波長和頻率、光速以及液體表面實際接收的能量，獲得待測液體的密度。
根據本發明的另一個方面，提供一種檢測液體密度的系統在檢測水泡糞溶液密度中的應用。
本申請提出一種結合都卜勒測振法和光柵衍射原理的檢測液體密度的系統、方法及應用，由於採用非接觸式測量方法，從而減少了外界對被測溶液的影響，提高了穩定性，降低了每次測量的人力成本，同時提高了測量效率。
附圖說明
圖1為根據本發明實施例的測量液體密度的系統的結構示意圖；
圖2為根據本發明實施例的測量液體密度的方法的流程圖；
圖3為毛細波雷射衍射的原理圖；
圖4為都卜勒測速法的原理圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。
為了克服現有技術採用的通過接觸法測量液體密度帶來不能實時連續測量以及汙染液體的問題，本發明提供了一種結合都卜勒測振法和光柵衍射原理的非接觸式測量液體密度的系統。
圖1示出了本發明實施例的測量液體密度的系統的結構示意圖，由圖1可知，本系統包括：
雷射發生器1，用於以一定角度向液體表面射出一定波長的雷射；
毛細波激發器2，用於在液體表面產生毛細波；
採集器3，沿垂直於液體表面的方向滑動，所述採集器用於採集都卜勒頻率和當前液體對應的±1級衍射光斑的間距；
幾何參數收集器4，用於採集雷射的波長、雷射的頻率、雷射的入射角、毛細波激發器的頻率、零級衍射光斑至液面的垂直距離以及雷射入射點至採集器的水平距離；以及
數據處理裝置5，用於接收所述採集器和幾何參數收集器採集的數據並計算液體密度。
本系統結合都卜勒測振法和光柵衍射原理檢測液體密度，由於採用非接觸式測量方法，從而減少了外界對被測溶液的影響，提高了穩定性，降低了每次測量的人力成本，同時提高了測量效率。
在一個實施例中，雷射的波長為632納米，毛細波激發器的頻率範圍為100-600hz。
在一個實施例中，所述數據處理裝置包括：
毛細波波數獲取模塊，用於基於±1級衍射光斑的間距、雷射波長、零級衍射光斑至液面的垂直距離以及雷射入射點至光強探頭的水平距離，獲得毛細波的角波數。
在一個實施例中，所述數據處理裝置還包括：
毛細波振幅獲取模塊，用於基於都卜勒頻率、毛細波的角頻率、光速值、雷射的頻率和雷射入射角，獲得毛細波的振幅。
在一個實施例中，所述數據處理裝置還包括：
能量接收量獲取模塊，基於毛細波的角頻率、波數、振幅以及液體的密度，獲得該液體的表面波在平衡位置的能量。
在一個實施例中，所述數據處理裝置還包括：
液體密度獲取模塊，用於基於待測液體的±1級衍射光斑的間距和都卜勒頻率，基於待測液體的±1級衍射光斑的間距、都卜勒頻率、雷射入射角、零級衍射光斑至液面的垂直距離、雷射入射點至採集器的水平距離、雷射的波長和頻率、光速以及液體表面實際接收的能量，獲得待測液體的密度。
在一個實施例中，所述數據處理裝置還包括：
角頻率獲取模塊，用於基於毛細波激發器的頻率，獲得毛細波的角頻率。
圖2示出了本發明實施例的測量液體密度的方法的流程圖，如圖可知，本方法包括：
s1、毛細波激發器在已知密度的液體表面產生毛細波，雷射發射器向該液體發出雷射並產生衍射光斑，記錄雷射入射點與採集器的水平距離和零級衍射光斑到液面的垂直距離，採集器採集±1級衍射光斑的間距和都卜勒頻率；
s2、基於±1級衍射光斑的間距、雷射的波長、零級衍射光斑至液面的垂直距離以及雷射入射點至採集器的水平距離，獲得毛細波的角波數；
s3、基於都卜勒頻率、光速值、雷射的頻率和雷射入射角以及毛細波的角頻率，獲得毛細波的振幅；
s4、基於毛細波的角頻率、波數和振幅以及該液體的密度，獲得該液體的毛細波在平衡位置的能量，作為液體表面實際接收的能量；
s5、在表面波激發器的頻率、雷射發射器的頻率和雷射入射角保持不變的情況下，將已知密度的液體替換為待測液體，採集器採集待測液體的±1級衍射光斑的間距和都卜勒頻率，基於待測液體的±1級衍射光斑的間距、都卜勒頻率、雷射入射角、零級衍射光斑至液面的垂直距離、雷射入射點至採集器的水平距離、雷射的波長和頻率、光速，獲得待測液體的密度。
