本發(fā)明涉及光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于布儒斯特定律的溶液濃度監(jiān)測方法及裝置。

背景技術(shù)：

目前光學(xué)測量技術(shù)已經(jīng)相當成熟，在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。對于溶液濃度的在線監(jiān)測在化工、醫(yī)藥、飲料、造紙、食品等領(lǐng)域中有著重要的意義，是保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)手段，現(xiàn)在國內(nèi)還沒有采用基于布儒斯特定律實現(xiàn)監(jiān)測溶液濃度的儀器設(shè)備。目前，溶液濃度的測量主要采用以下幾種方法：

(1)蒸發(fā)分離法。取部分溶液并測量其質(zhì)量，加熱蒸發(fā)掉水分后，測量剩下的溶質(zhì)的質(zhì)量，計算出溶液的質(zhì)量百分比濃度。

(2)利用旋光儀測量溶液濃度。當線偏振光通過旋光性溶液時，偏振光的振動方向會轉(zhuǎn)過一定角度，這個角度稱為旋光度，它與偏振光通過溶液的長度及旋光性物質(zhì)的濃度成正比。

(3)利用不同濃度的溶液對光的折射率不同的特性，通過光電探測器接收折射光信號的強弱來計算溶液濃度值。也可基于全反射原理的掠入射法，用阿貝折射儀測量透明溶液的折射率。

(4)吸光光度法。對于較稀的溶液，吸光度和濃度成正比，由比爾-朗伯定律得出二者關(guān)系。

(5)利用溶液的電化學(xué)性質(zhì)，通過測量電學(xué)參量再轉(zhuǎn)化成濃度值。此外，也還有用浮球法測量溶液的比重再換算成溶液濃度等。

以上幾種方法的缺點主要有：

(1)對待測溶液的限制多，不能測量具有揮發(fā)性和加熱分解的溶液，耗費時間長，對低濃度的溶液測量誤差大。

(2)待測溶液必須具有旋光性質(zhì)。

(3)需要在溶液中插入傳輸折射光信號裝置，最后使折射光被探測器接收，光路設(shè)計復(fù)雜。不能用阿貝折射儀測量折射率大于折光棱鏡折射率的溶液。此外，使用儀器前要檢查折射棱鏡和標準塊的光學(xué)面清凈，每次更換樣品要擦拭干凈，還要防止氣泡進入待測溶液中。

(4)溶液要保持透光狀態(tài)，光線始終垂直穿過待測溶液，吸光物質(zhì)為均勻非散射體系，儀器裝置成本較高。

(5)電化學(xué)法與溶液導(dǎo)電性能有關(guān)。浮球法需要合適的浮球和高精度重量傳感器，并且測量過程中保持浮球相對穩(wěn)定。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于布儒斯特定律的溶液濃度監(jiān)測方法，利用線偏振光照射待測溶液，可監(jiān)測多種性質(zhì)溶液的濃度，方法簡單且可操作性強。

本發(fā)明的另一目的是提供一種基于布儒斯特定律的溶液濃度監(jiān)測裝置，產(chǎn)生線偏振光并照射待測溶液，用讀數(shù)裝置測得線偏振光與水平方向的銳角夾角，計算得出溶液的濃度，裝置的成本較低，測量精準度更高。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案是：

一種基于布儒斯特定律的溶液濃度監(jiān)測方法，所述方法包括：獲取待測溶液樣品；產(chǎn)生線偏振光；使線偏振光照射到溶液樣品的表面發(fā)生反射和折射，接收并觀察反射光；調(diào)節(jié)線偏振光入射到液面的角度，當反射光消失時，測量并記錄此時線偏振光與水平方向的夾角，即消光角度；根據(jù)布儒斯特定律，求出溶液折射率；由溶液折射率和濃度的關(guān)系計算得出溶液樣品的濃度。

