CN103822902A - 以视窗玻璃为传感窗口实时在线测量液体物理参数的装置 - Google Patents

Abstract

一种以视窗玻璃为传感窗口实时在线测量液体物理参数的装置，在内装有液体的容器上设置有视窗玻璃，容器上视窗玻璃***设置暗盒，暗盒内设置安装在支架上的半导体激光器，暗盒的端部设置有通过数据线与计算机相连的CCD摄像头，其特征在于：在视窗玻璃的外表面附设有成像层，半导体激光器的光出射端上设置有与成像层搭接的自聚焦棒式透镜，自聚焦棒式透镜的光轴和CCD摄像头的中心线与视窗玻璃垂直且位于成像层的中心位置。本发明具有结构简单、获得的光学图像边界清晰、对比度高、测量范围广、测量速度快、精度高，对管道内液体无任何影响等优点，可用于透明液体和半透明液体折射率的在线实时测量。

Description

以视窗玻璃为传感窗口实时在线测量液体物理参数的装置

技术领域

本发明属于光学测量设备或装置技术领域，具体涉及到采用激光测量液体折射率的装置。

背景技术

不同液体（溶液）的折射率、浓度、密度、糖度、可溶性固形物、比重等是表征不同液或同一液体不同技术特性的重要物理参数。这些参数的测量在化工、石油、煤炭、制药、生物、食品、饮料、环保、造纸、材料科学以及教育科研等领域具有非常重要的意义。因此上述物理参数精确、快速测量技术的研究，一直是相关领域的热点问题，并且随着各种新技术的出现，其新的测量方法与装置不断涌现。

研究表明，同一种液体的上述参数之间在一定的范围内具有线性关系，并可以相互换算。对于透明或半透明液体，折射率的测量相对于其它物理量的测量更容易实现，在其折射率测定之后，可以通过已有的标准曲线（方程）或标准参数表获得相应的其它参数，因此属于光学测量技术领域的液体折射率的测量，是获得其它相关物理参数的关键和最有效的方法。

实验室中液体折射率大多采用离线测量方法，即将适量的待测液体放置在测量仪器或测量***中的确定位置，使其构成光路的一部分，再根据相关的光学效应进行测量计算。但常用的阿贝折射仪、SPR测量技术和基于物理光学的干涉、衍射法的液体折射率离线测量技术，由于其仪器结构的复杂性和测量数据获得的非实时性，无法满足工业生产过程中相关物理参数实时在线测量的要求。同时在化工、制药、制糖、饮料、气体液化、材料制备等领域的工业生产***中，液体一般都处在封闭***中，并常处于非常温、非常压状态，或者属于有毒有害、易燃易爆液体，或者是贵重易挥发液体，因此采用非接触实时在线检测技术，是实现生产过程中液体物理参数测量与监控的唯一途径。

利用光作用于待测液体时产生的折射和反射现象，实现液体折射率的实时在线测量的非专利技术和专利技术已经很多。发明人所在的课题组发明的专利号为ZL201010118898.4、发明名称为“液体折射率实时检测装置及其在线检测方法”的中国专利，存在如下不足：其一，属探头式测量装置，即只能进行***式测量，显然只适合于敞开式容器内液体物理参数的测量，而在工业生产***中，液体往往是处在非常温、非常压状态下的管道或容器中，因此无法实现真正的非接触测量；其二，采用光纤导光和玻璃毛化面对入射光散射，在光成像层上形成的与液体折射率相关的圆形暗斑边界的对比度和清晰度不高，严重地影响了其测量精度。大量的实验研究发现，主要是由于光纤导光在光成像层中心入射光的强度太小，玻璃毛化面对入射光的散射效果太差，造成圆形暗斑边界的对比度太低；同时入射光点的大小，决定圆形暗斑边界的清晰度，而光纤导光的光强度与其出射光点的大小，存在着难以解决的矛盾。上述问题制约着其测量精度的提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述专利的缺点，提供一种结构简单、成本低、测量精度高的以视窗玻璃为传感窗口实时在线测量液体物理参数的装置。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：它在视窗玻璃的外表面附设有成像层，半导体激光器的光出射端上设置有与成像层搭接的自聚焦棒式透镜，自聚焦棒式透镜的光轴和CCD摄像头的中心线与视窗玻璃垂直且位于成像层的中心位置。

本发明的成像层由附设在视窗玻璃外表面上的白色油漆或白色玻璃油墨透射散射层和透射散射层***相同材料的光散射成像层构成，透射散射层的直径为5～8mm，表面附设有透射散射层的视窗玻璃对绿色激光的透射率40%～50﹪；表面附设有光散射成像层的视窗玻璃对绿色激光的光透射率为60%～70﹪；所述的自聚焦棒式透镜的光出射端与透射散射层的中心搭接。