本領域的技術人員知曉，穩定的液體毛細波可以作為光柵，當雷射打入光柵後則發生衍射現象，擁有能量最大的波段就是零級，順延下來就是一級、二級…直至n級。圖2示出了毛細波反射光柵的示意圖，±q級衍射光斑滿足的條件為：
λ＝[sinθ0-sin(θ0-θq)]＝q*λ；(1)
λ*sinθ1*cosθ0＝λ；(2)
其中，δ為液體毛細波的波長，λ為入射雷射的波長，θ0為雷射入射角。θq為雷射發生色散後±q級衍射光斑的出射角。
圖3示出了毛細波雷射衍射原理圖，圖中l為雷射入射點與採集器的水平距離，h為零級衍射光斑到液面的垂直距離，d為±1級衍射光斑的間距。
由現有技術可知，毛細波的角波數的計算公式為：
其中，k為毛細波的角波數，l為雷射入射點與採集器的水平距離，h為零級衍射光斑到液面的垂直距離，d為±1級衍射光斑的間距。l和h屬於在系統組裝時經測量可確定的，也就是說，不隨液體的改變而改變，因此，本發明中系統一旦完成組裝，就不需要調整雷射發生器和毛細波激發器的位置，提高了檢測的效率。需要說明的是，d的大小會隨液體的改變而改變，因此每次更換待測液體都需要重新檢測d。
在一個實施例中，毛細波的振幅a可以由雷射都卜勒測振法測算。毛細波在一點的振動可視為簡諧振動。簡諧振動的振幅用a表示，該點距平衡位置的距離x0，該點的瞬時速度v0，和毛細波的角頻率ω關係為：
在n個(n≥10)毛細波周期內連續測量該點運動速度v，取v的最大值vmax。由簡諧運動的規律可知，該點過χ0＝0的平衡位置時的運動速度為vmax，因此，毛細波的振幅a與vmax關係為：
由都卜勒測振法可知，都卜勒頻率與物體運動速度關係為：
圖4示出了都卜勒測速法的原理圖，圖中s為雷射光源，o為採集器，δfd為都卜勒頻率，f為雷射的頻率，c為光速，p為移動物體，v為物體的運動速度。
出於更容易理解上的必要，本發明實施例假設θ1＝θ2＝θ0，0表示零級衍射光斑處，因此，公式(6)可以簡化成：
由公式(7)可知，通過採集器採集到該點過χ0＝0的平衡位置時的都卜勒頻率，並結合雷射的頻率、光速以及雷射入射角，就可以獲得vmax。
正如本領域技術人員所知曉的那樣，毛細波的角頻率ω滿足條件：ω＝2*π*f0，其中，f0為毛細波激發器的頻率，因此，通過獲取毛細波激發器的頻率，就可以獲得毛細波的角頻率，進一步地，通過將vmax和ω帶入公式(5)，就可以獲得毛細波的振幅a，其表達式為：
其中，a為毛細波的振幅，δfd為都卜勒頻率，f為雷射的頻率，θ0為雷射入射角，ω為毛細波的角頻率。
正如本領域技術人員所知曉的那樣，液體毛細波在平衡位置的能量的表達式為：
公式(8)中，et2為液體毛細波在平衡位置的能量，ρ為液體密度，a為毛細波的振幅，ω為毛細波的角頻率，k為毛細波的角波數。
在一個實施例中，由於蒸餾水的密度是已知的，通過將蒸餾水作為測試對象，即可獲得毛細波在平衡位置的能量。
根據波的能量傳遞的基本性質可知：
液體表面實際接收到的能量e0和液體毛細波在平衡位置的能量e2是相等的，因此，通過對蒸餾水進行測試得到的蒸餾水毛細波在平衡位置的能量，就相當於獲得了在表面波激發器的頻率、雷射發射器的頻率和雷射入射角保持不變的情況下，任何一種液體表面實際接收到的能量。
進一步地，通過聯立公式(5)和(7)，就可獲得毛細波頻率和都卜勒頻率的關係：
聯立公式(8)、(9)以及(10)，可獲得ρ，d與δfd的關係：
由公式(11)可知，通過測量待測液體的±1級衍射光斑的間距以及都卜勒頻率，再結合上述步驟獲得的e0、雷射入射角、零級衍射光斑至液面的垂直距離、雷射入射點至採集器的水平距離、雷射的波長和頻率以及光速，就可以獲得待測液體的密度。
因為採用非接觸式測量方法，從而減少了外界對被測溶液的影響，提高了穩定性，降低了每次測量的人力成本。同時提高了測量效率，保護了測量人員，滿足了市場的需求，對水泡糞性質的測量帶來了方便，便於對水泡糞容器與豬捨生產進行更加精準的控制，可廣泛應用於各種類型的智能豬舍。
最後，本申請的方法僅為較佳的實施方案，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。