進一步的，所述根據(jù)布儒斯特定律求出溶液折射率的方法為，所述消光角度與布儒斯特角互為余角，利用布儒斯特角與分界面周圍的兩種介質(zhì)折射率的關(guān)系計算得出溶液的折射率。

進一步的，所述由溶液折射率和濃度的關(guān)系計算得出溶液樣品的濃度的方法為，建立溶液折射率與濃度的對應(yīng)關(guān)系的理論模型，即通過測量不同的已知濃度溶液的消光角度，計算出對應(yīng)的折射率，利用origin擬合線性或非線性曲線，得到該溶液樣品折射率與濃度的關(guān)系式，再以該關(guān)系式為依據(jù)，計算出某折射率下待測溶液的濃度。

一種實施上述基于布儒斯特定律的溶液濃度監(jiān)測方法的裝置，包括樣品池、激光源、轉(zhuǎn)動讀數(shù)裝置和接收裝置；所述樣品池為無蓋容器，用于盛放待測溶液樣品，樣品池一側(cè)的上方放置激光源，相對的另一側(cè)放置用于接收并檢測反射光的接收裝置；所述激光源固定在轉(zhuǎn)動讀數(shù)裝置上，跟隨轉(zhuǎn)動讀數(shù)裝置在豎直面內(nèi)連續(xù)轉(zhuǎn)動；所述轉(zhuǎn)動讀數(shù)裝置標有與水平方向夾角的刻度線，包括主刻度盤和游標盤，主刻度盤分為360°，最小刻度值為30'，游標盤有30個分格，最小分度值為1'；通過調(diào)整轉(zhuǎn)動讀數(shù)裝置，改變激光入射的角度，當接收裝置檢測到待測溶液反射的線偏振光剛好消失時，此時轉(zhuǎn)動讀數(shù)裝置的讀數(shù)為激光器與水平方向的夾角α，即消光角度。

進一步的，所述激光源包括激光器、套筒、旋轉(zhuǎn)盤和起偏器，所述激光器的輸出端連接有套筒，所述套筒內(nèi)嵌有旋轉(zhuǎn)盤，旋轉(zhuǎn)盤中心處設(shè)有圓孔，圓孔處固定有可360°自由旋轉(zhuǎn)的起偏器，所述起偏器與激光器端面平行。

進一步的，所述旋轉(zhuǎn)盤的邊緣0°～180°范圍內(nèi)標有角度刻線，所述角度刻線的精度為1°。

進一步的，所述轉(zhuǎn)動讀數(shù)裝置包括讀數(shù)裝置和轉(zhuǎn)動裝置，所述讀數(shù)裝置包括主刻度盤、游標盤、容柵傳感器、液晶屏；所述容柵傳感器包括動?xùn)藕挽o柵，所述動?xùn)殴潭ㄔ谟螛吮P上，所述靜柵固定在主刻度盤上；所述容柵傳感器測量激光器與水平方向的銳角夾角后，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的信號處理，再通過液晶屏實時顯示。

進一步的，所述轉(zhuǎn)動裝置包括蝸輪、蝸桿、齒輪結(jié)構(gòu)、編碼器、電動機和控制面板，所述蝸桿為圓柱蝸桿傳動，蝸輪和蝸桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)一級減速，蝸輪和齒輪結(jié)構(gòu)實現(xiàn)二級減速；所述齒輪結(jié)構(gòu)包括大齒輪和小齒輪，所述大齒輪通過低速軸與激光源、游標盤相連，所述編碼器用于控制電動機的起始位置及轉(zhuǎn)動方向，所述控制面板用于控制電動機的工作狀態(tài)；所述轉(zhuǎn)動裝置中還設(shè)有抱閘，用于鎖死低速軸。

