CN110031429A - 一种pH测试仪和测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种pH测试仪和测试方法，所述pH测试仪包括测试棒、测试池以及测试基底，其中所述测试棒包括光源、单模光纤、感光单元、处理器和显示屏；所述测试池用于容纳向列型液晶和待测pH溶液的混合液；所述测试基底包括基底、形成在所述基底上的具有沟槽方向的金薄膜和固定在所述金薄膜上的诱导分子，用于诱导所述向列型液晶分子定向排列；其中将所述单模光纤在测试时被配置为伸入测试池的混合液中，所述光源出射的光在所述单模光纤中传播，经感光单元将单模光纤出射的光转换为电信号，经处理器处理获得待测pH溶液的pH值，并显示在显示屏上。本发明提供的实施例灵敏度高、不易受干扰、体积小且制作简单。

Description

一种pH测试仪和测试方法

技术领域

本发明涉及pH测试技术领域，特别是涉及一种pH测试仪和测试方法。

背景技术

传统的pH测试主要使用玻璃电极式pH传感器和光学式pH传感器进行测量。玻璃电极式pH传感器采用测量待测pH溶液与参比电极的电位差来测量pH值，这种传感器存在阻抗高、体积大、不适用于高酸高碱场合测量的缺点；光学式pH传感器则是利用pH敏感染料如酚红、甲基橙等与待测物质反应，随后根据其对不同波长光的反射或出射效率不同而分析得到其pH值，这种传感器易受环境光干扰，精度不高；现有技术中还提出一种化学修饰pH传感器，这种传感器在光纤纤芯上镀有敏感化学薄膜感受待测物质pH值，依据不同pH值下敏感薄膜的光折射率不同，利用倏逝效应，分析出射光的相位漂移可以得到pH值。这种传感器精度高，但是制作难度大，且一些高酸碱场合缺乏合适的敏感膜。

发明内容

为了解决上述问题至少之一，本发明第一方面提供一种pH测试仪，包括测试棒、测试池以及测试基底，其中

所述测试棒包括光源、单模光纤、感光单元、处理器和显示屏；

所述测试池用于容纳向列型液晶和待测pH溶液的混合液；

所述测试基底包括基底、形成在所述基底上的具有沟槽方向的金薄膜和固定在所述金薄膜上的诱导分子，用于诱导所述向列型液晶分子定向排列；

其中

所述测试基底在测试时密封设置在所述测试池中与所述混合液接触；

所述单模光纤在测试时被配置为伸入所述混合液中，所述光源出射的光在所述单模光纤中传播；

所述感光单元用于将所述单模光纤出射的光转换为电信号；

所述处理器用于根据所述电信号获得所述待测pH溶液的pH值；

所述显示屏用于显示所述pH值。

进一步的，所述测试池包括

具有第一开口的盖板，所述单模光纤从所述第一开口伸入所述混合液中；

用于容纳向列型液晶和待测pH溶液的混合液的容纳部；以及

与所述容纳部可拆卸连接的底座，所述测试基底在测试时被密封设置在所述底座上与所述混合液接触。

进一步的，所述测试棒还包括第二开口的外壳，其中所述光源、感光单元、处理器设置在所述外壳中，所述显示屏设置于所述外壳上；

所述单模光纤的一端包括纤芯和包覆纤芯的包层，另一端具有裸露的纤芯，其中所述一端通过所述第二开口伸入所述外壳中，通过所述包层与所述外壳固定连接，所述另一端的裸露的纤芯伸入所述混合液中，其中所述另一端的端部具有光反射部；

所述pH测试仪还包括环形器，所述环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，其中

所述第一端口将所述光源出射的光传递到所述第二端口；

所述第二端口将所述光以全反射角度导入所述单模光纤，并接收被所述光反射部反射的反射光，经所述第三端口引导至所述感光单元；

或者

所述测试棒还包括第二开口的外壳，其中所述光源、感光单元、处理器设置在所述外壳中，所述显示屏设置于所述外壳上；

所述单模光纤包括光入射端部、光出射端部和至少一个弯折部，其中所述光入射端部和光出射端部通过所述第二开口伸入所述外壳中并与所述外壳固定连接，所述弯折部伸入所述混合液中。

进一步的，所述外壳上设置：

电源开关键，用于为测试仪加电；

测量键，用于启动测量；

数据切换键，用于切换所述测试仪显示的数据。

进一步的，所述测试棒还包括液晶提纯器、液晶储存盒、单向定量液压泵、第一单向阀、第二单向阀、第一管道和第二管道，其中

液晶存储盒中存储有所述向列型液晶，用于在测试时通过所述第一管道向所述测试池提供所述向列型液晶；

所述第一单向阀用于控制所述向列型液晶单向通过所述第一管道；

所述单向定量液压泵用于在测试结束时通过第二管道从所述测试池中抽取所述向列型液晶至所述液晶提纯器，并将提纯过的向列型液晶定量输送至所述液晶存储盒中；

所述第二单向阀用于控制所述向列型液晶单向通过所述第二管道。

进一步的，所述测试池包括

具有第一开口、第一通孔和第二通孔的盖板，其中所述单模光纤从所述第一开口伸入所述混合液中，所述第一管道通过所述第一通孔伸入所述测试池中，所述第二管道通过所述第二通孔伸入所述测试池中至所述测试池底部；

