專利名稱：液體濃度檢測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及用于檢測液體濃度的裝置。
背景技術：
液體濃度是液體物質的一個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)中以及在一些科學研究中，經(jīng)常需要測量液體中特定物質的濃度，因此，液體濃度的精 確檢測尤為重要。
測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，液體質量與相同體積的蒸餾水的質量比，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；旋光法是檢測偏振光光強的變化規(guī)律，需要不 同成分具有不同的旋光性，且測量精度不高；分光光度法是檢測透光率，靈敏度也不夠高； 超聲波利用超聲波聲速和液體密度、粘度的關系達到檢測的目的，具有精度高的優(yōu)點，但是 重量大、不易移動；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 射率檢測精度，能達到2xl0"4，但是阿貝折射儀測量液體的折射率范圍較窄， 一般僅為 1.3-1.7。

實用新型內(nèi)容
本實用新型是為避免上述現(xiàn)有技術所存在的不足之處，提供一種測量精度高、測量過程 快速方便、具有較寬折射率檢測范圍的基于折射率法的液體濃度檢測裝置。 本實用新型解決技術問題采用如下技術方案
本實用新型液體濃度檢測裝置的結構特點是設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置反光板；反光板上的投射光束來自于容器外部 的投射光源，反光板上的反射光束穿過容器內(nèi)液體和透光蓋板，由設置在密閉容器的外部、 位于反射光束的光路上的光學接收器所接收，以光學接收器檢測的反射光束投射在其上的光 斑位置信號為檢測信號。
本實用新型液體濃度檢測裝置的結構特點也在于
來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。利用本實用新型裝置進行液體濃度檢測的方法是按如下步驟進行
a、 在密閉容器中注入己知折射率為",的基準液體，由光學接收器檢測并記錄投照在其 上的基準光斑位置信息；
b、 置換密閉容器中的基準液體為被測液體，相同條件之下，由光學接收器檢測并記錄 投照在其上的被測光斑位置信息；
c、 比較基準光斑位置信息與被測光斑位置信息，獲得由于基準液體與被測液體折射率 的不同而帶來的光斑位置的偏移量Ad，所述光斑位置的偏移量Ad與基準液體和被測液體的 折射率差值Aw,具有一一對應的線性關系，因而獲到被測液體折射率^ =w,
d、 根據(jù)折射率":與液體濃度一一對應的關系，獲得與測得的液體折射率w,'相對應的液 體濃度。
與已有技術相比，本實用新型有益效果體現(xiàn)在
1、 本實用新型通過采用具有微米甚至亞微米位移分辨率的光學接收器，可以使裝置達 到0.5xl0—4的折射率檢測精度；從而能夠檢測液體濃度的微小變化。
2、 雖然光學接收器的位移量程有限，但本實用新型通過適當選擇基準液體，即選擇折 射率與被測液體接近的基準液體，可以達到較寬的折射率檢測范圍，也就能夠達到更大范圍 的液體濃度檢測。
3、 由于密閉容器可以做到幾十微升的小容量，因此通過蠕動泵可以快速地將密閉容器 內(nèi)的基準液體置換成待測液體，可以達到快速檢測液體折射率的目的。


圖l為本實用新型結構示意圖。 圖2為本實用新型檢測原理示意圖。
圖3為本實用新型實施的不同濃度乙醇溶液的折射率測試曲線。
圖4為本實用新型實施的另一不同濃度乙醇溶液的折射率測試曲線。
圖5為系統(tǒng)的最小能夠檢測的A",和入射角a之間的關系圖。
圖中標號1投射光源、2透光蓋板、3密閉容器、4反光板、5密封圈、6蠕動泵、7 恒溫系統(tǒng)、8光學接收器、9信號處理裝置、IO投射光束、ll反射光束。 以下通過具體實施方式
，結合附圖對本實用新型作進一步描述。
具體實施方式
參見圖1、圖2，設置具有透光蓋板2、由密封圈5對透光蓋板2進行密封的密閉容器3， 透光或半透光液體充滿密閉容器3，在密閉容器3中固定設置反光板4;反光板4上的投射 光束10來自于容器外部的投射光源1，反光板4上的反射光束11穿過容器內(nèi)液體和透光蓋板2，由設置在密閉容器3的外部、位于反射光束11的光路上的光學接收器8所接收，以 所述光學接收器8檢測的反射光束11投射在其上的光斑位置信號為檢測信號。
具體實施中，設置來自投射光源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量精度。
光學接收器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設置為由 恒溫系統(tǒng)7進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。
檢測方法按如下步驟進行
a、 在密閉容器3中注入已知折射率為巧的基準液體，由光學接收器8檢測并記錄投照 在其上的基準光斑位置信息；
b、 在蠕動泵6的帶動下，置換密閉容器3中的基準液體為被測液體，相同條件之下，
由光學接收器8檢測并記錄投照在其上的被測光斑位置信息；
c、 信號處理裝置9比較基準光斑位置信息與被測光斑位置信息，獲得由于基準液體與
被測液體折射率的不同而帶來的光斑位置的偏移量Ac/，光斑位置的偏移量Ad與基準液體和 被測液體的折射率差值A",具有一一對應的線性關系，因而獲到被測液體折射率
d、 對于特定的二元混和液體，折射率n;與被測液體的濃度具有一一對應的關系，因此，
