专利名称：液体浓度检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用于检测液体浓度的装置。
背景技术：
液体浓度是液体物质的一个非常重要的物理参数，在化工、饮料、酿酒、医药等行业的 生产中以及在一些科学研究中，经常需要测量液体中特定物质的浓度，因此，液体浓度的精 确检测尤为重要。
测量液体浓度有很多方法，传统的方法有比重法、旋光法、分光光度法、超声波法和折 射率法。比重是指相同条件下，液体质量与相同体积的蒸馏水的质量比，比重法虽然精度较 高，但是比较麻烦，要采用分析天平称几次；旋光法是检测偏振光光强的变化规律，需要不 同成分具有不同的旋光性，且测量精度不高；分光光度法是检测透光率，灵敏度也不够高； 超声波利用超声波声速和液体密度、粘度的关系达到检测的目的，具有精度高的优点，但是 重量大、不易移动；已有的折射率法比较典型的是基于全反射的阿贝折射仪，具有很高的折 射率检测精度，能达到2xl0"4，但是阿贝折射仪测量液体的折射率范围较窄， 一般仅为 1.3-1.7。
实用新型内容
本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种测量精度高、测量过程 快速方便、具有较宽折射率检测范围的基于折射率法的液体浓度检测装置。 本实用新型解决技术问题采用如下技术方案
本实用新型液体浓度检测装置的结构特点是设置具有透光盖板的密闭容器，透光或半透 光液体充满密闭容器，在密闭容器中固定设置反光板；反光板上的投射光束来自于容器外部 的投射光源，反光板上的反射光束穿过容器内液体和透光盖板，由设置在密闭容器的外部、 位于反射光束的光路上的光学接收器所接收，以光学接收器检测的反射光束投射在其上的光 斑位置信号为检测信号。
本实用新型液体浓度检测装置的结构特点也在于
来自于投射光源的投射光束垂直于透光盖板。
反光板与透光盖板呈不为零的夹角。
投射光源为聚焦激光束。
光学接收器为位移传感器PSD或一维线阵电荷藕合器件CCD。 密闭容器为恒温容器。利用本实用新型装置进行液体浓度检测的方法是按如下步骤进行
a、 在密闭容器中注入己知折射率为",的基准液体，由光学接收器检测并记录投照在其 上的基准光斑位置信息；
b、 置换密闭容器中的基准液体为被测液体，相同条件之下，由光学接收器检测并记录 投照在其上的被测光斑位置信息；
c、 比较基准光斑位置信息与被测光斑位置信息，获得由于基准液体与被测液体折射率 的不同而带来的光斑位置的偏移量Ad，所述光斑位置的偏移量Ad与基准液体和被测液体的 折射率差值Aw,具有一一对应的线性关系，因而获到被测液体折射率^ =w,
d、 根据折射率":与液体浓度一一对应的关系，获得与测得的液体折射率w,'相对应的液 体浓度。
与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在
1、 本实用新型通过采用具有微米甚至亚微米位移分辨率的光学接收器，可以使装置达 到0.5xl0—4的折射率检测精度；从而能够检测液体浓度的微小变化。
2、 虽然光学接收器的位移量程有限，但本实用新型通过适当选择基准液体，即选择折 射率与被测液体接近的基准液体，可以达到较宽的折射率检测范围，也就能够达到更大范围 的液体浓度检测。
3、 由于密闭容器可以做到几十微升的小容量，因此通过蠕动泵可以快速地将密闭容器 内的基准液体置换成待测液体，可以达到快速检测液体折射率的目的。
图l为本实用新型结构示意图。 图2为本实用新型检测原理示意图。
图3为本实用新型实施的不同浓度乙醇溶液的折射率测试曲线。
图4为本实用新型实施的另一不同浓度乙醇溶液的折射率测试曲线。
图5为系统的最小能够检测的A",和入射角a之间的关系图。