用于容纳向列型液晶和待测pH溶液的混合液的容纳部，其中容纳部的侧壁上具有入液口，所述入液口包封有聚酯薄膜；以及

与所述容纳部可拆卸连接的底座，所述测试基底在测试时被密封设置在所述底座上与所述混合液接触。

进一步的，所述测试棒还包括第二开口、第三通孔和第四通孔的外壳，其中所述光源、感光单元、处理器、液晶提纯器、液晶储存盒、单向定量液压泵设置在所述外壳中，所述显示屏设置于所述外壳上；

所述单模光纤的一端包括纤芯和包覆纤芯的包层，另一端具有裸露的纤芯，其中所述一端通过所述第二开口伸入所述外壳中，通过所述包层与所述外壳固定连接，所述另一端的裸露的纤芯伸入所述混合液中，其中所述另一端的端部具有光反射部；

所述第一管道和第二管道分别通过第三通孔和第四通孔伸出所述外壳；

所述pH测试仪还包括环形器，所述环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，其中

所述第一端口将所述光源出射的光传递到所述第二端口；

所述第二端口将所述光以全反射角度导入所述单模光纤，并接收被所述光反射部反射的反射光，经所述第三端口引导至所述感光单元；

或者

所述测试棒还包括第二开口、第三通孔和第四通孔的外壳，其中所述光源、感光单元、处理器、液晶提纯器、液晶储存盒、单向定量液压泵设置在所述外壳中，所述显示屏设置于所述外壳上；

所述单模光纤包括光入射端部、光出射端部和至少一个弯折部，其中所述光入射端部和光出射端部通过所述第二开口伸入所述外壳中并与所述外壳固定连接，所述弯折部伸入所述混合液中；

所述第一管道和第二管道分别通过第三通孔和第四通孔伸出所述外壳。

进一步的，所述外壳上设置：

电源开关键，用于为测试仪加电；

测量键，用于启动测量；

数据切换键，用于切换所述测试仪显示的数据；

液晶注入键，用于使能所述液晶存储盒向所述测试池提供所述向列型液晶；

液晶抽取键，用于启动所述单向定量液压泵。

进一步的，所述诱导分子为16-疏基十六烷基酸，包括-COOH基团和-SH基团。

本发明第二方面提供一种利用第一方面所述的pH测试仪的测试方法，包括：

将所述测试基底密封设置在所述测试池中；

向所述测试池按照预定量注入向列型液晶分子和待测pH溶液以形成所述混合液，其中所述向列型液晶分子经所述金薄膜和诱导分子形成定向排列；

将测试棒的单模光纤伸入所述混合液；

待显示器上显示的数值稳定后获取pH值。

进一步的，所述测试棒还包括液晶提纯器、液晶储存盒、单向定量液压泵、第一单向阀、第二单向阀、第一管道和第二管道，其中

液晶存储盒中存储有所述向列型液晶，用于在测试时通过所述第一管道向所述测试池提供所述向列型液晶；

所述第一单向阀用于控制所述向列型液晶单向通过所述第一管道；

所述单向定量液压泵用于在测试结束时通过第二管道从所述测试池中抽取所述向列型液晶至所述液晶提纯器，并将提纯过的向列型液晶定量输送至所述液晶存储盒中；

所述第二单向阀用于控制所述向列型液晶单向通过所述第二管道，

所述向所述测试池按照预定量注入向列型液晶分子包括：所述液晶存储盒通过所述第一管道向所述测试池提供所述向列型液晶；

在获取pH值之后，所述测试方法还包括：

通过所述第二管道从所述测试池中抽取所述混合液至所述液晶提纯器，并将提纯过的向列型液晶输送至所述液晶存储盒中。

本发明的有益效果如下：

本发明针对目前现有的问题，制定一种pH测试仪和测试方法，通过单模光纤与向列型液晶接触，利用向列型液晶受测试基底的诱导力作用和光的倏逝效应，感测待测pH溶液的pH值。根据混合了向列型液晶和待测pH溶液的混合液导致的向列型液晶的折射率变化，调制所述单模光纤射出的出射光的光谱，通过感光元件接收光信号，经处理器进行信号处理后在显示屏上实时显示所述待测pH溶液的pH值，从而弥补了现有技术中的问题，并且具有灵敏度高、不易受干扰、体积小且制作简单等特点。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明的一个实施例所述pH测试仪的结构示意图；

图2示出本发明的一个实施例所述诱导分子的结构式；

图3示出本发明的一个实施例所述经诱导分子处理后的测试基底的示意图；

图4示出本发明的一个实施例所述单模光纤在向列型液晶中的倏逝波的示意图；

图5示出本发明的另一个实施例所述单模光纤的示意图；

图6示出本发明的另一个实施例所述pH测试仪的结构示意图；

图7示出本发明的一个实施例所述测试方法的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

液晶是一种具有方向有序的流体，既有液体的流动性，又有晶体的双折射性等各向异性。根据其形态与排列方式，液晶可分为近晶型、胆甾型、向列型，其中，近晶型液晶分子呈棒状或条状，其排列及运动受约束较大，对外界条件不灵敏；胆甾型液晶则有着独有的螺旋状结构，具有旋光性、选择性光散射和圆偏振光二色性等光学性质；而向列型液晶分子呈长棒状，其分子轴向有序，对外界条件敏感，若采用一定手段(电、磁、烷基化合物等)使其按一定方向排列，则可以制成显示或传感器件。

