專利名稱：兩種溶質(zhì)透明混合溶液濃度檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種兩種溶質(zhì)透明混合溶液濃度檢測裝置及其工作原理，屬于光 電檢測、光電傳感和光信息處理的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
磁性是物質(zhì)的基本物理屬性之一，通過對物質(zhì)磁性的檢測研究可以了解物質(zhì)的某 些參量變化，比如對于含有順磁溶質(zhì)的溶液磁旋光角的檢測可以了解溶液的濃度信息。磁 光學(xué)是一門古老而又經(jīng)久不衰的學(xué)科，其在光學(xué)檢測及光電傳感領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛； 其中應(yīng)用最多的是法拉第磁旋光效應(yīng)，包括電流傳感器、磁場傳感器、磁光隔離器、磁光環(huán) 行器等遍及光檢測、光傳感、光通信等多個光學(xué)領(lǐng)域。在化工、食品和醫(yī)療衛(wèi)生等工業(yè)領(lǐng)域，常常需要對溶液的濃度進(jìn)行檢測，溶液的濃 度與其許多物理量都有相互關(guān)系，如比重、電導(dǎo)率、折射率、聲速、旋光性、維爾德常數(shù)等，因 此原則上可以用其中某一物理量的變化來表征溶液濃度的變化。目前對于單一溶質(zhì)成分的 溶液濃度的檢測方法很多，精度也達(dá)到一定要求；但現(xiàn)實(shí)中常常需要對混合溶液中不同成 分的溶質(zhì)濃度進(jìn)行檢測，檢測原理及器件制作一般較復(fù)雜，并且一般采用侵入式的檢測方 法容易對溶液造成污染。本文基于法拉第磁光效應(yīng)和某些物質(zhì)本身具有的自然旋光效應(yīng)原 理[1’2’3]，針對某些特定成分的兩種溶質(zhì)透明混合溶液，提出利用磁光技術(shù)一次性檢測該特 定混合溶液中兩種溶質(zhì)各自濃度的方法。該方法檢測原理簡單，器件制作相對容易；采用 信號除法放大系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的檢測靈敏度，同時消除光源發(fā)光功率不穩(wěn)定帶來的不利影 響；采用非侵入式的檢測方法，對溶液無污染；利用微機(jī)處理與繪圖顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時、自 動檢測；該技術(shù)將在兩種溶質(zhì)透明混合溶液濃度檢測中獲得較好的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提出一種兩種溶質(zhì)透明混合溶液濃度檢測裝置，解 決兩種溶質(zhì)透明混合溶液濃度檢測的問題。技術(shù)方案本發(fā)明的兩種溶質(zhì)透明混合溶液濃度檢測裝置包括半導(dǎo)體激光器、偏 振相關(guān)光隔離器、薄膜偏振分束棱鏡、樣品池及磁光調(diào)制器、偏振片、第一光電探測器、第二 光電探測器、除法放大器以及微機(jī)處理及顯示單元；半導(dǎo)體激光器的激光輸出通過偏振相關(guān)光隔離器薄膜偏振分束棱鏡送入樣品池 及磁光調(diào)制器的輸入端和第二光電探測器的輸入端，樣品池及磁光調(diào)制器的輸出端通過偏 振片送入第一光電探測器的輸入端，第一光電探測器和第二光電探測器的輸出端接除法放 大器的輸入端，除法放大器的輸出端接微機(jī)處理及顯示單元。樣品池及磁光調(diào)制器中，樣品池采用透明圓柱狀玻璃管制成，樣品池設(shè)有進(jìn)液口 和出液口 ；磁光調(diào)制器采用螺線管，給螺線管通以交流電從而產(chǎn)生交變磁場；樣品池置于 螺線管中心軸線位置，樣品池及螺線管的軸線與入射光線平行。第一光電探測器、第二光電探測器采用型號、性能均相同的光電探測器。
