专利名称：一种液体多参数传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及测量与光学领域，具体涉及一种光学传感器，用于液体的多种参 数的测量。
背景技术：
密度、折射率、浓度、波美度、糖度等相关参数是液体性能的重要指标。这些参数之 间有着线性关系，可以相互换算。这类参数的测量装置被广泛用于国民经济与国防等各个 领域，例如炼油、制药、造纸、食品等等产品生产中的过程监控与品质检测，可以节约成本 并提高品质。下面以密度测量技术为例，作背景技术介绍。液体密度是一个重要的参量，目前已经有许多技术实现了液体密度计量。国内一 直重视对液体密度的计量，但是由于科学技术水平有限，在建国后的一段时期内，测量方法 比较落后。不过，随着国家经济实力的日益强盛，以及科研水平的不断提高，通过对国外部 分技术的学习，发现了很多先进的测量方式并投入了使用。目前，现场使用较多的是浮子式 或振动式的液体密度计，超声波检测法的应用也逐渐增多。浮子式密度计依据阿基米德定律，通过将浸在液体中的浮子位移和浮力变化，变 换成各种电或机械检测信号来测定液体密度。一般可分为漂浮式和全浸式两种。在工农业 生产的初期，这种方法以其简便实用获得了广泛的应用。但是缺点也十分明显，对于漂浮式 浮子法，其受环境温度影响较大，精度和灵敏度非常低。全浸式浮子法虽然所受液体表面张 力影响小，但是实时性差，对液体流速十分敏感。因此，该方法不适合高精度、快流速的测 量。谐振式液体密度传感器应用较为广泛，研究新进展也比较多。其测量原理是通过 谐振子的振动来实现的。谐振子在工作过程中可以等效为一个单自由度系统，系统的固有 频率与系统中的等效质量和弹性系数有关。当系统中的弹性敏感元件和液体相接触时，改 变了系统的等效质量，使得系统的固有频率发生变化，通过测量系统的固有频率来间接获 得密度信息。该原理的敏感元件的使用种类较多，有振动管式、科式质量计式、，音叉式等 等。该方法在液体密度动态测量用得较多，但是，存在检测速度慢，对现场环境要求，维护费 用较高的缺点，它已经成为一种传统低效的测量方法。国外也曾经使用过以上方法，但是其接触式测量方式带来的缺陷已经不能通过改 进设计来实现，这样，非接触式的计量方法也就应运而生，其具有代表性的就是放射线式密 度传感器和超声波液体密度传感器。射线式传感器依据放射性同位素在衰减时会以粒子或波的形式辐射出射线的原 理，当射线穿过介质时，射线强度的变化受介质密度的影响。使用光电倍增管，在测量射线 经过液体后接收射线，依据强度的比例来测量密度。常用的射线是Y射线。这种方式的优 点是不接触待测液体，对流体不会产生阻力，对流量大小无限制，可以测量多相液体浓度。 但是辐射线会对人体造成较大伤害，因此，该方法目前已经很少使用。超声波检测法是新近产生的较先进的测量方法。超声波是频率高于20kHz，其传播的速度、频率、相位及衰减度在液体中传播均受到介质性质的影响。目前经常利用的是声阻 抗和超声速度与液体密度的关系来测量。这种方法优点是实现了非接触测量，响应快，测量 精度高，无放射性，测量稳定性好，但是液体中的杂质，如气泡等可引起超声波信号的严重 衰减，使测量不稳定，另外，液体粘性对精密测量也有很大影响。即便如此，超声波密度检测 的方式以其优越性被称为最有前途的检测方式之一。除了以上几种检测方法，利用光学原理进行液体密度计量是最近主要的研究方 向，目前成果十分显著。光学方法是通过测量光线在液体中传输的信息来间接获得液体的 密度等信息。其特点是探测光路抗电磁干扰性好，对液体影响小，测量精度高，灵敏度高，体 积可设计得非常小，通用性好，可实现在线测量等。不过，其测量范围受到仪器和待测溶液 的限制，而且光学校准复杂。