CN107063923B - 一种检测液体密度的***、方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种检测液体密度的***、方法及应用，***包括激光发生器，用于以一定角度向液体表面射出一定波长的激光；毛细波激发器，用于在液体表面产生毛细波；采集器，用于采集多普勒频率和当前液体对应的±1级衍射光斑的间距；几何参数收集器，用于采集激光的波长、激光的频率、激光的入射角、毛细波激发器的频率、零级衍射光斑至液面的垂直距离以及激光入射点至采集器的水平距离；以及数据处理装置，用于接收所述采集器和几何参数收集器采集的数据并计算液体密度。本发明基于多普勒测原理和光栅衍射原理，实现了非接触检测液体密度的效果，实现方便快捷的实时检测，作业效率高，提升检测效率，并具有持续检测能力。
Description
技术领域
本发明涉及液体密度测量技术，更具体地，涉及一种检测液体密度的***、方法及应用。
背景技术
液体表面波能反映出液体的性质，如表面张力系数，粘滞系数等，在结合其他参数的基础上，可以间接测量出溶液密度，其中测液体表面张力的方法很多，大都属于接触法或静态法，如常用的有拉脱法、滴定法、毛细管法、最大气泡压力法等，这些方法的缺点是不能实时连续测量，且会污染液体。
水泡粪工艺用于定时清除畜舍内的粪便和尿液，减少粪污清理过程中的劳动力投入，减少冲洗用水，提高养殖场自动化管理水平。粪便溶液的密度是溶液处理的一项重要指标，在整个粪便溶液处理过程中，需要定期获取粪便溶液的密度，以便指导定期清理粪便溶液。目前对***物溶液的检测需要直接接触上述溶液，获取样本，然后带回实验室对样本进行各项属性检测，不仅费时费力，还存在安全性问题。水泡粪工艺中狭小的地漏缝隙，也增加了样本提取的困难；在新型智能猪舍中，检验员入场前还需要做消毒灭菌，必须穿着防护服进入猪舍，变向增加了检测过程复杂度；水泡粪工艺会造成一定的氨气污染，对传统的直接接触式采集检测方法造成了很大困难，对采集人员心里素质、安全防护以及采集设备也提出了较高要求。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种检测液体密度的方法、***及应用。
根据本发明的一个方面，提供一种非接触式检测液体密度的***，包括：
激光发生器，用于以一定角度向液体表面射出一定波长的激光；
毛细波激发器，用于在液体表面产生毛细波；
采集器，沿垂直于液体表面的方向滑动，所述采集器用于采集多普勒频率和当前液体对应的±1级衍射光斑的间距；
几何参数收集器，用于采集激光的波长、激光的频率、激光的入射角、毛细波激发器的频率、零级衍射光斑至液面的垂直距离以及激光入射点至采集器的水平距离；以及
数据处理装置，用于接收所述采集器和几何参数收集器采集的数据并计算液体密度。
根据本发明的另一个方面，提供一种检测液体密度的方法，包括：
S1、液体毛细波激发器在已知密度的液体表面产生毛细波，激光发生器向该液体发出激光并产生衍射光斑，采集器沿垂直于液体表面的方向滑动，采集±1级衍射光斑的间距和多普勒频率，几何参数收集器采集激光的波长、激光的频率、激光的入射角、零级衍射光斑至液面的垂直距离以及激光入射点至采集器的水平距离；
S2、基于±1级衍射光斑的间距、激光波长、零级衍射光斑至液面的垂直距离以及激光入射点至采集器的水平距离，获得毛细波的角波数；
S3、基于多普勒频率、毛细波的角频率、光速值、激光的频率和激光入射角，获得毛细波的振幅；
S4、基于毛细波的角频率、波数、振幅以及该液体的密度，获得该已知密度的液体的表面波在平衡位置的能量，作为液体表面实际接收的能量；以及
S5、在表面波激发器的频率、激光发射器的频率和激光入射角保持不变的情况下，将已知密度的液体替换为待测液体，采集器采集待测液体的±1级衍射光斑的间距和多普勒频率，基于待测液体的±1级衍射光斑的间距、多普勒频率、激光入射角、零级衍射光斑至液面的垂直距离、激光入射点至采集器的水平距离、激光的波长和频率、光速以及液体表面实际接收的能量，获得待测液体的密度。
