专利名称：一种盐水浓度测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种液体盐度的测量装置，尤其涉及一种基于差动折射率检测原理的盐水浓度测量装置。
目前，国内外提出过一些盐水浓度的测量方法。如西安交通大学(金援越，陈钟颀，王启杰.测量太阳池盐浓度的激光光纤技术.太阳能学报.1994，Vol.15，No.2198-200)利用一个简单的U型的多模塑料光纤探头，基于光在不同折射率介质中的传播特性不同的原理，来测量太阳池的盐水密度。系统结构简单、体积�。菀资迪衷谙叩淖远饬亢驮毒嗬氲男藕糯洌怯捎诼懵兜墓庀讼诵局苯咏哟ケ徊庖禾澹诠庀擞氪庖禾宓慕缑嫒菀仔纬沙恋砦锒苯佑跋觳饬康目煽啃�。本申请人曾提出了“一种海水盐度和温度同时在线检测方法及装置”的专利申请(申请号02117422.9)，其结构包括中心波长是880nm的LED光源、带有自聚焦透镜的入射光纤、具有过滤网膜的立式测量单元(包括测量水槽、盛有蒸馏水的参考水槽、30°～60°放置的倾斜玻璃板、感温反射单元等)、阵列式接收光纤以及CCD光电检测器件等；其主要特点是通过光纤传输发射及接收的光信号、基于差动折射率检测原理和半导体光学吸收原理，通过CCD对信号的分离检测同时可以得到海水盐度和温度信息，其特点是适合于海洋现场远距离实时在线监测，由于采用了阵列光纤及高精度CCD等器件，使其成本比较高。
本实用新型的技术方案如下一种盐水浓度的测量装置，主要包括发光光源，测量单元，数据处理电路，计算机信号处理及显示单元以及给系统供电的电源，所述的测量单元主要由测量水槽、盛有蒸馏水的参考水槽、倾斜的光学透射窗、装在测量水槽内的直角反射棱镜组成，其特征在于在直角反射棱镜反射的光路中依次设有会聚透镜、光电探测器，在光电探测器的光敏面前封装有窄带滤光片，其光电探测器的输出端分别通过两路I/V转换与A/D双路同时采集转换卡的输入端相连，A/D采集卡的输出端与含有软件处理程序的计算机相连。
本实用新型所述的发光光源选用中心波长为633nm的氦氖激光器。所述的光电探测器采用线阵光电位置敏感探测器。
所述的测量单元采用参考水槽在前、测量水槽在后的卧式结构。所述的直角反射棱镜和光电探测器分别装在五维调节架上。
本实用新型提出了一种基于双差动方法、利用不同浓度盐水的折射率不同引起光线的偏移，通过PSD实现光斑位置测量的盐水浓度测量装置，该装置具有如下优点(1)利用光路中的光线代替了作为信号传输通道的光纤，使其成本低、适合在实验室条件下对盐水浓度进行测量；(2)利用PSD双路输出的差动测量方法，减小了光源波动、介质吸收、散射等素对信号光强度的影响；抗干扰能力强、测量稳定性好、实用性强；(3)使用方便、结构简单、实验测试的可视性好；(4)测量灵敏度高、盐水浓度的测量分辨率可达0.02‰。
图2为本实用新型实施中的光电位置敏感器件(PSD)的工作原理图。
图3为本实用新型实施例中PSD输出预处理电路及数据采集系统框图。
图4为本实用新型实施例中的系统数据采集卡校准测量数据。
图5为本实用新型实施例中数据采集卡最小二乘拟合校准曲线的拟合误差。
图6为本实用新型实施例的盐水浓度测量特性的标定曲线。
图7为本实用新型实施例数据处理软件程序流程图。
系统工作时，首先打开电源，启动计算机，氦氖激光光源1发出的红光沿水平方向直射入测量单元，首先经过装有蒸馏水的参考水槽5，经过倾斜放置的光学透射窗2后以一定的折射角度进入测量水槽4，由于两种液体的折射率不同，因此光线会在倾斜光学面处发生光线的折射偏移，再经过直角棱镜3反射，直角棱镜固定在可五维调节的调节架6上，调节反射棱镜的位置及角度，使出射光刚好达到光电位置敏感器件9的中心位置上，最后由光电位置敏感器件(PSD)检测载有盐度信息的光线偏移(接收器光敏面上的光斑位置变化)信号，再由信号处理电路�？�11对光电转换后的信号进行预处理，由计算机信号处理及显示单元12及软件程序实现数据最终处理及显示。测量单元主要可分为两部分，一部分是分别装有参考蒸馏水和待测盐水的水槽，蒸馏水封装在具有45°倾斜的光学透射窗的有机玻璃参考水槽5中，待测的盐水装在测量水槽4中；另一部分是直角反射棱镜3，用于改变光路方向。测量时，需要精确调节装有PSD的五维调节架10，使其光敏面与入射光线垂直，并使光线的偏移方向沿平行于PSD的长轴方向变化。