其测量方法多样，如几何光学法、波动光学法、光纤传感法等。几何光学法利用斯涅耳(Snell)原理，通过测量与角度相关信息来获取液体折射 率，根据液体密度与折射率之间的线性关系，进而再将折射率转化为密度信息。在19世纪 60年代阿贝(Abbe)折光计被实用新型之后不到100年里，在该领域产生了一些杰出的对 现代光学测量仪器产生重大影响的测量技术，主要的有阿贝(Abbe)折光法、普尔弗里希 (Pulfrich)折光法、浸入式折光法、最小偏角法和V型棱镜法。这类测量方法原理简单、测 量精确、抗干扰能力强。在20世纪后期，随着半导体技术和电子技术的成熟，利用光学原 理进行液体折射率相关量的自动测量是该领域近年来的研究方向，相关报道较多。波动光学法是使得信号光与参考光之间产生光程差，并让两束光发生干涉产生干 涉条纹，由于光程差与液体折射率有关，其差别就直接反应在条纹的间距上。这种方法继 承了几何光学法的一部分优点，并且灵敏度有较大的提高，但是系统设计复杂，条纹检测困 难。光纤传感技术种类较多，该方法根据利用的原理不同有不同的发展方向，如弯曲 光纤、光纤光栅、光纤端面回波和光纤表面等离子体共振等分支。其共同特点是体积小、灵 敏度高、抗电磁干扰的特点。基于光纤的液体浓度传感器种类繁多。这些系统虽然在结构和 形式上有所不同，但测量原理都是基于光波在光纤表面与液体接触处能量的传输规律。这 类折射率检测光纤传感器系统，根据不同要求通常有两种检测方式，一种是单光路检测，其 结构简单，使用方便，对所用元器件无特殊要求，但是存在着裸露光纤易碎，受粘附杂质和 气泡干扰等问题；一种是双光路检测系统，它可以消除光源漂移、光源抖动、探测器放大器 的温度漂移及非线性等影响，具有精度高、稳定可靠的优点，但要求元器件具有严格的对称 性，这无疑将增加系统复杂性和成本。
发明内容本实用新型的目的在于提出一套基于光学全反射原理的液体多参数传感器，基于 临界角法(Critical Angle Method，简称CAM)来获得液体的折射率，再根据折射率与多种 待测参数的关系准确测量液体密度、折射率和浓度等相关的多种参数，达到高精度、可靠、 实时在线测量液体目的。实现本实用新型的目的所采用的具体技术方案如下一种液体多参数传感器，包括光源照明系统，光学传感头，反射光能量收集装置和 图像采集分析装置，所述光源照明系统产生发散光束，所述的光学传感头包括等腰棱镜和平行平板玻璃，所述发散光束经该光学传感头后被反射，所述反射光能量收集装置包括输 出耦合光学装置和面阵光电器件，用于将从上述反射的光信号转换电信号并输出，所述图 像采集分析装置接收所述电信号，完成图像的采集处理，实现对待测液体各种参数的测量。作为本实用新型的进一步改进，所述等腰棱镜的两个等腰面Sl和S4与空气接触， 等腰棱镜的底面S2与所述平行平板玻璃贴合，该平行平板玻璃下表面与待测液体接触并 形成所述反射界面S3，所述发散光束在该反射界面S3被反射。作为本实用新型的进一步改进，所述的面阵光电器件用于收集二维光信号，可以 为面阵CCD，也可以为面阵CMOS。作为本实用新型的进一步改进，所述光源照明系统包括光源和输入耦合光学系 统，该光源出射的光束通过该输入耦合光学系统后形成发散光束。作为本实用新型的进一步改进，所述输入耦合光学系统包括光纤耦合系统和光 纤，光源出射的光束通过该光纤耦合系统从一端进入光纤，在光纤另一端出射，形成所述的 发散光束。在线液体多参数传感器系统中的测量光束采用发散光束，在测量光学元件与液体 接触界面上，光束形成一个较大面积的光斑，最后光电转换元件——面阵光电器件采集带 有明暗界线的反射光斑图案，这种光学结构可以大大提高系统抗干扰能力。而测量光学元 件采用等腰棱镜和平行平板玻璃，等腰棱镜作用为形成核心测量光路，平行平板玻璃的作 用为可方便密封棱镜，而且起到保护棱镜作用，平行平板玻璃被意外划伤后可以低成本更 换。本实用新型在线液体多参数传感器可以进行实时检测，并且具有精度高、寿命长、抗干 扰能力强等特点。

