專利名稱：液體濃度檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及用于檢測(cè)液體濃度的裝置。
背景技術(shù)：
液體濃度是液體物質(zhì)的一個(gè)非常重要的物理參數(shù)，在化工、飲料、釀酒、醫(yī)藥等行業(yè)的 生產(chǎn)中以及在一些科學(xué)研究中，經(jīng)常需要測(cè)量液體中特定物質(zhì)的濃度，因此，液體濃度的精 確檢測(cè)尤為重要。
測(cè)量液體濃度有很多方法，傳統(tǒng)的方法有比重法、旋光法、分光光度法、超聲波法和折 射率法。比重是指相同條件下，液體質(zhì)量與相同體積的蒸餾水的質(zhì)量比，比重法雖然精度較 高，但是比較麻煩，要采用分析天平稱幾次；旋光法是檢測(cè)偏振光光強(qiáng)的變化規(guī)律，需要不 同成分具有不同的旋光性，且測(cè)量精度不高；分光光度法是檢測(cè)透光率，靈敏度也不夠高； 超聲波利用超聲波聲速和液體密度、粘度的關(guān)系達(dá)到檢測(cè)的目的，具有精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是 重量大、不易移動(dòng)；已有的折射率法比較典型的是基于全反射的阿貝折射儀，具有很高的折 射率檢測(cè)精度，能達(dá)到2xl0"4，但是阿貝折射儀測(cè)量液體的折射率范圍較窄， 一般僅為 1.3-1.7。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種測(cè)量精度高、測(cè)量過(guò)程 快速方便、具有較寬折射率檢測(cè)范圍的基于折射率法的液體濃度檢測(cè)裝置。 本實(shí)用新型解決技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案
本實(shí)用新型液體濃度檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是設(shè)置具有透光蓋板的密閉容器，透光或半透 光液體充滿密閉容器，在密閉容器中固定設(shè)置反光板；反光板上的投射光束來(lái)自于容器外部 的投射光源，反光板上的反射光束穿過(guò)容器內(nèi)液體和透光蓋板，由設(shè)置在密閉容器的外部、 位于反射光束的光路上的光學(xué)接收器所接收，以光學(xué)接收器檢測(cè)的反射光束投射在其上的光 斑位置信號(hào)為檢測(cè)信號(hào)。
本實(shí)用新型液體濃度檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于
來(lái)自于投射光源的投射光束垂直于透光蓋板。
反光板與透光蓋板呈不為零的夾角。
投射光源為聚焦激光束。
光學(xué)接收器為位移傳感器PSD或一維線陣電荷藕合器件CCD。 密閉容器為恒溫容器。利用本實(shí)用新型裝置進(jìn)行液體濃度檢測(cè)的方法是按如下步驟進(jìn)行
a、 在密閉容器中注入己知折射率為",的基準(zhǔn)液體，由光學(xué)接收器檢測(cè)并記錄投照在其 上的基準(zhǔn)光斑位置信息；
b、 置換密閉容器中的基準(zhǔn)液體為被測(cè)液體，相同條件之下，由光學(xué)接收器檢測(cè)并記錄 投照在其上的被測(cè)光斑位置信息；
c、 比較基準(zhǔn)光斑位置信息與被測(cè)光斑位置信息，獲得由于基準(zhǔn)液體與被測(cè)液體折射率 的不同而帶來(lái)的光斑位置的偏移量Ad，所述光斑位置的偏移量Ad與基準(zhǔn)液體和被測(cè)液體的 折射率差值A(chǔ)w,具有一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，因而獲到被測(cè)液體折射率^ =w,
d、 根據(jù)折射率":與液體濃度一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，獲得與測(cè)得的液體折射率w,'相對(duì)應(yīng)的液 體濃度。
