以視窗玻璃為傳感窗口實時在線測量液體物理參數的裝置制造方法
【專利摘要】一種以視窗玻璃為傳感窗口實時在線測量液體物理參數的裝置，在內裝有液體的容器上設置有視窗玻璃，容器上視窗玻璃外圍設置暗盒，暗盒內設置安裝在支架上的半導體激光器，暗盒的端部設置有通過數據線與計算機相連的CCD攝像頭，其特征在于：在視窗玻璃的外表面附設有成像層，半導體激光器的光出射端上設置有與成像層搭接的自聚焦棒式透鏡，自聚焦棒式透鏡的光軸和CCD攝像頭的中心線與視窗玻璃垂直且位于成像層的中心位置。本發明具有結構簡單、獲得的光學圖像邊界清晰、對比度高、測量范圍廣、測量速度快、精度高，對管道內液體無任何影響等優點，可用于透明液體和半透明液體折射率的在線實時測量。
【專利說明】以視窗玻璃為傳感窗口實時在線測量液體物理參數的裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于光學測量設備或裝置【技術領域】，具體涉及到采用激光測量液體折射率的裝置。
【背景技術】
[0002]不同液體(溶液)的折射率、濃度、密度、糖度、可溶性固形物、比重等是表征不同液或同一液體不同技術特性的重要物理參數。這些參數的測量在化工、石油、煤炭、制藥、生物、食品、飲料、環保、造紙、材料科學以及教育科研等領域具有非常重要的意義。因此上述物理參數精確、快速測量技術的研究，一直是相關領域的熱點問題，并且隨著各種新技術的出現，其新的測量方法與裝置不斷涌現。
[0003]研究表明，同一種液體的上述參數之間在一定的范圍內具有線性關系，并可以相互換算。對于透明或半透明液體，折射率的測量相對于其它物理量的測量更容易實現，在其折射率測定之后，可以通過已有的標準曲線(方程)或標準參數表獲得相應的其它參數，因此屬于光學測量【技術領域】的液體折射率的測量，是獲得其它相關物理參數的關鍵和最有效的方法。
[0004]實驗室中液體折射率大多采用離線測量方法，即將適量的待測液體放置在測量儀器或測量系統中的確定位置，使其構成光路的一部分，再根據相關的光學效應進行測量計算。但常用的阿貝折射儀、SPR測量技術和基于物理光學的干涉、衍射法的液體折射率離線測量技術，由于其儀器結構的復雜性和測量數據獲得的非實時性，無法滿足工業生產過程中相關物理參數實時在線測量的要求。同時在化工、制藥、制糖、飲料、氣體液化、材料制備等領域的工業生產系統中，液體一般都處在封閉系統中，并常處于非常溫、非常壓狀態，或者屬于有毒有害、易燃易爆液體，或者是貴重易揮發液體，因此采用非接觸實時在線檢測技術，是實現生產過程中液體物理參數測量與監控的唯一途徑。
[0005]利用光作用于待測液體時產生的折射和反射現象，實現液體折射率的實時在線測量的非專利技術和專利技術已經很多。發明人所在的課題組發明的專利號為ZL201010118898.4、發明名稱為“液體折射率實時檢測裝置及其在線檢測方法”的中國專利，存在如下不足:其一，屬探頭式測量裝置，即只能進行插入式測量，顯然只適合于敞開式容器內液體物理參數的測量，而在工業生產系統中，液體往往是處在非常溫、非常壓狀態下的管道或容器中，因此無法實現真正的非接觸測量；其二，采用光纖導光和玻璃毛化面對入射光散射，在光成像層上形成的與液體折射率相關的圓形暗斑邊界的對比度和清晰度不高，嚴重地影響了其測量精度。大量的實驗研究發現，主要是由于光纖導光在光成像層中心入射光的強度太小，玻璃毛化面對入射光的散射效果太差，造成圓形暗斑邊界的對比度太低；同時入射光點的大小，決定圓形暗斑邊界的清晰度，而光纖導光的光強度與其出射光點的大小，存在著難以解決的矛盾。上述問題制約著其測量精度的提高。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題在于克服上述專利的缺點，提供一種結構簡單、成本低、測量精度高的以視窗玻璃為傳感窗口實時在線測量液體物理參數的裝置。
[0007]解決上述技術問題所采用的技術方案是:它在視窗玻璃的外表面附設有成像層，半導體激光器的光出射端上設置有與成像層搭接的自聚焦棒式透鏡，自聚焦棒式透鏡的光軸和CXD攝像頭的中心線與視窗玻璃垂直且位于成像層的中心位置。
[0008]本發明的成像層由附設在視窗玻璃外表面上的白色油漆或白色玻璃油墨透射散射層和透射散射層外圍相同材料的光散射成像層構成，透射散射層的直徑為5?8mm,表面附設有透射散射層的視窗玻璃對綠色激光的透射率40%?50 % ;表面附設有光散射成像層的視窗玻璃對綠色激光的光透射率為60%?70 % ;所述的自聚焦棒式透鏡的光出射端與透射散射層的中心搭接。