根據(jù)折射率w:與液體濃度一一對應的關系，即可獲得與測得的液體折射率巧'相對應的液體濃 度。
圖2示出了本實用新型測量原理如下
由折射率公式",.sina二 .sin"^ .sinz，當被測液體將基準液體置換后，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^會改變，從透光蓋板2到空氣的出射角々 也會隨之改變，因此，光學接收器8上所接收的投射光束的光斑位置會發(fā)生移動，位移量與 補測液體與基準液體的折射率之差一一對應，同時基準液體的折射率為已知，由此可以得到 被測液體的折射率，而對于特定的二元混和液體，其折射率":與濃度具有一一對應的關系， 因此也就獲得了被測液體的濃度。
在被測液體與基準液體折射率相差不大時，即~<5%時，假定反射光束ll從透光蓋板2到光學接收器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",為被測溶液與基準溶液折射率之差
Ad為反射光束的光斑在光學接收器8上移動的距離。 顯然當a^0時，
設被測液體的折射率為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成線性關系。當Ac/取光學接 收器8的最小位移分辨值時，得到的A^就是系統(tǒng)最小能夠檢測的液體折射率的變化值。由 于采用的光學接收器8具有微米甚至亞微米的位移分辨率，因此系統(tǒng)具有很高的檢測精度。
參見圖5，在L、巧、"2—定的情況下，取ZW為光學接收器8的最小位移分辨值時，入 射角a("小于布魯斯特角)和A巧之間的函數(shù)關系。顯然入射角"越大，A"i就越小，即檢測 靈敏度越高。為了提高檢測精度，可以通過增大a來達到，但是由于系統(tǒng)本底噪音的存在，
當a達到一定值后，檢測靈敏度就不會再有提高。
由(2)式可知雖然光學接收器8的位移量程有限，但通過適當選擇基準液體，即選擇 折射率與被測液體接近的基準液體，可以達到較寬的折射率檢測范圍。
在以下實施例1和實施例2中，投射光源1采用/1 = 635"附的聚焦激光束；光學接收器 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 ;所用乙醇為無水乙醇(2 99.7%)。
實施例1:
參見圖3，基準液體為蒸餾水，檢測溶劑為蒸餾水的不同濃度乙醇的折射率，依次檢測 體積比濃度為10%、 20%、 30%、 40%、 50%、 60%、 70%、 80%、 90%、 100%的乙醇折射率。 實施例2:
參見圖4，基準液體為蒸餾水，檢測溶劑為蒸餾水的不同濃度乙醇的折射率，依次檢測 體積比濃度為1%、 2%、 3%、 4%和5%的乙醇折射率。
在實施例1和2中，所使用的密閉容器3的體積約為800微升，置換時間大約20分鐘， 這與檢測被測液體折射率的時間，即圖3和圖4中曲線平衡的時間大致相當，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)將基準液體置換成待測液體，也就是說能在2分鐘以內(nèi)檢測出被測液體的折射率。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應的關系，但并非線形關系，實施例i中濃度從
0%-50%時折射率變化值較大，而當其濃度從90%-100%時折射率變化值較小。因此，對溶劑 為蒸餾水的乙醇溶液而言，最佳檢測濃度范圍在0%-50%，可以檢測0.2%甚至更低的濃度變 化。
權利要求1、液體濃度檢測裝置，其特征是設置具有透光蓋板(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)中固定設置反光板(4)；反光板(4)上的投射光束(10)來自于容器外部的投射光源(1)，反光板(4)上的反射光束(11)穿過容器內(nèi)液體和透光蓋板(2)，由設置在密閉容器(3)的外部、位于反射光束(11)的光路上的光學接收器(8)所接收，以所述光學接收器(8)檢測的反射光束(11)投射在其上的光斑位置信號為檢測信號。
2、 根據(jù)權利要求1所述的液體濃度檢測裝置，其特征是所述來自于投射光源(1)的投 射光束(10)垂直于透光蓋板(2)。
3、 根據(jù)權利要求1所述的液體濃度檢測裝置，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)權利要求1或2所述的液體濃度檢測裝置，其特征是所述投射光源(1)為聚焦 激光束。
5、 根據(jù)權利要求l所述的液體濃度檢測裝置，其特征是所述光學接收器(8)為位移傳 感器PSD或一維線陣電荷藕合器件CCD。
6、 根據(jù)權利要求1所述的液體濃度檢測裝置，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裝置，其特征是設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自于容器外部的投射光源，反光板上的反射光束穿過容器內(nèi)液體和透光蓋板，由設置在密閉容器的外部、位于反射光束的光路上的光學接收器所接收，以光學接收器檢測的反射光束投射在其上的光斑位置信號為檢測信號。本實用新型檢測精度高、速度快，具有較寬的折射率檢測范圍，可用于實時、快速檢測液體濃度的微小變化。
文檔編號G01N21/41GK201152850SQ20082003093
公開日2008年11月19日 申請日期2008年1月16日 優(yōu)先權日2008年1月16日
發(fā)明者伍小平, 紅 劉, 張青川, 凱 李, 淵 黃 申請人:中國科學技術大學