根据本发明的另一个方面，提供一种检测液体密度的***在检测水泡粪溶液密度中的应用。
本申请提出一种结合多普勒测振法和光栅衍射原理的检测液体密度的***、方法及应用，由于采用非接触式测量方法，从而减少了外界对被测溶液的影响，提高了稳定性，降低了每次测量的人力成本，同时提高了测量效率。
附图说明
图1为根据本发明实施例的测量液体密度的***的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的测量液体密度的方法的流程图；
图3为毛细波激光衍射的原理图；
图4为多普勒测速法的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
为了克服现有技术采用的通过接触法测量液体密度带来不能实时连续测量以及污染液体的问题，本发明提供了一种结合多普勒测振法和光栅衍射原理的非接触式测量液体密度的***。
图1示出了本发明实施例的测量液体密度的***的结构示意图，由图1可知，本***包括：
激光发生器1，用于以一定角度向液体表面射出一定波长的激光；
毛细波激发器2，用于在液体表面产生毛细波；
采集器3，沿垂直于液体表面的方向滑动，所述采集器用于采集多普勒频率和当前液体对应的±1级衍射光斑的间距；
几何参数收集器4，用于采集激光的波长、激光的频率、激光的入射角、毛细波激发器的频率、零级衍射光斑至液面的垂直距离以及激光入射点至采集器的水平距离；以及
数据处理装置5，用于接收所述采集器和几何参数收集器采集的数据并计算液体密度。
本***结合多普勒测振法和光栅衍射原理检测液体密度，由于采用非接触式测量方法，从而减少了外界对被测溶液的影响，提高了稳定性，降低了每次测量的人力成本，同时提高了测量效率。
在一个实施例中，激光的波长为632纳米，毛细波激发器的频率范围为100-600Hz。
在一个实施例中，所述数据处理装置包括：
毛细波波数获取模块，用于基于±1级衍射光斑的间距、激光波长、零级衍射光斑至液面的垂直距离以及激光入射点至光强探头的水平距离，获得毛细波的角波数。
在一个实施例中，所述数据处理装置还包括：
毛细波振幅获取模块，用于基于多普勒频率、毛细波的角频率、光速值、激光的频率和激光入射角，获得毛细波的振幅。
在一个实施例中，所述数据处理装置还包括：
能量接收量获取模块，基于毛细波的角频率、波数、振幅以及液体的密度，获得该液体的表面波在平衡位置的能量。
在一个实施例中，所述数据处理装置还包括：
液体密度获取模块，用于基于待测液体的±1级衍射光斑的间距和多普勒频率，基于待测液体的±1级衍射光斑的间距、多普勒频率、激光入射角、零级衍射光斑至液面的垂直距离、激光入射点至采集器的水平距离、激光的波长和频率、光速以及液体表面实际接收的能量，获得待测液体的密度。
在一个实施例中，所述数据处理装置还包括：
角频率获取模块，用于基于毛细波激发器的频率，获得毛细波的角频率。
图2示出了本发明实施例的测量液体密度的方法的流程图，如图可知，本方法包括：
S1、毛细波激发器在已知密度的液体表面产生毛细波，激光发射器向该液体发出激光并产生衍射光斑，记录激光入射点与采集器的水平距离和零级衍射光斑到液面的垂直距离，采集器采集±1级衍射光斑的间距和多普勒频率；
S2、基于±1级衍射光斑的间距、激光的波长、零级衍射光斑至液面的垂直距离以及激光入射点至采集器的水平距离，获得毛细波的角波数；
S3、基于多普勒频率、光速值、激光的频率和激光入射角以及毛细波的角频率，获得毛细波的振幅；
S4、基于毛细波的角频率、波数和振幅以及该液体的密度，获得该液体的毛细波在平衡位置的能量，作为液体表面实际接收的能量；
S5、在表面波激发器的频率、激光发射器的频率和激光入射角保持不变的情况下，将已知密度的液体替换为待测液体，采集器采集待测液体的±1级衍射光斑的间距和多普勒频率，基于待测液体的±1级衍射光斑的间距、多普勒频率、激光入射角、零级衍射光斑至液面的垂直距离、激光入射点至采集器的水平距离、激光的波长和频率、光速，获得待测液体的密度。