图中标号1投射光源、2透光盖板、3密闭容器、4反光板、5密封圈、6蠕动泵、7 恒温系统、8光学接收器、9信号处理装置、IO投射光束、ll反射光束。 以下通过具体实施方式
，结合附图对本实用新型作进一步描述。
具体实施方式
参见图1、图2，设置具有透光盖板2、由密封圈5对透光盖板2进行密封的密闭容器3， 透光或半透光液体充满密闭容器3，在密闭容器3中固定设置反光板4;反光板4上的投射 光束10来自于容器外部的投射光源1，反光板4上的反射光束11穿过容器内液体和透光盖板2，由设置在密闭容器3的外部、位于反射光束11的光路上的光学接收器8所接收，以 所述光学接收器8检测的反射光束11投射在其上的光斑位置信号为检测信号。
具体实施中，设置来自投射光源1的投射光束10垂直于透光盖板2、反光板4与透光 盖板2呈不为零的夹角，以及投射光源1采用聚焦激光束都可以获得更高的测量精度。
光学接收器8采用位移传感器PSD或一维线阵电荷藕合器件CCD，密闭容器3设置为由 恒温系统7进行恒温控制的恒温容器，保证密闭容器3内的温度恒定在土0.01K。
检测方法按如下步骤进行
a、 在密闭容器3中注入已知折射率为巧的基准液体，由光学接收器8检测并记录投照 在其上的基准光斑位置信息；
b、 在蠕动泵6的带动下，置换密闭容器3中的基准液体为被测液体，相同条件之下，
由光学接收器8检测并记录投照在其上的被测光斑位置信息；
c、 信号处理装置9比较基准光斑位置信息与被测光斑位置信息，获得由于基准液体与
被测液体折射率的不同而带来的光斑位置的偏移量Ac/，光斑位置的偏移量Ad与基准液体和 被测液体的折射率差值A",具有一一对应的线性关系，因而获到被测液体折射率
d、 对于特定的二元混和液体，折射率n;与被测液体的浓度具有一一对应的关系，因此，
根据折射率w:与液体浓度一一对应的关系，即可获得与测得的液体折射率巧'相对应的液体浓 度。
图2示出了本实用新型测量原理如下
由折射率公式",.sina二 .sin"^ .sinz，当被测液体将基准液体置换后，也就是 密闭容器内液体的折射率巧发生了变化，同时密闭容器外部的空气折射率 和透光盖板的折 射率 3不变，而投射光束10是垂直于透光盖板入射，则反射光束11从液体到透光盖板2 的入射角a不变，根据折射率公式可知，出射角^会改变，从透光盖板2到空气的出射角々 也会随之改变，因此，光学接收器8上所接收的投射光束的光斑位置会发生移动，位移量与 补测液体与基准液体的折射率之差一一对应，同时基准液体的折射率为已知，由此可以得到 被测液体的折射率，而对于特定的二元混和液体，其折射率":与浓度具有一一对应的关系， 因此也就获得了被测液体的浓度。
在被测液体与基准液体折射率相差不大时，即~<5%时，假定反射光束ll从透光盖板2到光学接收器8的距离为i，透光盖板2的厚度为A，由于^>50，贝瞎
<formula>formula see original document page 6</formula>
式中A",为被测溶液与基准溶液折射率之差
Ad为反射光束的光斑在光学接收器8上移动的距离。 显然当a^0时，
设被测液体的折射率为w(，假定图2中Ac/为正，贝U:
<formula>formula see original document page 6</formula> (2)
由(l)式可知在L、 "p "2、 a—定的情况下，A",与ZW成线性关系。当Ac/取光学接 收器8的最小位移分辨值时，得到的A^就是系统最小能够检测的液体折射率的变化值。由 于采用的光学接收器8具有微米甚至亚微米的位移分辨率，因此系统具有很高的检测精度。
参见图5，在L、巧、"2—定的情况下，取ZW为光学接收器8的最小位移分辨值时，入 射角a("小于布鲁斯特角)和A巧之间的函数关系。显然入射角"越大，A"i就越�。醇觳� 灵敏度越高。为了提高检测精度，可以通过增大a来达到，但是由于系统本底噪音的存在，