與已有技術(shù)相比，本實(shí)用新型有益效果體現(xiàn)在
1、 本實(shí)用新型通過(guò)采用具有微米甚至亞微米位移分辨率的光學(xué)接收器，可以使裝置達(dá) 到0.5xl0—4的折射率檢測(cè)精度；從而能夠檢測(cè)液體濃度的微小變化。
2、 雖然光學(xué)接收器的位移量程有限，但本實(shí)用新型通過(guò)適當(dāng)選擇基準(zhǔn)液體，即選擇折 射率與被測(cè)液體接近的基準(zhǔn)液體，可以達(dá)到較寬的折射率檢測(cè)范圍，也就能夠達(dá)到更大范圍 的液體濃度檢測(cè)。
3、 由于密閉容器可以做到幾十微升的小容量，因此通過(guò)蠕動(dòng)泵可以快速地將密閉容器 內(nèi)的基準(zhǔn)液體置換成待測(cè)液體，可以達(dá)到快速檢測(cè)液體折射率的目的。


圖l為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為本實(shí)用新型檢測(cè)原理示意圖。
圖3為本實(shí)用新型實(shí)施的不同濃度乙醇溶液的折射率測(cè)試曲線。
圖4為本實(shí)用新型實(shí)施的另一不同濃度乙醇溶液的折射率測(cè)試曲線。
圖5為系統(tǒng)的最小能夠檢測(cè)的A",和入射角a之間的關(guān)系圖。
圖中標(biāo)號(hào)1投射光源、2透光蓋板、3密閉容器、4反光板、5密封圈、6蠕動(dòng)泵、7 恒溫系統(tǒng)、8光學(xué)接收器、9信號(hào)處理裝置、IO投射光束、ll反射光束。 以下通過(guò)具體實(shí)施方式
，結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖1、圖2，設(shè)置具有透光蓋板2、由密封圈5對(duì)透光蓋板2進(jìn)行密封的密閉容器3， 透光或半透光液體充滿密閉容器3，在密閉容器3中固定設(shè)置反光板4;反光板4上的投射 光束10來(lái)自于容器外部的投射光源1，反光板4上的反射光束11穿過(guò)容器內(nèi)液體和透光蓋板2，由設(shè)置在密閉容器3的外部、位于反射光束11的光路上的光學(xué)接收器8所接收，以 所述光學(xué)接收器8檢測(cè)的反射光束11投射在其上的光斑位置信號(hào)為檢測(cè)信號(hào)。
具體實(shí)施中，設(shè)置來(lái)自投射光源1的投射光束10垂直于透光蓋板2、反光板4與透光 蓋板2呈不為零的夾角，以及投射光源1采用聚焦激光束都可以獲得更高的測(cè)量精度。
光學(xué)接收器8采用位移傳感器PSD或一維線陣電荷藕合器件CCD，密閉容器3設(shè)置為由 恒溫系統(tǒng)7進(jìn)行恒溫控制的恒溫容器，保證密閉容器3內(nèi)的溫度恒定在土0.01K。
檢測(cè)方法按如下步驟進(jìn)行
a、 在密閉容器3中注入已知折射率為巧的基準(zhǔn)液體，由光學(xué)接收器8檢測(cè)并記錄投照 在其上的基準(zhǔn)光斑位置信息；
b、 在蠕動(dòng)泵6的帶動(dòng)下，置換密閉容器3中的基準(zhǔn)液體為被測(cè)液體，相同條件之下，
由光學(xué)接收器8檢測(cè)并記錄投照在其上的被測(cè)光斑位置信息；
c、 信號(hào)處理裝置9比較基準(zhǔn)光斑位置信息與被測(cè)光斑位置信息，獲得由于基準(zhǔn)液體與
被測(cè)液體折射率的不同而帶來(lái)的光斑位置的偏移量Ac/，光斑位置的偏移量Ad與基準(zhǔn)液體和 被測(cè)液體的折射率差值A(chǔ)",具有一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，因而獲到被測(cè)液體折射率
d、 對(duì)于特定的二元混和液體，折射率n;與被測(cè)液體的濃度具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此，