微機(jī)處理及顯示單元用于采集由除法放大器輸出的信號并繪制顯示信號曲線。兩 種溶質(zhì)所組成的溶液為透明的，且要求有且只有一種溶質(zhì)具備自然旋光效應(yīng)，另一種溶質(zhì) 或兩種溶質(zhì)都具有磁旋光效應(yīng)。螺線管產(chǎn)生的交流磁場要求為交流磁場。有益效果根據(jù)以上敘述可知，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)本發(fā)明利用某些物質(zhì)的自然旋光效應(yīng)與磁旋光效應(yīng)，設(shè)計了兩種溶質(zhì)透明混合溶 液濃度檢測裝置，該裝置利用磁光技術(shù)可以一次性檢測溶液中兩種溶質(zhì)各自的濃度。該方 法檢測原理簡單，器件制作相對容易，采用信號除法放大系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的檢測靈敏度，同 時消除光源發(fā)光功率不穩(wěn)定帶來的不利影響；采用非侵入式的檢測方法，對溶液無污染； 利用微機(jī)處理與繪圖顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時、自動檢測；在溶液濃度檢測方面具有非常重要的 應(yīng)用價值。創(chuàng)新之處在于本發(fā)明設(shè)計的兩種溶質(zhì)透明混合溶液濃度檢測裝置，可以一次性 完成檢測溶液中兩種溶質(zhì)各自的濃度，同時采用工作光強(qiáng)與參考光強(qiáng)相除放大技術(shù)，提高 了系統(tǒng)的檢測靈敏度，消除光源發(fā)光功率不穩(wěn)定帶來的不利影響；利用微機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動 讀取數(shù)據(jù)、自動計算檢測結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時、自動檢測。


圖1兩種溶質(zhì)透明混合溶液濃度檢測裝置示意圖。圖中有半導(dǎo)體激光器1、偏振 相關(guān)型光隔離器2、薄膜偏振分束棱鏡3、樣品池及磁光調(diào)制器4、偏振片5、第一光電探測器 6、第二光電探測器7、除法放大器8、微機(jī)處理與顯示單元9。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明專利的兩種溶質(zhì)透明混合溶液濃度檢測裝置如圖1所示。圖中光源采用半 導(dǎo)體激光光源1，發(fā)出的激光經(jīng)過光隔離器2后變?yōu)槠矫嫫窆庠偃肷渲疗穹质忡R3后 分為偏振方向互相垂直的兩束光，被反射進(jìn)入第二光電探測器7的s分量的偏振光作為參 考光信號，振動方向垂直于紙面；被透射經(jīng)過薄膜偏振分束棱鏡3的p分量的偏振光作為工 作光信號，振動方向平行于紙面；最終由第一光電探測器6接收。以激光器發(fā)出的激光光線 為中心軸旋轉(zhuǎn)光隔離器，即改變光隔離器2的透振方向與p分量光之間的夾角(設(shè)為a )， 可以改變該兩束光(s分量和p分量)之間相對強(qiáng)度的大小。通常需要使a值較小，以使 工作光信號較強(qiáng)，參考光信號較弱，從而可以通過除法放大器8的相除放大作用來提高系 統(tǒng)的檢測靈敏度。光隔離器2的作用是阻止反射光對光源造成影響，同時使光源發(fā)出的光變?yōu)榫€偏 振光。偏振片5的透振方向與薄膜偏振分束棱鏡3的透射光偏振方向垂直。微機(jī)處理及顯示單元9用于采集除法放大器8輸出的信號，并自動將采集到的信 號與調(diào)制器4的勵磁交流電信號以時間為橫軸繪制于同一張圖中，根據(jù)繪制的曲線，自動 讀出相關(guān)測試點(diǎn)的光強(qiáng)值并完成相關(guān)計算，最終顯示濃度測試結(jié)果。給磁光調(diào)制器4通以交流電信號i = iQsin t，從而產(chǎn)生交變磁場B = B0sin t, 使溶液產(chǎn)生磁旋光角，進(jìn)而有光信號進(jìn)入第一光電探測器6，通過接收到的光強(qiáng)信息可以檢 測溶液的濃度。
本發(fā)明提出的兩種溶質(zhì)透明混合溶液光學(xué)檢測方法要求兩種溶質(zhì)中有且只有一 種溶質(zhì)具有自然旋光效應(yīng)，比如常見的具有自然旋光效應(yīng)的物質(zhì)有糖類、左旋氨基酸、酶、 部分藥物等具有螺旋狀分子結(jié)構(gòu)的物質(zhì)[2’3]另一種溶質(zhì)或兩種溶質(zhì)都明顯具有磁旋光效 應(yīng)；比如常見的明顯具有磁旋光效應(yīng)的物質(zhì)如鹽類、醇類、烷類以及一些大分子結(jié)構(gòu)所組成 的物質(zhì)等[1’3]。由以上兩類物質(zhì)所構(gòu)成的混合溶液在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中比較常見，比如 生理鹽水中糖和鹽的測定就符合該檢測條件?