由于本发明利用工业管道或容器上常用的视窗玻璃的光学特性，以视窗玻璃为测量窗口和传感元件，实现了生产过程中处于流动、封闭、非常压、非常温状态下液体多参数的非接触、无干扰在线实时测量。

由于本发明采用在视窗玻璃的外表面涂覆的白色油漆层或白色玻璃油墨层构成的成像层，半导体激光器出射的激光束透过成像层中央的透射率较小即厚度较大的透射散射层时，受到透射散射层中大量微米级白色色料颗粒的散射作用，使得激光束通过透射散射层后变为高发散度的点光源，辐射状的光线穿过视窗玻璃入射到玻璃与待测液体的界面后，符合全反射条件的光线反射到透射散射层***透射率较高即厚度较小的光散射成像层上，形成以透射散射层上入射光点为圆心，图像边界对比度高的圆形暗斑。透射散射层和光散射成像层构成的成像层，解决了传统的玻璃毛化面用于光的散射度低、成像边界模糊的问题。

本发明采用自聚焦棒式透镜，将半导体激光器出射的激光束会聚在成像层中央的透射散射层的中心点上，由于自聚焦棒式透镜的高效聚光功能，使得入射于透射散射层的中心的光点小、光强大，散射后形成的点光源发散度高，在光散射成像层形成的圆形暗斑边界的清晰度显著提高。

本发明具有结构简单、安装容易、获得的光学图像边界清晰、对比度高、测量范围广、测量速度快、精度高，对管道内液体无任何影响等优点，避免了传统的***探头式测量装置对管道内或容器内液体的影响和使用中的水密封问题，可用于透明液体和半透明液体折射率的在线实时测量，特别适合于工业生产过程中液体多个物理参数的非接触在线实时监测。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是本发明实施例1的成像层1结构示意图。

图3是采用本发明测量蒸馏水折射率的圆形暗斑照片。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本实施例的以视窗玻璃9为传感窗口实时在线测量液体物理参数的装置由成像层1、自聚焦棒式透镜2、暗盒3、支架4、CCD摄像头5、计算机6、半导体激光器7、法兰盘8、视窗玻璃9联接构成。

在内装有液体的容器10上用法兰盘8固定安装有视窗玻璃9，视窗玻璃9为平板状，视窗玻璃9的外表面涂有成像层1,本实施例的成像层1为白色油漆层,采用喷涂的方法将白色油漆喷涂在视窗玻璃9的外表面,成像层1由位于其中心位置的透射散射层1-1和透射散射层1-1***的光散射成像层1-2构成。透射散射层1-1的直径为6mm，表面喷涂透射散射层1-1的视窗玻璃9对绿色激光的透射率40%～50﹪；表面喷涂光散射成像层1-2的视窗玻璃9对绿色激光的光透射率为60%～70﹪。这种结构的成像层1中，透射散射层1-1对通过的激光束产生散射作用。

法兰盘8上用螺纹紧固联接件固定联接有暗盒3，在暗盒3内侧壁上用螺纹紧固联接件固定联接安装有支架4，支架4上用螺纹紧固联接件固定联接安装有半导体激光器7,半导体激光器7用于产生激光，半导体激光器7的出光端联接有自聚焦棒式透镜2，自聚焦棒式透镜2的参数是：波长为400～600nm，直径1.8mm，自聚焦棒式透镜2的光入射端与半导体激光器7的出光端用光学胶粘接，自聚焦棒式透镜2的光出射端与透射散射层1-1的中心位置搭接，自聚焦棒式透镜2的中心线与半导体激光器7的中心线和透射散射层1-1的中心点相重合且垂直于视窗玻璃9。自聚焦棒式透镜2将激光束在透射散射层1-1中心聚集为光强度高、直径小的光入射点，提高了与待测液体折射率相关的圆形暗斑图像边界的清晰度。

由半导体激光器7出射的激光束入射于光透射率较小即厚度较大的透射散射层1-1的中心，通过透射散射层1-1时，受到透射散射层1-1中大量微米级白色色料颗粒的散射作用，通过透射散射层1-1后变为高发散度的点光源，辐射状的光线进入视窗玻璃9并入射到玻璃与待测液体的界面后，符合全反射条件的光线由视窗玻璃9与待测液体的界面反射到透射散射层1-1***的光透射率较大的光散射成像层1-2上，在光散射成像层1-2上形成以透射散射层1-1上激光入射点为圆心、直径大小与容器10内液体折射率相关且图像边界对比度、清晰度高的圆形暗斑。在暗盒3的端部用螺纹紧固联接件固定联接安装有CCD摄像头5，CCD摄像头5的中心线与自聚焦棒式透镜2的光轴相重合。CCD摄像头5的输出端通过数据与计算机6相连，CCD摄像头5将接收到的图像转换成电信号并专程数字型号通过数据线输出到计算机6，计算机6按照事先设定的程序对输入的信号进行数据处理，计算出被测液体的折射率，显示出计算结果以及圆形暗斑的图像。再根据需要，依据已有的不同液体的折射率与浓度、密度等参数的关系曲线或换算表，计算出液体的其它物理参数。