本领域的技术人员知晓，稳定的液体毛细波可以作为光栅，当激光打入光栅后则发生衍射现象，拥有能量最大的波段就是零级，顺延下来就是一级、二级…直至n级。图2示出了毛细波反射光栅的示意图，±q级衍射光斑满足的条件为：
Λ＝[sinθ0-sin(θ0-θq)]＝q*λ； (1)
Λ*sinθ1*cosθ0＝λ； (2)
其中，Δ为液体毛细波的波长，λ为入射激光的波长，θ0为激光入射角。θq为激光发生色散后±q级衍射光斑的出射角。
图3示出了毛细波激光衍射原理图，图中l为激光入射点与采集器的水平距离，h为零级衍射光斑到液面的垂直距离，d为±1级衍射光斑的间距。
由现有技术可知，毛细波的角波数的计算公式为：
其中，k为毛细波的角波数，l为激光入射点与采集器的水平距离，h为零级衍射光斑到液面的垂直距离，d为±1级衍射光斑的间距。l和h属于在***组装时经测量可确定的，也就是说，不随液体的改变而改变，因此，本发明中***一旦完成组装，就不需要调整激光发生器和毛细波激发器的位置，提高了检测的效率。需要说明的是，d的大小会随液体的改变而改变，因此每次更换待测液体都需要重新检测d。
在一个实施例中，毛细波的振幅A可以由激光多普勒测振法测算。毛细波在一点的振动可视为简谐振动。简谐振动的振幅用A表示，该点距平衡位置的距离x0，该点的瞬时速度v0，和毛细波的角频率ω关系为：
在n个(n≥10)毛细波周期内连续测量该点运动速度V，取V的最大值Vmax。由简谐运动的规律可知，该点过χ0＝0的平衡位置时的运动速度为Vmax，因此，毛细波的振幅A与Vmax关系为：
由多普勒测振法可知，多普勒频率与物体运动速度关系为：
图4示出了多普勒测速法的原理图，图中S为激光光源，O为采集器，ΔfD为多普勒频率，f为激光的频率，c为光速，P为移动物体，V为物体的运动速度。
出于更容易理解上的必要，本发明实施例假设θ1＝θ2＝θ0，0表示零级衍射光斑处，因此，公式(6)可以简化成：
由公式(7)可知，通过采集器采集到该点过χ0＝0的平衡位置时的多普勒频率，并结合激光的频率、光速以及激光入射角，就可以获得Vmax。
正如本领域技术人员所知晓的那样，毛细波的角频率ω满足条件：ω＝2*π*f0，其中，f0为毛细波激发器的频率，因此，通过获取毛细波激发器的频率，就可以获得毛细波的角频率，进一步地，通过将Vmax和ω带入公式(5)，就可以获得毛细波的振幅A，其表达式为：
其中，A为毛细波的振幅，ΔfD为多普勒频率，f为激光的频率，θ0为激光入射角，ω为毛细波的角频率。
正如本领域技术人员所知晓的那样，液体毛细波在平衡位置的能量的表达式为：
公式(8)中，Et2为液体毛细波在平衡位置的能量，ρ为液体密度，A为毛细波的振幅，ω为毛细波的角频率，k为毛细波的角波数。
在一个实施例中，由于蒸馏水的密度是已知的，通过将蒸馏水作为测试对象，即可获得毛细波在平衡位置的能量。
根据波的能量传递的基本性质可知：
液体表面实际接收到的能量E0和液体毛细波在平衡位置的能量E2是相等的，因此，通过对蒸馏水进行测试得到的蒸馏水毛细波在平衡位置的能量，就相当于获得了在表面波激发器的频率、激光发射器的频率和激光入射角保持不变的情况下，任何一种液体表面实际接收到的能量。
进一步地，通过联立公式(5)和(7)，就可获得毛细波频率和多普勒频率的关系：
联立公式(8)、(9)以及(10)，可获得ρ，d与ΔfD的关系：
由公式(11)可知，通过测量待测液体的±1级衍射光斑的间距以及多普勒频率，再结合上述步骤获得的E0、激光入射角、零级衍射光斑至液面的垂直距离、激光入射点至采集器的水平距离、激光的波长和频率以及光速，就可以获得待测液体的密度。
因为采用非接触式测量方法，从而减少了外界对被测溶液的影响，提高了稳定性，降低了每次测量的人力成本。同时提高了测量效率，保护了测量人员，满足了市场的需求，对水泡粪性质的测量带来了方便，便于对水泡粪容器与猪舍生产进行更加精准的控制，可广泛应用于各种类型的智能猪舍。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种检测液体密度的***，其特征在于，包括：