進一步的，所述的接收裝置為白屏，材料為白紙板、白塑料板或者白鐵板。

進一步的，所述接收裝置為ccd光強分布測量儀，由計算機實時采集數(shù)據(jù)，實時檢測接收的反射光束相對光強變化。

由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的一種基于布儒斯特定律的溶液濃度監(jiān)測方法及裝置，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)勢在于：對待測溶液性質(zhì)的局限性小，可實現(xiàn)溶液濃度的實時、在線監(jiān)測，易于實施，操作簡單，讀數(shù)方便，誤差小，儀器設(shè)備成本低，系統(tǒng)穩(wěn)定，可重復(fù)性強。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種基于布儒斯特定律的溶液濃度監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明的激光源的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的讀數(shù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的轉(zhuǎn)動裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的容柵旋轉(zhuǎn)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為光以布儒斯特角照射到溶液表面發(fā)生反射與折射示意圖；

圖7為nacl溶液濃度與折射率的關(guān)系圖；

圖中：1-激光源；2-轉(zhuǎn)動讀數(shù)裝置；3-樣品池；4-接收裝置；5-入口；6-出口；7-塞子；8-激光器；9-套筒；10-旋轉(zhuǎn)盤；11-起偏器；12-主刻度盤；13-游標盤；14-容柵傳感器；15-液晶屏；16-蝸桿；17-蝸輪；18-小齒輪；19-大齒輪；20-低速軸；21-抱閘；22-高速軸；23-電動機；24-編碼器；25-控制面板；26-動?xùn)牛?7-靜柵；28-發(fā)射極；29-屏蔽極；30-接收極；31-反射極。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

實施例1：

如圖1至圖7所示，為本發(fā)明的一種基于布儒斯特定律的溶液濃度監(jiān)測方法的裝置結(jié)構(gòu)，包括樣品池3、激光源1、轉(zhuǎn)動讀數(shù)裝置2和接收裝置4。

其中樣品池3為無蓋容器，用于盛放待測溶液樣品，樣品池3一側(cè)的上方放置激光源1，相對的另一側(cè)放置用于接收并檢測反射光的接收裝置4。其中樣品池3的側(cè)壁上設(shè)有入口5，底部設(shè)有出口6，出口處還設(shè)有塞子7，塞子7用來在不需要溶液流出時堵住出口6。若待測溶液具有腐蝕性，需將樣品池3、入口5、出口6、塞子7設(shè)置為抗腐蝕材料。因此，本發(fā)明提供的基于布儒斯特定律測定溶液濃度的在線監(jiān)測裝置能在腐蝕性等惡劣條件下使用，增強了溶液濃度的測量對象范圍。

其中激光源1固定在轉(zhuǎn)動讀數(shù)裝置2上，跟隨轉(zhuǎn)動讀數(shù)裝置2在豎直面內(nèi)連續(xù)轉(zhuǎn)動。其中轉(zhuǎn)動讀數(shù)裝置2標有與水平方向夾角的刻度線，包括主刻度盤12和游標盤13，主刻度盤12分為360°，最小刻度值為30'，游標盤13有30個分格，最小分度值為1'。通過調(diào)整轉(zhuǎn)動讀數(shù)裝置2，改變激光入射的角度，當接收裝置4檢測到待測溶液反射的線偏振光剛好消失時，此時轉(zhuǎn)動讀數(shù)裝置2的讀數(shù)為激光器8與水平方向的夾角α，即消光角度。

其中激光源1包括激光器8、套筒9、旋轉(zhuǎn)盤10和起偏器11，激光器8的輸出端連接有套筒9，所述套筒9內(nèi)嵌有旋轉(zhuǎn)盤10，旋轉(zhuǎn)盤10中心處設(shè)有圓孔，圓孔處固定有可360°自由旋轉(zhuǎn)的起偏器11，所述起偏器11與激光器8端面平行。激光經(jīng)起偏器11后得到線偏振光，線偏振光入射到樣品池3的液面發(fā)生反射和折射，其中反射光照射到接收裝置4上。