，F(xiàn)以兩種溶質(zhì)都具有磁旋光效應(yīng)、并假設(shè)兩 種溶質(zhì)磁旋光方向相同為例進(jìn)行分析，磁旋光方向相反情況分析類似，如果只有另一種溶 質(zhì)具有法拉第效應(yīng)則分析情況更加簡單。設(shè)溶液中A物質(zhì)和B物質(zhì)的濃度分別為CA和CB，設(shè)A為具有自然旋光效應(yīng)的物質(zhì)， 比旋光率為a，則濃度為CA的A物質(zhì)溶液產(chǎn)生的旋光角可表示為e A1 = a cA d，d是光 在溶液中通過的距離[2]，可見可以通過測量溶液旋光角9 A1的大小得到溶液的濃度CA。如果A物質(zhì)溶液和B物質(zhì)溶液的維爾德常數(shù)分別為\和VB，則在磁場的作用下， 兩種溶液的法拉第旋轉(zhuǎn)角分別為9 A = VABd和e B = VBBd, d為光在溶液中通過的距離，B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度[4]；由于溶液的維爾德常數(shù)與其濃度成一定的單調(diào)對應(yīng)關(guān)系，一般為= u+k C，V為維爾德常數(shù)，k為比例系數(shù)，u為常數(shù)，C為溶液的濃度[1’3]；對于某種待測溶液 來說，可以事先配置不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合得到該定 標(biāo)關(guān)系式。由于法拉第公式中B和d可以測量得到，因此實(shí)際檢測中測量了偏轉(zhuǎn)角e即可 得到溶液的維爾德常數(shù)V，再根據(jù)該溶液維爾德常數(shù)與濃度之間的定標(biāo)關(guān)系即可知道溶液 的濃度信息。本發(fā)明的檢測裝置如圖1所示半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的光經(jīng)過光隔離器2后為線 偏振光h，入射至薄膜偏振分束棱鏡3后，分解為偏振方向平行于紙面的p分量的光U和 垂直于紙面的s分量的光1。2，光隔離器2的透振方向與p分量光之間的夾角為a，則U = I0cos2 a , I02 = Ipir^a，調(diào)制器內(nèi)存放待測溶液，設(shè)交變磁場為B = Bpin t，線偏振光經(jīng) 過待測溶液后偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生了與檢偏器的透振方向平行的光振動分量，該分 量的光攜帶總的旋轉(zhuǎn)角信息被光電探測器(6)接收。A物質(zhì)本身具有自然旋光效應(yīng)，旋光角為0A1，B不具有自然旋光效應(yīng)；設(shè)該溶液總 的磁旋光角度為e AB，則偏振光經(jīng)過溶液后總的旋光角度為(e A1+ e AB)。其中0 A1 = a c d(1)0 = (VA+VB) dB0sin t = ( e A0+ e B0) sin co t = ( 0 A+ 0 B)(2)在不考慮各種吸收與表面反射的情況下，光電探測器(6)的接收光強(qiáng)為I = I01sin2 ( 0 A1+ 0 J = I01sin2 [ 0A1+( 0 A0+ 0 B0) sin t](3)設(shè)除法放大器(8)的放大倍數(shù)為m，則除法放大器輸出的相對探測光強(qiáng)為I ‘ = m ( I / I 02) = m [ I 0: / I 02 s i n 2 ( 0 A: + 0 AB)]= m cot2 a sin2 [ 0 A1+ ( 0 A0+ 0 B0) sin co t] (4)其中，定義s = m.cot2a為該檢測系統(tǒng)中信號放大倍數(shù)；公式⑷中的相對探測 光強(qiáng)由微機(jī)處理及顯示單元9采集并繪制曲線。對于一個特定系統(tǒng)而言，m和a已知。由于是交流調(diào)制，因此，不管0 A1與(0 A+ 0 B) 的方向一致還是相反，由(4)式可知總有最大光強(qiáng)點(diǎn)對應(yīng)于(e A1+ e A+ e B)，因此由微機(jī)處理及顯示單元9讀出最大光強(qiáng)值可以求出(eA1+eA+eB)的大小。而當(dāng)調(diào)制信號相位角為 o時，即sin t = 0時，得到的光強(qiáng)值對應(yīng)于eA1，從而可以求出eA1的大小，從而確定a溶 質(zhì)的濃度(；，再由A物質(zhì)的濃度可以確定A物質(zhì)的磁旋光角度eA，最后得出eB的大小，從 而求出B物質(zhì)的濃度。