采用本发明测量容器10内蒸馏水折射率的方法如下：

在外径90cm装有蒸馏水的容器10上安装石英视窗玻璃9，石英视窗玻璃9的参数为：直径为80mm、厚度h为5mm、对绿色激光（532nm）的折射率n为1.46007；测试中蒸馏水的温度为25℃。

根据光散射成像层1-2上形成的以透射散射层1-1上激光入射点为圆心的圆形暗斑的半径r与容器10中液体的折射率的关系式：

$n_x=\frac{\mathrm{rn}}{\sqrt{r^2+{4h}^2}}---\left(1\right)$

CCD摄像头5将接收到的圆形暗斑半径长度信号转换成数字信号通过数据线传输到计算机6，计算机6根据（1）式按照事先设定的程序进行数据处理，计算出被测蒸馏水的折射率为1.33251。

实施例2

本实施例中，在视窗玻璃9的外表面涂有成像层1,成像层1为白色油漆层,采用喷涂的方法将白色油漆喷涂在视窗玻璃9的外表面,成像层1由位于其中心位置的透射散射层1-1和透射散射层1-1***的光散射成像层1-2构成。透射散射层1-1的直径为5mm，表面喷涂透射散射层1-1的视窗玻璃9对绿色激光的透射率40%～50﹪；表面喷涂光散射成像层1-2的视窗玻璃9对绿色激光的光透射率为60%～70﹪。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例3

本实施例中，在视窗玻璃9的外表面涂有成像层1,成像层1为白色油漆层,采用喷涂的方法将白色油漆喷涂在视窗玻璃9的外表面,成像层1由位于其中心位置的透射散射层1-1和透射散射层1-1***的光散射成像层1-2构成。透射散射层1-1的直径为8mm，表面喷涂透射散射层1-1的视窗玻璃9对绿色激光的透射率40%～50﹪；表面喷涂光散射成像层1-2的视窗玻璃9对绿色激光的光透射率为60%～70﹪。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例4

在以上的实施例1～3中，在视窗玻璃9的外表面涂有成像层1,成像层1为白色玻璃油墨层,采用丝印的方法将白色玻璃油墨丝印在视窗玻璃9的外表面,成像层1由位于其中心位置的透射散射层1-1和透射散射层1-1***的光散射成像层1-2构成。透射散射层1-1的直径为与相应的实施例相同，表面丝印透射散射层1-1的视窗玻璃9对绿色激光的透射率40%～50﹪；表面丝印光散射成像层1-2的视窗玻璃9对绿色激光的光透射率为60%～70﹪。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

Claims (2)

1.一种以视窗玻璃（9）为传感窗口实时在线测量液体物理参数的装置，在内装有液体的容器(10）上设置有视窗玻璃（9），容器（10）上视窗玻璃（9）***设置暗盒（3），暗盒（3）内设置安装在支架（4）上的半导体激光器（7），暗盒（3）的端部设置有通过数据线与计算机（6）相连的CCD摄像头（5），其特征在于：在视窗玻璃（9）的外表面附设有成像层（1），半导体激光器（7）的光出射端上设置有与成像层（1）搭接的自聚焦棒式透镜（2），自聚焦棒式透镜（2）的光轴和CCD摄像头（5）的中心线与视窗玻璃（9）垂直且位于成像层（1）的中心位置。

2.根据权利要求1所述的以视窗玻璃（9）为传感窗口实时在线测量液体物理参数的装置，其特征在于：所述的成像层（1）由附设在视窗玻璃（9）外表面上的白色油漆或白色玻璃油墨透射散射层（1-1）和透射散射层（1-1）***相同材料的光散射成像层（1-2）构成，透射散射层（1-1）的直径为5～8mm，表面附设有透射散射层（1-1）的视窗玻璃（9）对绿色激光的透射率40%～50﹪；表面附设有光散射成像层（1-2）的视窗玻璃（9）对绿色激光的光透射率为60%～70﹪；所述的自聚焦棒式透镜（2）的光出射端与透射散射层（1-1）的中心搭接。

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