由于向列型液晶分子的折射率由其分子的排列方向决定，因而发明人提出，利用向列型液晶分子作为pH的敏感介质，当混合有向列型液晶分子和待测pH溶液的混合液的pH值改变导致向列型液晶分子位向变化，则改变了向列型液晶分子的折射率，继而能够通过单模光纤感受该折射率的变化，从而能够获得待测pH溶液的pH值。

如图1所示，本发明的一个实施例提供了一种pH测试仪，包括测试棒10、测试池20以及测试基底，其中所述测试棒10包括光源11、单模光纤12、感光单元13、处理器14和显示屏15；所述测试池20用于容纳向列型液晶21和待测pH溶液25的混合液；所述测试基底包括基底22、形成在所述基底上的具有沟槽方向的金薄膜(图中未视出)和固定在所述金薄膜上的诱导分子24，用于诱导所述向列型液晶分子定向排列；其中所述测试基底在测试时密封设置在所述测试池20中与所述混合液接触；所述单模光纤12在测试时被配置为伸入所述混合液中，所述光源11出射的光在所述单模光纤12中传播；所述感光单元13用于将所述单模光纤12出射的光转换为电信号；所述处理器14用于根据所述电信号获得所述待测pH溶液的pH值；所述显示屏15用于显示所述pH值。

在一个可选的实施例中，所述测试池20包括具有第一开口23的盖板27，所述单模光纤12从所述第一开口23伸入所述混合液中；用于容纳向列型液晶21和待测pH溶液25的混合液的容纳部26；以及与所述容纳部26可拆卸连接的底座29，所述测试基底22在测试时被密封设置在所述底座29上与所述混合液接触。所述盖板27与容纳部26通过UV胶28连接，所述底座29与容纳部26使用螺纹连接，且容纳部26与底座29间采用O型密封圈291进行密封。在本实施例中，所述容纳部26、盖板27和底座29三者的材料为不与向列型液晶分子反应的玻璃，可以相同、也可以不同，例如为美国康宁公司生产的Gorilla Glass(大猩猩玻璃)，该玻璃为环保型铝硅钢化玻璃。

在一个具体的示例中，如图1所示，按照以下步骤测试待测pH溶液的pH值：

首先，在测试池20中设置底座29，在所述底座29上设置测试基底，所述测试基底包括基底22、形成在所述基底22上的具有沟槽方向的金薄膜(图中未视出)和固定在所述金薄膜上的诱导分子24。

所述基底22为二氧化硅，在所述二氧化硅上喷涂一层具有一定沟槽方向的金薄膜，所述金薄膜上固定有诱导分子24。所述具有一定沟槽方向的金薄膜对向列型液晶分子具有锚泊力作用。如图2所示，所述诱导分子为16-疏基十六烷基酸，所述16-疏基十六烷基酸为硅烷化试剂组装膜，能够诱导液晶分子有序排列，尤其是当试剂中碳原子数目大于12时可诱导液晶分子垂直排列。所述16-疏基十六烷基酸包括-COOH基团和-SH基团，其中所述-COOH是弱酸性基团，能够随着混合液的pH值、离子浓度改变，该基团将发生电离，因此可以将该基团作为测试pH值的指示剂；16-巯基十六烷基酸的长链结构和-COOH基团能够使向列型液晶分子垂直排列。所述-SH基团用于将16-疏基十六烷基酸固定在所述基底22上，如图3所示为经16-疏基十六烷基酸处理的基底，所述向列型液晶分子受到16-巯基十六烷基酸的长链结构和-COOH基团的诱导垂直排列，在本实施例中，所述向列型液晶分子为5CB液晶分子。

其次，通过第一开口23分别向所述测试池按照预定量注入向列型液晶21和待测pH溶液25并形成混合液，所述向列型液晶21经所述金薄膜和诱导分子形成定向排列。

向测试池20注入预定量的向列型液晶21，在基底22的金薄膜的锚泊力和诱导分子24的诱导力的共同作用下，所述向列型液晶21的排列位向表现为如图1所述的y轴与水平x轴呈一定角度排列，且所述向列型液晶21距离所述基底22越远所受锚泊力和诱导力越小，所述角度越趋向水平。然后注入待测pH溶液25，将向列型液晶21和所述待测pH溶液25混合形成混合液。由于16-巯基十六烷基酸的-COOH基团是弱酸基团，随着混合了待测pH溶液的混合液的pH值改变将发生电离，依据pH值不同则电离程度也不同，导致部分16-巯基十六烷基酸分子对向列型液晶分子失去诱导作用，此时向列型液晶受金薄膜锚泊力和相对更小的16-巯基十六烷基酸分子诱导力作用，位向将发生变化。由于向列型液晶的折射率与其液晶分子的分子排列形式相关，因而随着混合液的pH值的变化，向列型液晶的折射率将发生相应变化。

考虑到待测pH溶液本身离子运动也会导致的倏逝波变化，在一个可选的实施例中，所述向列型液晶分子和所述待测pH溶液的体积比大于5，则能够排除因待测pH溶液本身离子运动对倏逝波的影响。