至此，A、B兩種溶質(zhì)的濃度即被分別檢測。具體實(shí)施例1 本發(fā)明提出一種兩種溶質(zhì)透明混合溶液濃度檢測裝置。裝置由半導(dǎo)體激光器1、偏振相關(guān)型光隔離器2、薄膜偏振分束棱鏡3、樣品池及磁光調(diào)制器4、偏振片5、 第一光電探測器6、第二光電探測器7、除法放大器8以及微機(jī)處理與顯示單元9組成。A物質(zhì)本身具有自然旋光效應(yīng)，旋光角為0A1，B不具有自然旋光效應(yīng)；兩種溶質(zhì) 都明顯具有法拉第磁旋光效應(yīng)且磁旋光方向相同，則偏振光經(jīng)過溶液后總的旋光角度為 (e A1+ e A+ e B)。其中0A1 = a.c.d，0 A = VAdB0sin cot, 0 B = VBdB0sin co t,在不考慮各種吸收與表面反射的情況下，第一光電探測器6的接收光強(qiáng)為I = I01sin2 ( 9 A1+ 9 A+ 9 B),設(shè)除法放大器8的放大倍數(shù)為m，則除法放大器輸出的 相對探測光強(qiáng)為r = m (I/I02) = m cot2 a sin2(0 A1+ 0 A+ 0 B)(5)對于一個特定系統(tǒng)而言，m和a已知。由于是交流調(diào)制，因此，不管0 A1與(0 A+ 0 B) 的方向一致還是相反，由(5)式可知總有最大光強(qiáng)點(diǎn)對應(yīng)于(e A1+ e A+ e B)，因此由微機(jī)處 理及顯示單元9讀出最大光強(qiáng)值可以求出(eA1+eA+eB)的大小。而當(dāng)調(diào)制信號相位角為 o時，即sin t = 0時，得到的光強(qiáng)值對應(yīng)于eA1，從而可以求出eA1的大小，從而確定a溶 質(zhì)的濃度(；，再由A物質(zhì)的濃度可以確定A物質(zhì)的磁旋光角度eA，最后得出eB的大小，從 而求出B物質(zhì)的濃度。至此，A、B兩種溶質(zhì)的濃度即被分別檢測。具體實(shí)施例2:本發(fā)明提出一種兩種溶質(zhì)透明混合溶液濃度檢測裝置。裝置由半導(dǎo)體激光器1、偏 振相關(guān)型光隔離器2、薄膜偏振分束棱鏡3、樣品池及磁光調(diào)制器4、偏振片5、第一光電探測 器6、第二光電探測器7、除法放大器8以及微機(jī)處理與顯示單元9組成。A物質(zhì)本身具有自然旋光效應(yīng)，旋光角為0A1，B不具有自然旋光效應(yīng)且明顯具有 法拉第磁旋光效應(yīng)，則偏振光經(jīng)過溶液后總的旋光角度為(9 A1+ e B)。其中0A1 = a c d，0 B = VBdB0sin w t,在不考慮各種吸收與表面反射的情況下，第一光電探測器6的接收光強(qiáng)為1 = I01sin2 ( e A1+ 0 B),設(shè)除法放大器8的放大倍數(shù)為m，則除法放大器輸出的相對探測光強(qiáng)為 I' = m (I/I02) = m cot2a sin2( 0 A1+0 B)(6)對于一個特定系統(tǒng)而言，m和a已知。由于是交流調(diào)制，因此，不管0 A1與0 B的方 向一致還是相反，由(6)式可知總有最大光強(qiáng)點(diǎn)對應(yīng)于(eA1+eB)，因此由微機(jī)處理及顯示 單元9讀出最大光強(qiáng)值可以求出(eA1+eB)的大小。而當(dāng)調(diào)制信號相位角為0時，S卩Sincot =0時，得到的光強(qiáng)值對應(yīng)于0A1，從而可以求出0A1的大小，從而確定A溶質(zhì)的濃度CA，而 后得出％的大小，從而求出B物質(zhì)的濃度。至此，A、B兩種溶質(zhì)的濃度即被分別檢測。具體實(shí)施例3 本發(fā)明提出一種兩種溶質(zhì)透明混合溶液濃度檢測裝置。裝置由半導(dǎo)體激光器1、偏 振相關(guān)型光隔離器2、薄膜偏振分束棱鏡3、樣品池及磁光調(diào)制器4、偏振片5、第一光電探測器6、第二光電探測器7、除法放大器8以及微機(jī)處理與顯示單元9組成。