激光发生器，用于以一定角度向液体表面射出一定波长的激光；
毛细波激发器，用于在液体表面产生毛细波；
采集器，沿垂直于液体表面的方向滑动，所述采集器用于采集多普勒频率和当前液体对应的±1级衍射光斑的间距；
几何参数收集器，用于采集激光的波长、激光的频率、激光的入射角、毛细波激发器的频率、零级衍射光斑至液面的垂直距离以及激光入射点至采集器的水平距离；以及
数据处理装置，用于接收所述采集器和几何参数收集器采集的数据并计算液体密度。
2.如权利要求1所述的检测液体密度的***，其特征在于，所述数据处理装置包括：
毛细波波数获取模块，用于基于±1级衍射光斑的间距、激光波长、零级衍射光斑至液面的垂直距离以及激光入射点至采集器的水平距离，获得毛细波的角波数。
3.如权利要求2所述的检测液体密度的***，其特征在于，所述数据处理装置还包括：
毛细波振幅获取模块，用于基于多普勒频率、毛细波的角频率、光速值、激光的频率和激光入射角，获得毛细波的振幅。
4.如权利要求3所述的检测液体密度的***，其特征在于，所述数据处理装置还包括：
能量接收量获取模块，基于毛细波的角频率、波数、振幅以及液体的密度，获得该液体的表面波在平衡位置的能量。
5.如权利要求4所述的检测液体密度的***，其特征在于，所述数据处理装置还包括：
液体密度获取模块，用于基于待测液体的±1级衍射光斑的间距和多普勒频率，基于待测液体的±1级衍射光斑的间距、多普勒频率、激光入射角、零级衍射光斑至液面的垂直距离、激光入射点至采集器的水平距离、激光的波长、激光的频率、光速以及液体表面实际接收的能量，获得待测液体的密度。
6.如权利要求3所述的检测液体密度的***，其特征在于，所述数据处理装置还包括：
角频率获取模块，用于基于毛细波激发器的频率，获得毛细波的角频率。
7.一种基于权利要求1-6任意一项检测液体密度的***的检测液体密度的方法，其特征在于，包括：
S1、液体毛细波激发器在已知密度的液体表面产生毛细波，激光发生器向该液体发出激光并产生衍射光斑，采集器沿垂直于液体表面的方向滑动，采集±1级衍射光斑的间距和多普勒频率，几何参数收集器采集激光的波长、激光的频率、激光的入射角、零级衍射光斑至液面的垂直距离以及激光入射点至采集器的水平距离；
S2、基于±1级衍射光斑的间距、激光波长、零级衍射光斑至液面的垂直距离以及激光入射点至采集器的水平距离，获得毛细波的角波数；
S3、基于多普勒频率、毛细波的角频率、光速值、激光的频率和激光入射角，获得毛细波的振幅；
S4、基于毛细波的角频率、波数、振幅以及该液体的密度，获得该已知密度的液体的表面波在平衡位置的能量，作为液体表面实际接收的能量；以及
S5、在表面波激发器的频率、激光发射器的频率和激光入射角保持不变的情况下，将已知密度的液体替换为待测液体，采集器采集待测液体的±1级衍射光斑的间距和多普勒频率，基于待测液体的±1级衍射光斑的间距、多普勒频率、激光入射角、零级衍射光斑至液面的垂直距离、激光入射点至采集器的水平距离、激光的波长和频率、光速以及液体表面实际接收的能量，获得待测液体的密度。
8.如权利要求7所述的检测液体密度的***的检测液体密度的方法，其特征在于，所述步骤S3中计算毛细波的振幅的表达式为：
其中，A为毛细波的振幅，ΔfD为多普勒频率，f为激光的频率，θ0为激光入射角，ω为毛细波的角频率。
9.如权利要求7所述的检测液体密度的***的检测液体密度的方法，其特征在于，所述步骤S5中计算所述待测液体的密度的表达式为：
其中，d为待测液体的±1级衍射光斑的间距、ΔfD为多普勒频率、θ0为激光入射角、h为零级衍射光斑至液面的垂直距离、l为激光入射点至采集器的水平距离、λ为激光的波长，f为激光的频率、c为光速，E0为液体表面实际接收的能量，ρ为待测液体的密度。
10.一种根据权利要求1-6任意一项所述的检测液体密度的***在检测水泡粪溶液密度中的应用。
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