当a达到一定值后，检测灵敏度就不会再有提高。
由(2)式可知虽然光学接收器8的位移量程有限，但通过适当选择基准液体，即选择 折射率与被测液体接近的基准液体，可以达到较宽的折射率检测范围。
在以下实施例1和实施例2中，投射光源1采用/1 = 635"附的聚焦激光束；光学接收器 8采用位移传感器PSD，最小位移分辨率为0. 1微米；恒温系统7将密闭容器3的温度控制
在20 ± 0.01°C ;所用乙醇为无水乙醇(2 99.7%)。
实施例1:
参见图3，基准液体为蒸馏水，检测溶剂为蒸馏水的不同浓度乙醇的折射率，依次检测 体积比浓度为10%、 20%、 30%、 40%、 50%、 60%、 70%、 80%、 90%、 100%的乙醇折射率。 实施例2:
参见图4，基准液体为蒸馏水，检测溶剂为蒸馏水的不同浓度乙醇的折射率，依次检测 体积比浓度为1%、 2%、 3%、 4%和5%的乙醇折射率。
在实施例1和2中，所使用的密闭容器3的体积约为800微升，置换时间大约20分钟， 这与检测被测液体折射率的时间，即图3和图4中曲线平衡的时间大致相当，如果将密闭容 器3的体积做到40微升，可以在2分钟以内将基准液体置换成待测液体，也就是说能在2分钟以内检测出被测液体的折射率。另外，从图3和图4也可以看出，溶剂为蒸馏水的不同
浓度乙醇的折射率";与其浓度具有一一对应的关系，但并非线形关系，实施例i中浓度从
0%-50%时折射率变化值较大，而当其浓度从90%-100%时折射率变化值较小。因此，对溶剂 为蒸馏水的乙醇溶液而言，最佳检测浓度范围在0%-50%，可以检测0.2%甚至更低的浓度变 化。
权利要求1、液体浓度检测装置，其特征是设置具有透光盖板(2)的密闭容器(3)，透光或半透光液体充满密闭容器(3)，在所述密闭容器(3)中固定设置反光板(4)；反光板(4)上的投射光束(10)来自于容器外部的投射光源(1)，反光板(4)上的反射光束(11)穿过容器内液体和透光盖板(2)，由设置在密闭容器(3)的外部、位于反射光束(11)的光路上的光学接收器(8)所接收，以所述光学接收器(8)检测的反射光束(11)投射在其上的光斑位置信号为检测信号。
2、 根据权利要求1所述的液体浓度检测装置，其特征是所述来自于投射光源(1)的投 射光束(10)垂直于透光盖板(2)。
3、 根据权利要求1所述的液体浓度检测装置，其特征是所述反光板(4)与透光盖板(2) 呈不为零的夹角
4、 根据权利要求1或2所述的液体浓度检测装置，其特征是所述投射光源(1)为聚焦 激光束。
5、 根据权利要求l所述的液体浓度检测装置，其特征是所述光学接收器(8)为位移传 感器PSD或一维线阵电荷藕合器件CCD。
6、 根据权利要求1所述的液体浓度检测装置，其特征是所述密闭容器(3)为恒温容器。
专利摘要液体浓度检测装置，其特征是设置具有透光盖板的密闭容器，透光或半透光液体充满密闭容器，在密闭容器中固定设置与透光盖板呈不为零的夹角反光板；反光板上的投射光束来自于容器外部的投射光源，反光板上的反射光束穿过容器内液体和透光盖板，由设置在密闭容器的外部、位于反射光束的光路上的光学接收器所接收，以光学接收器检测的反射光束投射在其上的光斑位置信号为检测信号。本实用新型检测精度高、速度快，具有较宽的折射率检测范围，可用于实时、快速检测液体浓度的微小变化。
文档编号G01N21/41GK201152850SQ20082003093
公开日2008年11月19日 申请日期2008年1月16日 优先权日2008年1月16日
发明者伍小平, 红 刘, 张青川, 凯 李, 渊 黄 申请人:中国科学技术大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