A物質(zhì)本身具有自然旋光效應(yīng)，旋光角為0A1，B物質(zhì)不具有自然旋光效應(yīng)；兩種溶 質(zhì)都明顯具有法拉第磁旋光效應(yīng)且磁旋光方向相反，則偏振光經(jīng)過溶液后總的旋光角度為其中0A1 = a.c.d，0 A = VAdB0sin cot, 0 B = VBdB0sin co t,在不考慮各種吸收與表面反射的情況下，光電探測器6的接收光強(qiáng)為1 = I01sin2 ( e A1+1 e A- 0 BI)，設(shè)除法放大器8的放大倍數(shù)為m，則除法放大器輸出的相對探測光 強(qiáng)為1' =m. (I/I。2) =m. cot2a sin2(0A1+| 0A-eB|)(7)對于一個特定系統(tǒng)而言，m和a已知。由于是交流調(diào)制，因此，不管0 A1與| e A-e B 的方向一致還是相反，由(7)式可知總有最大光強(qiáng)點(diǎn)對應(yīng)于(eA1+| eA-eB|)，因此由微機(jī) 處理及顯示單元9讀出最大光強(qiáng)值可以求出(eA1+| eA-eB|)的大小。而當(dāng)調(diào)制信號相位 角為o時，即sincot = o時，得到的光強(qiáng)值對應(yīng)于e A1，此時可以確定A溶質(zhì)的濃度cA，同時 通過計算知道I eA-eB|的大小。由于04與相，為將絕對值符號去掉以便計算eB， 此時去掉磁場，旋轉(zhuǎn)偏振片5至消光位置，然后再施加直流磁場，由于A、B物質(zhì)的磁旋光反 向且磁旋光方向可以事先知道，因此再旋轉(zhuǎn)偏振片5至消光位置，通過前后兩次消光位置 的移動方向即可判斷出9,與相對大小，從而可以將絕對值符號去掉。由A物質(zhì)的濃 度可以確定A物質(zhì)的磁旋光角度eA，最后得出eB的大小，從而求出B物質(zhì)的濃度。至此， A、B兩種溶質(zhì)的濃度即被分別檢測。
權(quán)利要求
一種兩種溶質(zhì)透明混合溶液濃度檢測裝置，其特征在于該檢測裝置包括半導(dǎo)體激光器(1)、偏振相關(guān)光隔離器(2)、薄膜偏振分束棱鏡(3)、樣品池及磁光調(diào)制器(4)、偏振片(5)、第一光電探測器(6)、第二光電探測器(7)、除法放大器(8)以及微機(jī)處理及顯示單元(9)；半導(dǎo)體激光器(1)的激光輸出通過偏振相關(guān)光隔離器(2)薄膜偏振分束棱鏡(3)送入樣品池及磁光調(diào)制器(4)的輸入端和第二光電探測器(7)的輸入端，樣品池及磁光調(diào)制器(4)的輸出端通過偏振片(5)送入第一光電探測器(6)的輸入端，第一光電探測器(6)和第二光電探測器(7)的輸出端接除法放大器(8)的輸入端，除法放大器(8)的輸出端接微機(jī)處理及顯示單元(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩種溶質(zhì)透明混合溶液濃度檢測裝置，其特征在于樣品池及 磁光調(diào)制器(4)中，樣品池采用透明圓柱狀玻璃管制成，樣品池設(shè)有進(jìn)液口和出液口 ；磁光 調(diào)制器采用螺線管，給螺線管通以交流電從而產(chǎn)生交變磁場；樣品池置于螺線管中心軸線 位置，樣品池及螺線管的軸線與入射光線平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩種溶質(zhì)透明混合溶液濃度檢測裝置，其特征在于第一光電 探測器(6)、第二光電探測器(7)采用型號、性能均相同的光電探測器。
全文摘要
兩種溶質(zhì)透明混合溶液濃度檢測裝置，由半導(dǎo)體激光器(1)、偏振相關(guān)型光隔離器(2)、薄膜偏振分束棱鏡(3)、樣品池及磁光調(diào)制器(4)、偏振片(5)、光電探測器(6、7)、除法放大器(8)以及微機(jī)處理與顯示單元(9)組成。該裝置檢測原理簡單，器件制作相對容易；采用信號除法放大系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的檢測靈敏度，同時消除光源發(fā)光功率不穩(wěn)定帶來的不利影響；采用非侵入式的檢測方法，對溶液無污染；利用微機(jī)處理與繪圖顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時、自動檢測；該技術(shù)將在兩種溶質(zhì)透明混合溶液濃度檢測中獲得較好的應(yīng)用前景。
文檔編號G01N21/21GK101852721SQ201010175869
公開日2010年10月6日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者梁忠誠, 沈驍 申請人:南京郵電大學(xué)