根據(jù)折射率w:與液體濃度一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即可獲得與測(cè)得的液體折射率巧'相對(duì)應(yīng)的液體濃 度。
圖2示出了本實(shí)用新型測(cè)量原理如下
由折射率公式",.sina二 .sin"^ .sinz，當(dāng)被測(cè)液體將基準(zhǔn)液體置換后，也就是 密閉容器內(nèi)液體的折射率巧發(fā)生了變化，同時(shí)密閉容器外部的空氣折射率 和透光蓋板的折 射率 3不變，而投射光束10是垂直于透光蓋板入射，則反射光束11從液體到透光蓋板2 的入射角a不變，根據(jù)折射率公式可知，出射角^會(huì)改變，從透光蓋板2到空氣的出射角々 也會(huì)隨之改變，因此，光學(xué)接收器8上所接收的投射光束的光斑位置會(huì)發(fā)生移動(dòng)，位移量與 補(bǔ)測(cè)液體與基準(zhǔn)液體的折射率之差一一對(duì)應(yīng)，同時(shí)基準(zhǔn)液體的折射率為已知，由此可以得到 被測(cè)液體的折射率，而對(duì)于特定的二元混和液體，其折射率":與濃度具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系， 因此也就獲得了被測(cè)液體的濃度。
在被測(cè)液體與基準(zhǔn)液體折射率相差不大時(shí)，即~<5%時(shí)，假定反射光束ll從透光蓋板2到光學(xué)接收器8的距離為i，透光蓋板2的厚度為A，由于^>50，貝瞎
<formula>formula see original document page 6</formula>
式中A",為被測(cè)溶液與基準(zhǔn)溶液折射率之差
Ad為反射光束的光斑在光學(xué)接收器8上移動(dòng)的距離。 顯然當(dāng)a^0時(shí)，
設(shè)被測(cè)液體的折射率為w(，假定圖2中Ac/為正，貝U:
<formula>formula see original document page 6</formula> (2)
由(l)式可知在L、 "p "2、 a—定的情況下，A",與ZW成線性關(guān)系。當(dāng)Ac/取光學(xué)接 收器8的最小位移分辨值時(shí)，得到的A^就是系統(tǒng)最小能夠檢測(cè)的液體折射率的變化值。由 于采用的光學(xué)接收器8具有微米甚至亞微米的位移分辨率，因此系統(tǒng)具有很高的檢測(cè)精度。
參見(jiàn)圖5，在L、巧、"2—定的情況下，取ZW為光學(xué)接收器8的最小位移分辨值時(shí)，入 射角a("小于布魯斯特角)和A巧之間的函數(shù)關(guān)系。顯然入射角"越大，A"i就越小，即檢測(cè) 靈敏度越高。為了提高檢測(cè)精度，可以通過(guò)增大a來(lái)達(dá)到，但是由于系統(tǒng)本底噪音的存在，
當(dāng)a達(dá)到一定值后，檢測(cè)靈敏度就不會(huì)再有提高。
由(2)式可知雖然光學(xué)接收器8的位移量程有限，但通過(guò)適當(dāng)選擇基準(zhǔn)液體，即選擇 折射率與被測(cè)液體接近的基準(zhǔn)液體，可以達(dá)到較寬的折射率檢測(cè)范圍。
在以下實(shí)施例1和實(shí)施例2中，投射光源1采用/1 = 635"附的聚焦激光束；光學(xué)接收器 8采用位移傳感器PSD，最小位移分辨率為0. 1微米；恒溫系統(tǒng)7將密閉容器3的溫度控制
在20 ± 0.01°C ;所用乙醇為無(wú)水乙醇(2 99.7%)。
實(shí)施例1:
參見(jiàn)圖3，基準(zhǔn)液體為蒸餾水，檢測(cè)溶劑為蒸餾水的不同濃度乙醇的折射率，依次檢測(cè) 體積比濃度為10%、 20%、 30%、 40%、 50%、 60%、 70%、 80%、 90%、 100%的乙醇折射率。 實(shí)施例2:
參見(jiàn)圖4，基準(zhǔn)液體為蒸餾水，檢測(cè)溶劑為蒸餾水的不同濃度乙醇的折射率，依次檢測(cè) 體積比濃度為1%、 2%、 3%、 4%和5%的乙醇折射率。