图1是本实用新型液体多参数传感器系统结构原理图。图2是光源照明系统设计原理图。图3是发散光束在界面处反射示意图。图4是在玻璃和四种不同折射率液体界面上反射率与入射角的关系曲线。图fe是硫酸等折射率和浓度关系曲线。图恥是硫酸折射率以及密度和浓度关系曲线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明。本实用新型主要由四部分组成光源照明系统，光学传感头，反射光能量收集装 置，图像采集分析装置组成。系统原理图如图1所示。其中所述的光源照明系统包括光源1，输入耦合光学系统2，如图2所示；所述光学 传感头包括等腰棱镜3、平行平板玻璃4，该等腰棱镜3的两个等腰面Sl和S4与空气接触， 等腰棱镜3的底面下设置所述平行平板玻璃4，交界面为S2，该平行平板玻璃4位于待测液 体表面上，形成交界面S3 ；所述反射光能量收集装置包括输出耦合光学装置5，面阵光电器 件6。本实用新型在线液体多参数传感器工作原理如下[0031]光源1出射的光束通过输入耦合光学系统2后形成一束发散光束，该发散光束接 着经等腰棱镜3的Sl面从空气中折射进入等腰棱镜3，再接着通过该等腰棱镜3与平行平 板玻璃4的界面S2折射后进入平行平板玻璃4，这些光束在平行平板玻璃4与液体的界面 S3上反射。在界面S3上的反射光线接着通过界面S2折射再次进入等腰棱镜3，然后通过等腰 棱镜3面S4从棱镜3折射进入空气中，最后通过所述输出耦合光学装置5将光束照射在面 阵光电器件感光面上，将光信号转换电信号。所述图像采集分析系统7通过所述电信号完 成图像的采集、图像处理和数据分析，最终给出测量密度值。该传感器的特点是发散光束通过平行平板玻璃4照射在平行平板玻璃4与液体 的界面S3上，形成一个较大面积的光斑，而不是一个聚焦的光点。此光束最后照射在面阵 光电器件上并被接受。如果出现如下情况在长时间使用中，平行平板玻璃面S3小面积被 杂质或小气泡覆盖，此时入射光在该区域是在玻璃与覆盖物界面反射，而不是在玻璃与待 测液体界面反射，与临近区域相比该区域反射光的能量将不同寻常，在面阵光电器件上将 显示为暗斑或亮斑。面阵光电器件可以通过图像处理去掉此暗斑或亮斑，消除这种干扰准 确获得明暗界线位置。本实用新型利用了临界角折光计测量折射率的原理。折光计测量液体折射率是基 于光学全反射原理，也称临界角法。理论和实验结果表明液体折射率与其密度有较强相关 性，液体密度可以通过测量折射率获得。下面将详细论述折光计测量折射率的方法。依据 斯涅耳(Snell)原理，光线自光密介质折射入光疏介质时，折射角大于入射角，且折射角随 入射角的增大而增大，当入射角增大到一定值时，折射角将增大为90度，即折射光将沿两 介质界面折射，此时的入射角称为临界角，记作a。若入射角达到临界角后继续增大，光线 将不再折射入光疏介质，而全部被界面反射回原光密介质，这种现象称为光的全反射。光密 介质折射率一定时，介质临界角由光疏介质折射率唯一确定。图3中，入射光束在界面处能 量重新分布，入射光束中一部分入射角大于α的光线(光线d至i)全部反射而另一部分 入射角小于α的光线(光线a至c)能量部分折射部分反射，在折射(或者反射)方向可 以看到一个明显的明暗界线。反射率曲线明晰地解释这个明暗界线形成的原因。根据斯涅耳(Snell)原理，光 线在任何类型界面处必定发生折射和反射，而且光线的反射率是入射角的函数，见图4。