其中旋轉(zhuǎn)盤的邊緣0°～180°范圍內(nèi)標有角度刻線，所述角度刻線的精度為1°。

其中轉(zhuǎn)動讀數(shù)裝置2包括讀數(shù)裝置和轉(zhuǎn)動裝置，其中讀數(shù)裝置包括主刻度盤12、游標盤13、容柵傳感器14、液晶屏15；所述容柵傳感器14包括動?xùn)?6和靜柵27，所述動?xùn)?6固定在游標盤13上，所述靜柵27固定在主刻度盤12上；所述容柵傳感器14測量激光器8與水平方向的銳角夾角后，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的信號處理，再通過液晶屏15實時顯示。

其中容柵旋轉(zhuǎn)傳感器14的動?xùn)?6包括發(fā)射極28、屏蔽極29和接收極30，靜柵27包括屏蔽極29和反射極31；動?xùn)?6的接收極30獲取的信號輸送到集成電路中處理，輸出信號相對于發(fā)射極28激勵信號反映出旋轉(zhuǎn)角度的相位差，即將機械旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕南辔蛔兓俊?/p>

其中轉(zhuǎn)動裝置包括蝸輪17、蝸桿16、齒輪結(jié)構(gòu)、編碼器24、電動機23和控制面板25，所述蝸桿16為圓柱蝸桿傳動，蝸輪17和蝸桿16結(jié)構(gòu)實現(xiàn)一級減速，蝸輪17和齒輪結(jié)構(gòu)實現(xiàn)二級減速；所述齒輪結(jié)構(gòu)包括大齒輪19和小齒輪18，所述小齒輪18為設(shè)置在蝸輪17上面的同心小齒輪，其轉(zhuǎn)軸為高速軸22，大齒輪19的轉(zhuǎn)軸為低速軸20；所述大齒輪19通過低速軸20與激光源1、游標盤13相連，所述編碼器24用于控制電動機23的起始位置及轉(zhuǎn)動方向，可設(shè)置水平角度即0°0'時為起始點，通過控制面板25的控制，轉(zhuǎn)動裝置自動回到水平位置，編碼器24還可以通過編程實現(xiàn)轉(zhuǎn)動裝置的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。所述控制面板25用于控制電動機23的工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)動裝置中還設(shè)有抱閘21，在控制面板25按下相應(yīng)的控制按鍵時，鎖死低速軸20，所述轉(zhuǎn)動裝置停止轉(zhuǎn)動。

其中接收裝置4為白屏，材料為白紙板、白塑料板或者白鐵板。

其中接收裝置4為ccd光強分布測量儀，由計算機實時采集數(shù)據(jù)，實時檢測接收的反射光束相對光強變化，其核心是線陣ccd器件，線陣ccd豎直放置，方便接收高度變化的反射光束，分辨率高，能動態(tài)瞬時采集數(shù)據(jù)，光敏元素為2700個，光敏元尺寸為11×11μm，光敏元中心距為11μm，光譜響應(yīng)范圍為0.3～0.9μm，ccd的終端顯示連接計算機，在計算機顯示器上移動鼠標時，標志線x值為相對光強曲線上對應(yīng)的ccd器件上的第幾個光電二極管，采集到的相對光強圖的左側(cè)欄為光敏元接收到的相對光強值。

該裝置的操作方法為：將激光器8調(diào)節(jié)為水平方向，打開激光器8電源，旋轉(zhuǎn)起偏器11，肉眼觀察白屏上的反射光亮度是否有變化，或者利用ccd光強分布測量儀檢測反射光亮度是否有變化；調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動讀數(shù)裝置2，將激光器8放置于合適角度使線偏振光入射到樣品池3中，調(diào)節(jié)接收裝置4高度和位置，使液面反射光照射到接收裝置4上。手動或者自動調(diào)整轉(zhuǎn)動裝置2，改變線偏振光入射到溶液表面的角度，同時旋轉(zhuǎn)起偏器11，反復(fù)調(diào)節(jié)，觀察白屏的光強變化，當觀察到反射光剛好消失時，或者ccd光強分布測量儀檢測到反射光相對光強最小時，記錄此時激光器8與水平方向的銳角夾角，即消光角度α。重復(fù)測量若干次，求出α的平均值。