[0009]由于本發明利用工業管道或容器上常用的視窗玻璃的光學特性，以視窗玻璃為測量窗口和傳感元件，實現了生產過程中處于流動、封閉、非常壓、非常溫狀態下液體多參數的非接觸、無干擾在線實時測量。
[0010]由于本發明采用在視窗玻璃的外表面涂覆的白色油漆層或白色玻璃油墨層構成的成像層，半導體激光器出射的激光束透過成像層中央的透射率較小即厚度較大的透射散射層時，受到透射散射層中大量微米級白色色料顆粒的散射作用，使得激光束通過透射散射層后變為高發散度的點光源，輻射狀的光線穿過視窗玻璃入射到玻璃與待測液體的界面后，符合全反射條件的光線反射到透射散射層外圍透射率較高即厚度較小的光散射成像層上，形成以透射散射層上入射光點為圓心，圖像邊界對比度高的圓形暗斑。透射散射層和光散射成像層構成的成像層，解決了傳統的玻璃毛化面用于光的散射度低、成像邊界模糊的問題。
[0011]本發明采用自聚焦棒式透鏡，將半導體激光器出射的激光束會聚在成像層中央的透射散射層的中心點上，由于自聚焦棒式透鏡的高效聚光功能，使得入射于透射散射層的中心的光點小、光強大，散射后形成的點光源發散度高，在光散射成像層形成的圓形暗斑邊界的清晰度顯著提高。
[0012]本發明具有結構簡單、安裝容易、獲得的光學圖像邊界清晰、對比度高、測量范圍廣、測量速度快、精度高，對管道內液體無任何影響等優點，避免了傳統的插入探頭式測量裝置對管道內或容器內液體的影響和使用中的水密封問題，可用于透明液體和半透明液體折射率的在線實時測量，特別適合于工業生產過程中液體多個物理參數的非接觸在線實時監測。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明實施例1的結構示意圖。
[0014]圖2是本發明實施例1的成像層I結構示意圖。
[0015]圖3是采用本發明測量蒸餾水折射率的圓形暗斑照片。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和實例對本發明進一步詳細說明，但本發明不限于這些實施例。
[0017]實施例1[0018]在圖1中，本實施例的以視窗玻璃9為傳感窗口實時在線測量液體物理參數的裝置由成像層1、自聚焦棒式透鏡2、暗盒3、支架4、CXD攝像頭5、計算機6、半導體激光器7、法蘭盤8、視窗玻璃9聯接構成。
[0019]在內裝有液體的容器10上用法蘭盤8固定安裝有視窗玻璃9，視窗玻璃9為平板狀，視窗玻璃9的外表面涂有成像層1，本實施例的成像層I為白色油漆層，采用噴涂的方法將白色油漆噴涂在視窗玻璃9的外表面，成像層I由位于其中心位置的透射散射層1-1和透射散射層1-1外圍的光散射成像層1-2構成。透射散射層1-1的直徑為6_，表面噴涂透射散射層1-1的視窗玻璃9對綠色激光的透射率40%~50 % ;表面噴涂光散射成像層1-2的視窗玻璃9對綠色激光的光透射率為60%~70 %。這種結構的成像層I中，透射散射層1-1對通過的激光束產生散射作用。
[0020]法蘭盤8上用螺紋緊固聯接件固定聯接有暗盒3，在暗盒3內側壁上用螺紋緊固聯接件固定聯接安裝有支架4，支架4上用螺紋緊固聯接件固定聯接安裝有半導體激光器7，半導體激光器7用于產生激光，半導體激光器7的出光端聯接有自聚焦棒式透鏡2，自聚焦棒式透鏡2的參數是:波長為400~600nm，直徑1.8mm,自聚焦棒式透鏡2的光入射端與半導體激光器7的出光端用光學膠粘接，自聚焦棒式透鏡2的光出射端與透射散射層1-1的中心位置搭接，自聚焦棒式透鏡2的中心線與半導體激光器7的中心線和透射散射層1-1的中心點相重合且垂直于視窗玻璃9。自聚焦棒式透鏡2將激光束在透射散射層1-1中心聚集為光強度高、直徑小的光入射點，提高了與待測液體折射率相關的圓形暗斑圖像邊界的清晰度。
[0021]由半導體激光器7出射的激光束入射于光透射率較小即厚度較大的透射散射層1-1的中心，通過透射散射層1-1時，受到透射散射層1-1中大量微米級白色色料顆粒的散射作用，通過透射散射層1-1后變為高發散度的點光源，輻射狀的光線進入視窗玻璃9并入射到玻璃與待測液體的界面后，符合全反射條件的光線由視窗玻璃9與待測液體的界面反射到透射散射層1-1外圍的光透射率較大的光散射成像層1-2上，在光散射成像層1-2上形成以透射散射層1-1上激光入射點為圓心、直徑大小與容器10內液體折射率相關且圖像邊界對比度、清晰度高的圓形暗斑。在暗盒3的端部用螺紋緊固聯接件固定聯接安裝有CCD攝像頭5，CXD攝像頭5的中心線與自聚`焦棒式透鏡2的光軸相重合。CXD攝像頭5的輸出端通過數據與計算機6相連，CCD攝像頭5將接收到的圖像轉換成電信號并專程數字型號通過數據線輸出到計算機6，計算機6按照事先設定的程序對輸入的信號進行數據處理，計算出被測液體的折射率，顯示出計算結果以及圓形暗斑的圖像。再根據需要，依據已有的不同液體的折射率與濃度、密度等參數的關系曲線或換算表，計算出液體的其它物理參數。