最后，将单模光纤12***所述混合液对所述待测pH溶液25进行pH值检测，并将检测的pH值显示在显示屏15上。

如图1所示，所述显示屏15上显示出所述待测pH溶液25的pH值：pH 10.23以完成对所述待测pH溶液25的pH值的测试。即通过具有倏逝效应的单模光纤12和可受诱导排列的向列型液晶21实现对待测pH溶液25的pH值的检测，从而解决现有技术中存在的问题。在本实施例中，考虑到石英光纤的热膨胀系数最小，所述单模光纤12为单模石英光纤。

具体的，所述倏逝效应是指光从光密介质纤芯射向光疏介质包层发生全反射时，不仅有反射波，还存在振幅按指数规律衰减的透射波(即倏逝波)。如图4所示，其中沿光纤轴向方向传播后的波即为倏逝波，倏逝波的能量以指数形式衰减，传播一段距离后，能量将沿反射光方向返回光纤内。通常，定义倏逝波振幅衰减到分界面振幅的37％所对应的法向距离为倏逝波的穿透深度dp：

式中，λ为光波长，n₁为纤芯折射率，n₂为包层折射率，θ为光入射角，由公式(1)可知，d_p与折射率和入射角相关，入射角越小，纤芯和包层折射率相差越小，穿透深度越大。

为提高所述单模光纤的倏逝波的灵敏度，在一个可选的实施例中，如图1所示，所述测试棒还包括第二开口19的外壳18，其中所述光源11、感光单元13、处理器14设置在所述外壳18中，所述显示屏15设置于所述外壳18上；所述单模光纤12的一端包括纤芯121和包覆纤芯的包层122，另一端具有裸露的纤芯121，其中所述一端通过所述第二开口19伸入所述外壳18中，通过所述包层122与所述外壳18固定连接，所述另一端的裸露的纤芯121伸入所述混合液中，其中所述另一端的端部具有光反射部17；所述pH测试仪还包括环形器16，所述环形器16包括第一端口1、第二端口2和第三端口3，其中所述第一端口1将所述光源11出射的光传递到所述第二端口2；所述第二端口2将所述光以全反射角度导入所述单模光纤12，并接收被所述光反射部17反射的反射光，经所述第三端口3引导至所述感光单元13。

具体的，所述光源11出射的光从环形器16的第一端口1进入并由第二端口2以全反射角度进入所述单模光纤12，经所述光反射部17反射生成反射光，所述反射光进入环形器16的第二端口2并由第三端口3以垂直角度进入所述感光单元13。即所述光源出射的光以全反射角度进入单模光纤，由于所述纤芯121和混合液之间存在折射率差，导致在单模光纤中传输的光在传输过程中产生倏逝波，即根据公式1通过减小纤芯和外界的折射率差提高所述单模光纤的倏逝波的灵敏度，从而实现对传输的光和反射光的光谱进行调制。最后感光单元13将接收的反射光转换为电信号，再传输至所述处理器14，经所述处理器14进行信号处理、计算即可获得所述对待测pH溶液的pH值，并将测试结果显示在显示屏15上，从而实现对待测pH溶液pH值的检测。即。在本实施例中，所述外壳18为包含PVC的聚合物，所述单模光纤12通过硅酮胶固定在所述外壳上；所述光反射部17为反射薄膜。

在本实施例中，通过氢氟酸等物质将单模光纤12的包层122去掉，直接放入混合液进行测试，即将与纤芯折射率差较大的包层改为与纤芯折射率差较小的混合液，从而减小纤芯和外界的折射率差。假设填充包层的区域(即混合液)的折射率为n_j，当混合液的ph值变化导致折射率n_j变化并直接影响d_p变化，进而影响倏逝波能量返回纤芯的时间，最终导致光纤的倏逝波的光谱发生漂移。通过感光单元13检测所述倏逝波的光谱，分析该光谱的透射峰或损耗峰，即可获得填充区域的折射率的变化，经过处理器计算即可得到待测pH溶液的pH值，从而实现对待测pH溶液的pH值的检测。具体步骤如下：

第一，光信号从光源出射，经环形器以全反射角度进入所述单模光纤，在所述混合液中所述光信号经位于所述单模光纤远离光源一侧的端部的反射薄膜反射生成反射光信号。

如图1所示，光源11发出波长1300-1680nm宽带光信号，在本实施例中，所述光源11为LED光源，从环形器16的第一端***入、第二端***出，出射的光信号以与所述单模光纤12的纤芯121轴线的夹角正弦值小于光纤数值孔径的角度射入单模光纤12的纤芯121，在纤芯121内以全反射的方式向前传输。在全反射传输过程中，由于倏逝效应，所述纤芯121内传输的光信号能够感受到混合液的折射率，如图4上的虚线部分即为所述倏逝波作用范围，并且该倏逝波在没有包层122的部分作用范围更宽。在本实施例中，所述待测pH溶液25与所述测试池中的向列型液晶21混合形成混合液，所述混合液的pH值变化影响位于所述测试池底部的测试基底22的金薄膜和诱导分子24对所述向列型液晶21的位向排列，从而改变所述向列型液晶21的折射率。所述光信号在所述单模光纤12中向前传播，遇到位于所述单模光纤远离光源一侧的端部的光反射部17生成反射光信号，在本实施例中所述光反射部为反射薄膜，具体为具有高反射率的HfO₂-SiO₂的双层薄膜，其中HfO₂为内层薄膜，SiO₂为外层薄膜，通过磁控溅射工艺镀在所述纤芯121远离连接部一侧的测试部的顶端，所述反射光信号在光纤中传输时也将产生倏逝波，该倏逝波继续感测混合液中所述向列型液晶的折射率，根据所述折射率改变所述倏逝波的穿透距离d_p，进而对所述倏逝波的光谱进行调制。