在實(shí)施例1和2中，所使用的密閉容器3的體積約為800微升，置換時(shí)間大約20分鐘， 這與檢測(cè)被測(cè)液體折射率的時(shí)間，即圖3和圖4中曲線平衡的時(shí)間大致相當(dāng)，如果將密閉容 器3的體積做到40微升，可以在2分鐘以內(nèi)將基準(zhǔn)液體置換成待測(cè)液體，也就是說(shuō)能在2分鐘以內(nèi)檢測(cè)出被測(cè)液體的折射率。另外，從圖3和圖4也可以看出，溶劑為蒸餾水的不同
濃度乙醇的折射率";與其濃度具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，但并非線形關(guān)系，實(shí)施例i中濃度從
0%-50%時(shí)折射率變化值較大，而當(dāng)其濃度從90%-100%時(shí)折射率變化值較小。因此，對(duì)溶劑 為蒸餾水的乙醇溶液而言，最佳檢測(cè)濃度范圍在0%-50%，可以檢測(cè)0.2%甚至更低的濃度變 化。
權(quán)利要求1、液體濃度檢測(cè)裝置，其特征是設(shè)置具有透光蓋板(2)的密閉容器(3)，透光或半透光液體充滿密閉容器(3)，在所述密閉容器(3)中固定設(shè)置反光板(4)；反光板(4)上的投射光束(10)來(lái)自于容器外部的投射光源(1)，反光板(4)上的反射光束(11)穿過(guò)容器內(nèi)液體和透光蓋板(2)，由設(shè)置在密閉容器(3)的外部、位于反射光束(11)的光路上的光學(xué)接收器(8)所接收，以所述光學(xué)接收器(8)檢測(cè)的反射光束(11)投射在其上的光斑位置信號(hào)為檢測(cè)信號(hào)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體濃度檢測(cè)裝置，其特征是所述來(lái)自于投射光源(1)的投 射光束(10)垂直于透光蓋板(2)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體濃度檢測(cè)裝置，其特征是所述反光板(4)與透光蓋板(2) 呈不為零的夾角
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液體濃度檢測(cè)裝置，其特征是所述投射光源(1)為聚焦 激光束。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的液體濃度檢測(cè)裝置，其特征是所述光學(xué)接收器(8)為位移傳 感器PSD或一維線陣電荷藕合器件CCD。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體濃度檢測(cè)裝置，其特征是所述密閉容器(3)為恒溫容器。
專利摘要液體濃度檢測(cè)裝置，其特征是設(shè)置具有透光蓋板的密閉容器，透光或半透光液體充滿密閉容器，在密閉容器中固定設(shè)置與透光蓋板呈不為零的夾角反光板；反光板上的投射光束來(lái)自于容器外部的投射光源，反光板上的反射光束穿過(guò)容器內(nèi)液體和透光蓋板，由設(shè)置在密閉容器的外部、位于反射光束的光路上的光學(xué)接收器所接收，以光學(xué)接收器檢測(cè)的反射光束投射在其上的光斑位置信號(hào)為檢測(cè)信號(hào)。本實(shí)用新型檢測(cè)精度高、速度快，具有較寬的折射率檢測(cè)范圍，可用于實(shí)時(shí)、快速檢測(cè)液體濃度的微小變化。
文檔編號(hào)G01N21/41GK201152850SQ20082003093
公開(kāi)日2008年11月19日 申請(qǐng)日期2008年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月16日
發(fā)明者伍小平, 紅 劉, 張青川, 凱 李, 淵 黃 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)