盐水浓度的测量是基于测量与盐度几乎成正比的光线折射角的变化引起在探测器光敏面上的光斑位置变化来实现的。用具有高分辨率、响应速度快的线阵PSD(GD3191Z)作为敏感器件感受由于折射角变化引起光线的偏移量，其位置分辨率为0.5μm，光谱响应范围为350～1100nm。在实际测量之前，用氯化钠(化学纯)和蒸馏水按标准浓度配制的盐水对系统的测量特性进行标定，然后将标定数据存入计算机中；实际测量时，计算机通过查表的方法将PSD为测得的与盐度相关的光斑位置变化所对应的盐度值显示在计算机屏幕上。图2给出了PSD对光斑位置信号的测量原理，PSD由P层、I层、N层三层结构组成，在P层的两端各有一个输出电极21和22，在N层的基地处有一个公用电极23，由公用电极给PSD提供一个偏置电压VR，当光线20照射在P层某个位置上时，在PSD的两极就会有光生电流I0产生，其两路输出电流信号I1和I2由图3的电路和数据采集系统处理后，由计算机软件进行运算处理。
图4给出了系统数据采集卡的校准实验测试曲线，校准是通过给A/D采集系统输入从小到大的标准电压，通过采集卡采集标准电压、校准，可以避免采集卡的非线性和零点输出电压对测量的影响。
图5给出了采集卡测量数据与最小二乘拟合曲线之间的偏差。图6是装置对于盐水浓度测量特性的标定曲线。从这些曲线，我们可以看出，装置的数据采集误差在0.03％之内，盐水浓度测量的灵敏度可达盐度每变化1‰，PSD有25μm的输出，而PSD位置分辨率为0.5μm，可以估计出盐水浓度测量的分辨率可达0.02‰。
图7为数据处理软件流程图，测量开始后，首先对经过I/V转换后的由PSD输出的两路信号进行采集，每个测量点采集30个数据，然后利用“剔除粗大误差的算法”对测量数据进行处理，剔除由于偶然误差引起的具有粗大误差的数据，然后将剩余的数据取平均值作为被测值，经过上述处理的两路信号经过差和比运算，就可以得到与盐度变化成正比的光线偏移量值，这里采取的是同路采集处理的方式，以消除一些共模因素引起的测量误差；然后通过查表的方法，利用实现标定好的光线偏移量——盐度关系，就可以在计算机屏幕上显示测量结果。
权利要求1.一种盐水浓度测量装置，主要包括发光光源，测量单元，数据处理电路，计算机信号处理及显示单元以及给系统供电的电源，所述的测量单元主要由测量水槽、盛有蒸馏水的参考水槽、倾斜的光学透射窗、装在测量水槽内的直角反射棱镜组成，其特征在于在直角反射棱镜反射的光路中依次设有会聚透镜、光电探测器，在光电探测器的光敏面前封装有窄带滤光片，其光电探测器的输出端分别通过两路I/V转换与A/D双路同时采集转换卡的输入端相连，A/D采集卡的输出端与含有软件处理程序的计算机相连。
2.按照权利要求1所述的盐水浓度测量装置，其特征在于所述的发光光源选用中心波长为633nm的氦氖激光器。
3.按照权利要求1或2所述的盐水浓度测量装置，其特征在于所述的光电探测器采用线阵光电位置敏感探测器。
4.按照权利要求3所述的测量装置，其特征在于所述的测量单元采用参考水槽在前、测量水槽在后的卧式结构。
5.按照权利要求1所述的盐水浓度测量装置，其特征在于所述的直角反射棱镜和光电探测器分别装在五维调节架上。
专利摘要一种盐水浓度测量装置，主要由氦氖(HeNe)激光光源、参考水槽、测量水槽、直角反射棱镜、倾斜光学透射窗、会聚透镜、窄带滤光片、光电位置敏感器件(PSD)、数据处理电路以及计算机信号处理与显示单元组成。该装置通过测量蒸馏水和具有一定浓度的盐水的折射率差引起的入射光线偏移来实现盐度测量，避免了盐度测量受温度漂移的影响问题；同时利用PSD双路输出的差动测量方法，减小了光源波动、介质吸收、散射等因素对信号光强度的影响；采用滤光片将环境杂散光滤除，减小环境杂散光波动的影响。本装置实用性强、成本低、盐度测量分辨率可达0.02‰，可用于海洋、石油、化工等领域中的液体浓度测量和化学分析等领域。
文档编号G01N21/41GK2551992SQ0224051
公开日2003年5月21日 申请日期2002年6月14日 优先权日2002年6月14日
发明者赵勇, 廖延彪 申请人:清华大学
专业数控铣床产品供应商
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