第二，所述反射光信号经所述单模光纤12传输至环形器16，经所述环形器16以垂直角度传输至所述感光单元13；所述感光单元13根据所述反射光信号输出电信号并传输至处理器14。

所述反射光信号从单模光纤12的纤芯121射出，进入所述环形器16的第二端口，由于环形器16的单向传输，从环形器16的第三端***出，并垂直传输至所述感光单元13，在本实施例中所述感光单元为1/3英寸面阵CCD感光单元，所述感光单元13的内部集成芯片将反射光信号转换为模拟电信号，经放大电路、地址译码器、模数转换器转换为电信号输入处理器14中。

第三，所述处理器14根据所述电信号获得所述待测pH溶液25的pH值并显示在所述显示屏15上。

所述处理器14对所述电信号进行信号处理，分析所述单模光纤的出射光信号的损耗峰漂移时间，通过拟合获得待测pH溶液的pH值与出射光信号的漂移时间的对应关系，从而获得所述待测pH溶液的pH值并显示在所述显示屏15上，如图1所示的“pH 10.23”，从而实现对待测pH溶液的pH值的检测。

值得说明的是，在本实施例中，所述光信号和反射光信号均受到所述混合液的折射率变化导致所述光信号和反射光信号的光谱变化，能够进一步提高所述单模光纤的倏逝波的灵敏度。

为提高所述单模光纤的倏逝波的灵敏度，在另一个可选的实施例中，所述测试棒还包括第二开口19的外壳18，其中所述光源11、感光单元13、处理器14设置在所述外壳18中，所述显示屏15设置于所述外壳18上；所述单模光纤12包括光入射端部123、光出射端部124和至少一个弯折部125，其中所述光入射端部和光出射端部通过所述第二开口19伸入所述外壳中并与所述外壳固定连接，所述弯折部125伸入所述混合液中。

在一个具体的示例中，如图5所示，所述单模光纤12为U型光纤。光信号从光源11出射，以入射光进入所述单模光纤12的光入射端部123，经所述混合液从所述单模光纤12的光出射端部124输出出射光，所述出射光垂直进入所述感光单元13；所述感光单元13根据所述出射光的光信号输出电信号并传输至处理器14；所述处理器14根据所述电信号获得所述待测pH溶液的pH值并显示在所述显示屏15上。

即光源11发出的入射光从U型光纤的光入射端部123射入，根据公式1，在U型光纤中，光信号的入射角可变，并且在具有弯折部的光纤中传输，所述入射角逐渐变小，在所述测试池中的倏逝波随着入射角的变小而逐渐变大，进而导致倏逝波穿透深度变大，调制所述光信号的光谱，最后所述光信号从U型光纤的光出射端部124射出，射出的出射光带有待测pH溶液25的pH值的感测信号，进入感光单元13并由感光单元13转换为电信号，再传输至所述处理器14，经所述处理器14进行信号处理、计算即可获得所述对待测pH溶液25的pH值，并将测试结果显示在显示屏上，从而实现对待测pH溶液25的pH值的检测。

在本实施例中，所述感光单元13为CCD感光单元，垂直于所述U型光纤的光出射端部124，所述出射光垂直进入所述CCD感光单元，所述感光单元13通过内部集成芯片将反射光信号转换为模拟电信号，经放大电路、地址译码器、模数转换器转换为电信号输入处理器14中。考虑到整体pH测试仪的尺寸，本实施例采用1/3英寸面阵CCD感光单元，本领域技术人员应当根据实际应用场景选择适当尺寸的感光单元，以满足实际需求，在此不再赘述。

考虑到所述pH测试仪的使用便利性，在一个可选的实施例中，所述外壳上设置：电源开关键，用于为测试仪加电；测量键，用于启动测量；数据切换键，用于切换所述测试仪显示的数据。

具体的，所述pH测试仪响应于测试员对所述外壳上的功能按键的触发实现所述功能按键对应的功能，例如通过“电源开关键”为测试仪加电以打开所述pH测试仪，通过“测量键”启动测量以实现对待测pH溶液的pH值的测量，通过“数据切换键”切换所述pH测试仪显示的数据。

由于所述待测pH溶液混合至所述向列型液晶中以形成混合液，所述向列型液晶无法重复使用。为了重复使用所述pH测试仪，需要将所述测试池中的混合液排出，更换所述测试基底。再次测试时重复上述步骤，注入向列型液晶和待测pH溶液进行检测。