图4中四条曲线描述了光束在玻璃(折射率Ii1为1.5163)和四种不同折射率液 体界面处反射率与入射角的关系。根据全反射条件，临界角α =arcsin(n2/ni)(n2和叫分 别为界面处两种介质的折射率)，依次可以得到四种液体对应的临界角为61. 3°，65. 5°， 70.6°，77. 4°。四条曲线具有一个共同特征，入射角较小时反射率不变，但是随着角度增 加反射率在临界角附近急剧增加。说明光束自光密介质折射入光疏介质时，临界角两侧的 光线反射率(或透射率)相差很大，自然形成一个明显的明暗界线。图3中，入射光束不变和Ii1 一定，n2变化时，α将随着而变化，这个界线因而也将 发生移动。折光计通过获得由于反射(或折射)后的光线形成的这个明暗界线，从而确定 临界角α，依据公式，n2 = Ii1Sina，最终测量到待测光疏介质的折射率η2。人们基于此原理设计了各种测量折射率的仪器，著名的阿贝折光计就是一个代 表。这类系统的特点为系统简单，技术极其成熟，测量精度也很高(一般为0.0002)。随着科学技术的进步，尤其是计算机技术和成像技术，在传统的阿贝折光计的基础上，折光计 向着数字化、智能化和小型化发展。折光计测量液体密度等参数是一种比较成熟的技术法。折射率是光学介质的一种 重要的物理参数，反应了物质的光学基本性质。折射率与介质本身的信息相关，外界条件一 定下，掌握介质折射率的变化情况就可以知道物质的光学性能、密度(或质量浓度等)以及 色散等性质。全反射法测量液体密度正是利用了折射率与液体密度等参数之间特定的关 系，通过折光计测量出的折射率来获得液体密度等多种参数。图5a、5b两组数据分别为美国电子机械公司(The Electron-Machine Corporation)以及瑞士梅特勒-托利多(Mettler-Toledo Group)公司公布的实验数据，这 两组数据都表示了硫酸浓度在60%浓度以下折射率和浓度的关系是成线性关系，这是与理 论结论是一致的。 总而言之，可以利用折光计测量出的液体的折射率，依据经验公式和定标算法，最 终检测出液体的密度等多种参数，从而掌握液体的其它性能。本实用新型可用于在线实时监控大容量开口式铅酸蓄电池的剩余电量，广泛使用 的铅酸蓄电池中电解液主要成分为硫酸。在充放电使用过程中，电池中电解液的密度间接 反映了蓄电池剩余电量。测得硫酸的密度可以知道铅酸蓄电池的剩余电量，这必然会为使 用蓄电池提供便利。更加重要的是，在线检测铅酸蓄电池的电解液密度，对延长电池寿命、 提高电池使用效率有着重要意义。为了准确获得某型蓄电池的剩余电量，在设计前对充放电过程中的蓄电池的剩余 电量、温度、折射率的随时间变化的特性进行详细调研和测试，获得系统定标需要数据，并 确定光学量的测量范围以及影响测量精度的因素。根据系统的原理图以及测量要求，进行 光学系统设计，考虑适度冗余和系统的可扩展性。根据设计的测量光路计算，对于常温下折射率在1. 35的液体，使用通用的面阵光 电器件，中心视场折射率理论分辨率达到了 0. 00008 RI (refractive index,即折射率)。相 当高的分辨率，为传感器测量稳定性和研究开发提供了强有力理论依据。在实际设计实验中，光学系统设计是实现本传感器的核心。根据测量性能以及在 恶劣探测环境下工作的要求，本实用新型在阿贝折光计的基础上，选择了合适的光源、光学 元件、以及探测器，设计并仿真一个新型折光计光路，确保设计的准确性、合理性以及科学 性。根据设计的折光计光路，设计合理的机械结构。对应传感器的三个部分，该机械结 构包括四个部分光源照明系统机械结构，棱镜定位机械结构，反射光收集系统机械结构， 以及外部镜筒的机械结构。