根據(jù)布儒斯特定律求出溶液折射率的方法，即所述銳角夾角α與布儒斯特角互為余角，利用布儒斯特角與分界面周圍的兩種介質(zhì)折射率的關(guān)系計算得出溶液的折射率。具體推導(dǎo)及計算過程如下：

當投射到液面上的入射角為布儒斯特角時，不管入射光的偏振狀態(tài)如何，反射光為電矢量振動方向垂直于入射面的線偏振光，如圖6所示，與分界面周圍的兩種介質(zhì)折射率滿足如下關(guān)系

其中，n'為空氣折射率，n為待測溶液折射率。一般地，空氣的折射率取1，則式(1)簡化為

當起偏器的偏振方向旋轉(zhuǎn)到與反射光電矢量振動方向垂直時，液面反射光消失，激光器與水平方向的銳角夾角為α，線偏振光入射到液面上的入射角為θ，根據(jù)幾何光學(xué)，得到

θ＝90°-α(3)

式(1)～(3)中，θ即為則有待測溶液折射率為

n＝tan(90°-α)(4)

由溶液折射率和濃度的關(guān)系計算得出溶液樣品的濃度的方法為，建立溶液折射率與濃度的對應(yīng)關(guān)系的理論模型，即通過測量不同的已知濃度溶液的消光角度，計算出對應(yīng)的折射率，利用origin擬合線性或非線性曲線，得到該溶液樣品折射率與濃度的關(guān)系式，再以該關(guān)系式為依據(jù)，通過測量待測溶液的消光角度，計算出溶液樣品的濃度。如圖7所示，本實施例以nacl溶液為例，取6種不同的已知濃度溶液，利用上述裝置分別測量這些溶液樣品的消光角度，計算其對應(yīng)的折射率，結(jié)果如下表所示。

表1消光角度α隨nacl溶液濃度c變化表

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)作溶液折射率n和濃度c的關(guān)系圖，利用origin擬合曲線如圖7所示。由圖7發(fā)現(xiàn)溶液濃度c與折射率n近似成線性關(guān)系，該溶液樣品折射率與濃度的關(guān)系式為

c＝535.41654n-713.76419(5)

若式(5)中c為10，則表示濃度為10％。該擬合方程的相關(guān)系數(shù)r＝0.99983，溶液濃度與折射率顯著線性相關(guān)，線性擬合方程有意義。再以該關(guān)系式為依據(jù)，計算出某折射率下待測溶液的濃度。

表2濃度為8％和18％的nacl溶液的消光角度α測量數(shù)據(jù)表

由表2數(shù)據(jù)得出，對于8％的nacl溶液，當液面反射光消失時，激光器與水平方向的夾角平均值為

同理，對于18％的nacl溶液，當液面反射光消失時，激光器與水平方向的夾角平均值為

由式(4)得出這兩種濃度的nacl溶液的折射率分別為

根據(jù)nacl溶液折射率與濃度的對應(yīng)關(guān)系的理論模型，即式(5)計算出以上兩種濃度的nacl溶液的濃度實驗值分別為

c1＝535.41654n1-713.76419＝535.41654×1.34781-713.76419＝7.88單位為：％

c2＝535.41654n2-713.76419＝535.41654×1.36683-713.76419＝18.06單位為：％

二者相對誤差分別為

上述各實施例可在不脫離本發(fā)明的保護范圍下加以若干變化，故以上的說明所包含及附圖中所示的結(jié)構(gòu)應(yīng)視為例示性，而非用以限制本發(fā)明申請專利的保護范圍。