为便于所述pH测试仪的重复使用，如图6所示，在一个可选的实施例中，所述测试棒10还包括液晶提纯器31、液晶储存盒32、单向定量液压泵33、第一单向阀34、第二单向阀35、第一管道36和第二管道37，其中液晶存储盒32中存储有所述向列型液晶，用于在测试时通过所述第一管道36向所述测试池20提供所述向列型液晶；所述第一单向阀34用于控制所述向列型液晶单向通过所述第一管道36；所述单向定量液压泵33用于在测试结束时通过第二管道37从所述测试池20中抽取所述向列型液晶至所述液晶提纯器31，并将提纯过的向列型液晶定量输送至所述液晶存储盒32中；所述第二单向阀35用于控制所述向列型液晶单向通过所述第二管道37。

在一个可选的实施例中，所述测试池20包括具有第一开口、第一通孔41和第二通孔42的盖板，其中所述单模光纤从所述第一开口伸入所述混合液中，所述第一管道36通过所述第一通孔41伸入所述测试池20中，所述第二管道37通过所述第二通孔42伸入所述测试池20中至所述测试池底部；用于容纳向列型液晶和待测pH溶液的混合液的容纳部，其中容纳部的侧壁上具有入液口43，所述入液口包封有聚酯薄膜；以及与所述容纳部可拆卸连接的底座，所述测试基底在测试时被密封设置在所述底座上与所述混合液接触。

在一个具体的实施例中，如图6所示，当所述pH测试仪完成一次测试后，通过所述第二管道37、第二液晶通孔42和第二单向阀35将所述测试池20中的混合液传输至所述液晶提纯器31。然后，利用所述液晶提纯器31分离所述混合液中的向列型液晶和待测pH溶液，将分离后的向列型液晶存储在所述液晶储存盒32中，在本实施例中，所述液晶存储盒32中预先存储大量的向列型液晶，例如存储10次测量所需要的向列型液晶。当需要进行新的测试时，利用所述单向定量液压泵33通过所述第一管道36、第一液晶通孔41和第一单向阀34从所述液晶储存盒32中按照预定量输出所述向列型液晶至所述测试池，所述单向定量液压泵33提供将所述向列型液晶按照预定量注入测试池20的动力，第一单向阀34和第二单向阀35为单向单通，防止逆流破坏所述向列型液晶的纯度。在本实施例中，所述待测pH溶液通过测试池上设置入液口43注入测试池，所述入液口43包封有聚酯薄膜，所述聚酯薄膜具体为PET薄膜，所述入液口由PET薄膜封口，通过针管能够将待测pH溶液从入液口注入所述测试池，从而与向列型液晶分子混合形成混合液。至此所述pH测试仪已经准备好进行新的测试，例如将待测pH溶液注入所述测试池、与所述向列型液晶混合形成混合液，将所述单模光纤***所述测试池，重复上述步骤以实现所述待测pH溶液的pH测试值。

为提高所述单模光纤的倏逝波的灵敏度，在一个可选的实施例中，如图6所示，所述测试棒还包括第二开口、第三通孔和第四通孔的外壳，其中所述光源、感光单元、处理器、液晶提纯器、液晶储存盒、单向定量液压泵设置在所述外壳中，所述显示屏设置于所述外壳上；所述单模光纤的一端包括纤芯和包覆纤芯的包层，另一端具有裸露的纤芯，其中所述一端通过所述第二开口伸入所述外壳中，通过所述包层与所述外壳固定连接，所述另一端的裸露的纤芯伸入所述混合液中，其中所述另一端的端部具有光反射部；所述第一管道和第二管道分别通过第三通孔和第四通孔伸出所述外壳；所述pH测试仪还包括环形器，所述环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，其中所述第一端口将所述光源出射的光传递到所述第二端口；所述第二端口将所述光以全反射角度导入所述单模光纤，并接收被所述光反射部反射的反射光，经所述第三端口引导至所述感光单元。本实施例的具体实施方式与上述实施例中通过纤芯和混合液之间存在的折射率差的实施方式类似，本领域技术人员应当理解，根据实际需求进行设置，在此不再赘述。

为提高所述单模光纤的倏逝波的灵敏度，在另一个可选的实施例中，所述测试棒还包括第二开口、第三通孔和第四通孔的外壳，其中所述光源、感光单元、处理器、液晶提纯器、液晶储存盒、单向定量液压泵设置在所述外壳中，所述显示屏设置于所述外壳上；所述单模光纤包括光入射端部、光出射端部和至少一个弯折部，其中所述光入射端部和光出射端部通过所述第二开口伸入所述外壳中并与所述外壳固定连接，所述弯折部伸入所述混合液中；所述第一管道和第二管道分别通过第三通孔和第四通孔伸出所述外壳。本实施例的具体实施方式与上述实施例中通过U型光纤中入射角逐渐变小引起倏逝波逐渐变大的实施方式类似，本领域技术人员应当理解，根据实际需求进行设置，在此不再赘述。

考虑到所述pH测试仪的使用便利性，在一个可选的实施例中，所述外壳上设置：电源开关键，用于为测试仪加电；测量键，用于启动测量；数据切换键，用于切换所述测试仪显示的数据；液晶注入键，用于使能所述液晶存储盒向所述测试池提供所述向列型液晶；液晶抽取键，用于启动所述单向定量液压泵。