这种机械系统结构必须保证实现光学系统设计的性能。在高速图像采集与特征提取方面，采用高精度高速A/D和高度集成FPGA完成图像 的采集和处理，该过程必须合理准确地采集出数字图像，并采取适合的特征提取算法，且测 量速度满足实时要求。液体折射率是受温度的影响的，因此，必须研究合理的温度补偿技术，降低测量的误差。由于光学机构和传感器测量方式的优越性，系统的体积大大减小，外部输出和操 作相对简单，但是内部结构紧凑，高精度图像采集与处理系统与这个极强的酸溶液和大电流工作的蓄电池组合在一起，必须进行仔细的密封设计、防酸设计和电磁兼容设计，保证系 统的可靠性。本实用新型某型样机主要技术与性能指标
序号性能指标1测量范围1. 332 1. 48 RI *
2分辨率0.0001 RI3精度±0.0002 RI4实时性采样时间小于1ms，响应时间小于Is4通用性适用于透明以及半透明等液体5适用温度0^50 0C6々曰洒 ISnLiT^具备温漂补偿功能6电磁兼容性在复杂电磁环境下能正常工作7稳定性能在含有少量杂质(颗粒或油污)、气泡、运动较 为剧烈的液体中正常工作 注*液体密度(浓度、波美度等相关参数)都可统一转换为光学折射率(RI)。设 计玻璃棱镜的结构和材料可以获得所需的测量范围。
权利要求1.一种液体多参数传感器，包括光源照明系统(1，2)，光学传感头(3，4)，反射光能量 收集装置(5，6)和图像采集分析装置(7)，所述光源照明系统(1, 产生发散光束，所述的 光学传感头(3，4)包括等腰棱镜C3)和平行平板玻璃G)，所述发散光束经该光学传感头 (3,4)后被反射，所述反射光能量收集装置(5，6)包括输出耦合光学装置( 和面阵光电器 件(6)，用于将从上述反射的光信号转换电信号并输出，所述图像采集分析装置(7)接收所 述电信号，完成图像的采集处理，实现对待测液体各种参数的测量。
2.根据权利要求1所述的液体多参数传感器，其特征在于，所述等腰棱镜C3)的两个等 腰面与空气接触，等腰棱镜(3)的底面与所述平行平板玻璃(4)贴合，该平行平板玻璃(4) 下表面与待测液体接触并形成反射界面，所述发散光束在该反射界面被反射。
3.根据权利要求1或2所述的液体多参数传感器，其特征在于，所述的面阵光电器件 (6)用于收集二维光信号，可以为面阵CCD，也可以为面阵CMOS。
4.根据权利要求1或2所述的液体多参数传感器，其特征在于，所述光源照明系统(1， 2)包括光源(1)和输入耦合光学系统0)，该光源(1)出射的光束通过该输入耦合光学系 统( 后形成发散光束。
5.根据权利要求4所述的液体多参数传感器，其特征在于，所述输入耦合光学系统(2) 包括光纤耦合系统(8)和光纤(9)，光源(1)出射的光束通过该光纤耦合系统(8)从一端进 入光纤(9)，在光纤(9)另一端出射，形成所述的发散光束。
专利摘要一种液体多参数传感器，包括光源照明系统(1，2)，用于产生小光点的发散光束；光学传感头(3，4)，与待测液体接触并形成反射界面，上述发散光束经该反射界面后被反射；反射光能量收集装置(5，6)，用于将从上述反射的光信号转换电信号，并输出；和图像采集分析装置(7)，用于接收所述电信号，并进而完成图像的采集、图像处理和数据分析，完成对待测液体各种参数的测量。本实用新型的液体多参数传感器可以实时在线检测密度、折射率和浓度等相关的多种参数信息，具有精度高、寿命长、抗干扰能力强等特点。
文档编号G01N9/00GK201926616SQ201020616869
公开日2011年8月10日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者夏珉, 李微, 杨克成, 郭文平 申请人:华中科技大学