[0022]采用本發明測量容器10內蒸餾水折射率的方法如下:
[0023]在外徑90cm裝有蒸餾水的容器10上安裝石英視窗玻璃9，石英視窗玻璃9的參數為:直徑為80mm、厚度h為5mm、對綠色激光(532nm)的折射率η為1.46007 ;測試中蒸餾水的溫度為25°C。
[0024]根據光散射成像層1-2上形成的以透射散射層1-1上激光入射點為圓心的圓形暗斑的半徑r與容器10中液體的折射率的關系式:
[0025]n, =.......1......."P".................-⑴
Vr 十 4/f[0026]CXD攝像頭5將接收到的圓形暗斑半徑長度信號轉換成數字信號通過數據線傳輸到計算機6，計算機6根據(I)式按照事先設定的程序進行數據處理，計算出被測蒸餾水的折射率為1.33251。
[0027]實施例2
[0028]本實施例中，在視窗玻璃9的外表面涂有成像層1，成像層I為白色油漆層，采用噴涂的方法將白色油漆噴涂在視窗玻璃9的外表面，成像層I由位于其中心位置的透射散射層1-1和透射散射層1-1外圍的光散射成像層1-2構成。透射散射層1-1的直徑為5_，表面噴涂透射散射層1-1的視窗玻璃9對綠色激光的透射率40%?50 % ;表面噴涂光散射成像層1-2的視窗玻璃9對綠色激光的光透射率為60%?70 %。其他零部件以及零部件的聯接關系與實施例1相同。
[0029]實施例3
[0030]本實施例中，在視窗玻璃9的外表面涂有成像層1，成像層I為白色油漆層，采用噴涂的方法將白色油漆噴涂在視窗玻璃9的外表面，成像層I由位于其中心位置的透射散射層1-1和透射散射層1-1外圍的光散射成像層1-2構成。透射散射層1-1的直徑為8_，表面噴涂透射散射層1-1的視窗玻璃9對綠色激光的透射率40%?50 % ;表面噴涂光散射成像層1-2的視窗玻璃9對綠色激光的光透射率為60%?70 %。其他零部件以及零部件的聯接關系與實施例1相同。
[0031]實施例4
[0032]在以上的實施例1?3中，在視窗玻璃9的外表面涂有成像層1，成像層I為白色玻璃油墨層，采用絲印的方法將白色玻璃油墨絲印在視窗玻璃9的外表面，成像層I由位于其中心位置的透射散射層1-1和透射散射層1-1外圍的光散射成像層1-2構成。透射散射層1-1的直徑為與相應的實施例相同，表面絲印透射散射層1-1的視窗玻璃9對綠色激光的透射率40%?50 % ;表面絲印光散射成像層1-2的視窗玻璃9對綠色激光的光透射率為60%?70 %。其他零部件以及零部件的聯接關系與實施例1相同。
【權利要求】
1.一種以視窗玻璃(9)為傳感窗口實時在線測量液體物理參數的裝置，在內裝有液體的容器(10)上設置有視窗玻璃(9)，容器(10)上視窗玻璃(9)外圍設置暗盒(3)，暗盒(3)內設置安裝在支架(4)上的半導體激光器(7)，暗盒(3)的端部設置有通過數據線與計算機(6)相連的CXD攝像頭(5)，其特征在于:在視窗玻璃(9)的外表面附設有成像層(1)，半導體激光器(7)的光出射端上設置有與成像層(I)搭接的自聚焦棒式透鏡(2)，自聚焦棒式透鏡(2)的光軸和CXD攝像頭(5)的中心線與視窗玻璃(9)垂直且位于成像層(I)的中心位置。
2.根據權利要求1所述的以視窗玻璃(9)為傳感窗口實時在線測量液體物理參數的裝置，其特征在于:所述的成像層(I)由附設在視窗玻璃(9)外表面上的白色油漆或白色玻璃油墨透射散射層(1-1)和透射散射層(1-1)外圍相同材料的光散射成像層(1-2)構成，透射散射層(1-1)的直徑為5?8mm，表面附設有透射散射層(1-1)的視窗玻璃(9)對綠色激光的透射率40%?50 % ;表面附設有光散射成像層(1-2)的視窗玻璃(9)對綠色激光的光透射率為60%?70 % ;所述的自聚焦棒式透鏡(2)的光出射端與透射散射層(1-1)的中心搭接。
【文檔編號】G01N21/45GK103822902SQ201410070373
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月28日 優先權日:2014年2月28日
【發明者】張宗權, 苗潤才, 劉志存, 姚志, 王文成, 劉雅琳, 杜毅鵬, 辛經緯, 崔永貞 申請人:陜西師范大學
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