具体的，所述pH测试仪响应于测试员对所述外壳上的功能按键的触发实现所述功能按键对应的功能，例如通过“电源开关键”为测试仪加电以打开所述pH测试仪，通过“测量键”启动测量以实现对待测pH溶液的pH值的测量，通过“数据切换键”切换所述pH测试仪显示的数据，通过“液晶注入键”将向列型液晶从液晶储存盒中按照预定量输出至所述测试池，结束测试后还可以通过通过“液晶抽取键”启动所述单向定量液压泵以从测试池中提取混合液，并利用液晶提纯器将混合液中的向列型液晶分离提纯并存储在液晶储存盒中。

与上述实施例提供的pH测试仪相对应，本申请的一个实施例还提供一种利用上述pH测试仪的测试方法，由于本申请实施例提供的测试方法与上述几种实施例提供的pH测试仪相对应，因此在前述实施方式也适用于本实施例提供的测试方法，在本实施例中不再详细描述。

如图7所示，本申请的一个实施例还提供一种利用上述pH测试仪的测试方法，包括：将所述测试基底密封设置在所述测试池中；向所述测试池按照预定量注入向列型液晶分子和待测pH溶液以形成所述混合液，其中所述向列型液晶分子经所述金薄膜和诱导分子形成定向排列；将测试棒的单模光纤伸入所述混合液；待显示器上显示的数值稳定后获取pH值。

在另一个可选的实施例中，所述测试棒还包括液晶提纯器、液晶储存盒、单向定量液压泵、第一单向阀、第二单向阀、第一管道和第二管道，其中液晶存储盒中存储有所述向列型液晶，用于在测试时通过所述第一管道向所述测试池提供所述向列型液晶；所述第一单向阀用于控制所述向列型液晶单向通过所述第一管道；所述单向定量液压泵用于在测试结束时通过第二管道从所述测试池中抽取所述向列型液晶至所述液晶提纯器，并将提纯过的向列型液晶定量输送至所述液晶存储盒中；所述第二单向阀用于控制所述向列型液晶单向通过所述第二管道，所述向所述测试池按照预定量注入向列型液晶分子包括：所述液晶存储盒通过所述第一管道向所述测试池提供所述向列型液晶；在获取pH值之后，所述测试方法还包括：通过所述第二管道从所述测试池中抽取所述混合液至所述液晶提纯器，并将提纯过的向列型液晶输送至所述液晶存储盒中。即所述pH测试仪能够实现重复使用。

本发明针对目前现有的问题，制定一种pH测试仪和测试方法，通过单模光纤与向列型液晶接触，利用向列型液晶受测试基底的诱导力作用和光的倏逝效应，感测待测pH溶液的pH值。根据混合了向列型液晶和待测pH溶液的混合液导致的向列型液晶的折射率变化，调制所述单模光纤射出的出射光的光谱，通过感光元件接收光信号，经处理器进行信号处理后在显示屏上实时显示所述待测pH溶液的pH值，从而弥补了现有技术中的问题，并且具有灵敏度高、不易受干扰、体积小且制作简单等特点。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (11)

1.一种pH测试仪，其特征在于，包括测试棒、测试池以及测试基底，其中

所述测试棒包括光源、单模光纤、感光单元、处理器和显示屏；

所述测试池用于容纳向列型液晶和待测pH溶液的混合液；

所述测试基底包括基底、形成在所述基底上的具有沟槽方向的金薄膜和固定在所述金薄膜上的诱导分子，用于诱导所述向列型液晶分子定向排列；

其中

所述测试基底在测试时密封设置在所述测试池中与所述混合液接触；

所述单模光纤在测试时被配置为伸入所述混合液中，所述光源出射的光在所述单模光纤中传播；

所述感光单元用于将所述单模光纤出射的光转换为电信号；

所述处理器用于根据所述电信号获得所述待测pH溶液的pH值；

所述显示屏用于显示所述pH值。

2.根据权利要求1所述的pH测试仪，其特征在于，所述测试池包括

具有第一开口的盖板，所述单模光纤从所述第一开口伸入所述混合液中；

用于容纳向列型液晶和待测pH溶液的混合液的容纳部；以及

与所述容纳部可拆卸连接的底座，所述测试基底在测试时被密封设置在所述底座上与所述混合液接触。

3.根据权利要求1或2所述的pH测试仪，其特征在于，

所述测试棒还包括第二开口的外壳，其中所述光源、感光单元、处理器设置在所述外壳中，所述显示屏设置于所述外壳上；

所述单模光纤的一端包括纤芯和包覆纤芯的包层，另一端具有裸露的纤芯，其中所述一端通过所述第二开口伸入所述外壳中，通过所述包层与所述外壳固定连接，所述另一端的裸露的纤芯伸入所述混合液中，其中所述另一端的端部具有光反射部；

所述pH测试仪还包括环形器，所述环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，其中

所述第一端口将所述光源出射的光传递到所述第二端口；

所述第二端口将所述光以全反射角度导入所述单模光纤，并接收被所述光反射部反射的反射光，经所述第三端口引导至所述感光单元；

或者

所述测试棒还包括第二开口的外壳，其中所述光源、感光单元、处理器设置在所述外壳中，所述显示屏设置于所述外壳上；

所述单模光纤包括光入射端部、光出射端部和至少一个弯折部，其中所述光入射端部和光出射端部通过所述第二开口伸入所述外壳中并与所述外壳固定连接，所述弯折部伸入所述混合液中。

4.根据权利要求3所述的pH测试仪，其特征在于，所述外壳上设置：

电源开关键，用于为测试仪加电；

测量键，用于启动测量；

数据切换键，用于切换所述测试仪显示的数据。

5.根据权利要求1所述的pH测试仪，其特征在于，

所述测试棒还包括液晶提纯器、液晶储存盒、单向定量液压泵、第一单向阀、第二单向阀、第一管道和第二管道，其中

液晶存储盒中存储有所述向列型液晶，用于在测试时通过所述第一管道向所述测试池提供所述向列型液晶；

所述第一单向阀用于控制所述向列型液晶单向通过所述第一管道；

所述单向定量液压泵用于在测试结束时通过第二管道从所述测试池中抽取所述向列型液晶至所述液晶提纯器，并将提纯过的向列型液晶定量输送至所述液晶存储盒中；

所述第二单向阀用于控制所述向列型液晶单向通过所述第二管道。

6.根据权利要5所述的pH测试仪，其特征在于，所述测试池包括

具有第一开口、第一通孔和第二通孔的盖板，其中所述单模光纤从所述第一开口伸入所述混合液中，所述第一管道通过所述第一通孔伸入所述测试池中，所述第二管道通过所述第二通孔伸入所述测试池中至所述测试池底部；

用于容纳向列型液晶和待测pH溶液的混合液的容纳部，其中容纳部的侧壁上具有入液口，所述入液口包封有聚酯薄膜；以及

与所述容纳部可拆卸连接的底座，所述测试基底在测试时被密封设置在所述底座上与所述混合液接触。

7.根据权利要求5或6所述的pH测试仪，其特征在于，

所述测试棒还包括第二开口、第三通孔和第四通孔的外壳，其中所述光源、感光单元、处理器、液晶提纯器、液晶储存盒、单向定量液压泵设置在所述外壳中，所述显示屏设置于所述外壳上；

所述单模光纤的一端包括纤芯和包覆纤芯的包层，另一端具有裸露的纤芯，其中所述一端通过所述第二开口伸入所述外壳中，通过所述包层与所述外壳固定连接，所述另一端的裸露的纤芯伸入所述混合液中，其中所述另一端的端部具有光反射部；

所述第一管道和第二管道分别通过第三通孔和第四通孔伸出所述外壳；

所述pH测试仪还包括环形器，所述环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，其中

所述第一端口将所述光源出射的光传递到所述第二端口；

所述第二端口将所述光以全反射角度导入所述单模光纤，并接收被所述光反射部反射的反射光，经所述第三端口引导至所述感光单元；

或者

所述测试棒还包括第二开口、第三通孔和第四通孔的外壳，其中所述光源、感光单元、处理器、液晶提纯器、液晶储存盒、单向定量液压泵设置在所述外壳中，所述显示屏设置于所述外壳上；

所述单模光纤包括光入射端部、光出射端部和至少一个弯折部，其中所述光入射端部和光出射端部通过所述第二开口伸入所述外壳中并与所述外壳固定连接，所述弯折部伸入所述混合液中；

所述第一管道和第二管道分别通过第三通孔和第四通孔伸出所述外壳。

8.根据权利要求7所述的pH测试仪，其特征在于，所述外壳上设置：

电源开关键，用于为测试仪加电；

测量键，用于启动测量；

数据切换键，用于切换所述测试仪显示的数据；

液晶注入键，用于使能所述液晶存储盒向所述测试池提供所述向列型液晶；

液晶抽取键，用于启动所述单向定量液压泵。

9.根据权利要求1所述的pH测试仪，其特征在于，所述诱导分子为16-疏基十六烷基酸，包括-COOH基团和-SH基团。

10.一种利用权利要求1所述的pH测试仪的测试方法，其特征在于，包括：

将所述测试基底密封设置在所述测试池中；

向所述测试池按照预定量注入向列型液晶分子和待测pH溶液以形成所述混合液，其中所述向列型液晶分子经所述金薄膜和诱导分子形成定向排列；

将测试棒的单模光纤伸入所述混合液；

待显示器上显示的数值稳定后获取pH值。

11.根据权利要求10所述的测试方法，其特征在于，

所述测试棒还包括液晶提纯器、液晶储存盒、单向定量液压泵、第一单向阀、第二单向阀、第一管道和第二管道，其中

液晶存储盒中存储有所述向列型液晶，用于在测试时通过所述第一管道向所述测试池提供所述向列型液晶；

所述第一单向阀用于控制所述向列型液晶单向通过所述第一管道；

所述单向定量液压泵用于在测试结束时通过第二管道从所述测试池中抽取所述向列型液晶至所述液晶提纯器，并将提纯过的向列型液晶定量输送至所述液晶存储盒中；

所述第二单向阀用于控制所述向列型液晶单向通过所述第二管道，

所述向所述测试池按照预定量注入向列型液晶分子包括：所述液晶存储盒通过所述第一管道向所述测试池提供所述向列型液晶；

在获取pH值之后，所述测试方法还包括：

通过所述第二管道从所述测试池中抽取所述混合液至所述液晶提纯器，并将提纯过的向列型液晶输送至所述液晶存储盒中。