一種光室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

韓小雨，李田澤

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

液體濃度是溶液重要特征之一，為了得知液體濃度從而判斷液體的質(zhì)量，對液體進(jìn)行濃度檢測就顯得十分重要了.目前檢測液體濃度的方法有很多種(比重法、化學(xué)法等)，目前我國液體濃度檢測技術(shù)正在向在線檢測技術(shù)方面發(fā)展.液體濃度的變化會引起液體折射率的變化，對于固定的入射光線，液體折射率的變化會導(dǎo)致出射光線的偏移[1-3]，基于以上原理，本文設(shè)計(jì)優(yōu)化了一種雙折射光透光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于液體濃度檢測，該系統(tǒng)利用光電位置敏感傳感器檢測出光位移偏量的大小，通過信號轉(zhuǎn)化計(jì)算得出液體濃度.該系統(tǒng)核心部分為雙折射光透光室，普通光室激光從一側(cè)入射，從另一側(cè)出射，光位移偏移量測量難度大，空間占比大；針對以上問題，設(shè)計(jì)優(yōu)化了一種雙折射光室，該光室利用光線反射原理，可以實(shí)現(xiàn)激光從一側(cè)入射，從同側(cè)射出，且與入射光線相平行；這使得整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)具有體積減小、易于位置敏感傳感器檢測光線位移偏移量、檢測方法便捷、不污染待測液體、易于光信號轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)[4-5].

1 液體濃度檢測

1.1 液體濃度檢測光學(xué)原理

入射光線穿過光室，經(jīng)過投射隔離窗以及待測液體的折射后，會產(chǎn)生一定光位移偏移量；當(dāng)液體濃度改變時(shí)，會引起光線折射角變化，進(jìn)而引起光位移偏量的變化，通過光電位置敏感器檢測光位移偏量的變化，經(jīng)過后續(xù)外圍電路對信號的轉(zhuǎn)換處理就可得到液體濃度.其原理如下圖1所示.

圖1 液體濃度檢測原理圖Fig1.The diagram of grid-connected PV generation system

圖2 光室結(jié)構(gòu)圖Fig2.Liquid chamber structure

光室可分為兩部分，一部分裝有待測的液體，另一部分就是蒸餾水，兩種液體之間放置一塊傾斜的光學(xué)透射窗(材質(zhì)為二氧化硅).光線運(yùn)動軌跡如圖1所示，入射光進(jìn)入光室，經(jīng)過二氧化硅玻璃窗以及待測液體的折射，離開光室時(shí)將產(chǎn)生相應(yīng)的折射角以及與之對應(yīng)的偏移量.當(dāng)待測液體濃度發(fā)生變化時(shí)，折射角度以及偏移量就會隨兩部分液體折射率差值的變化而不同.設(shè)蒸餾水的折射率為n2，待測液體折射率為n，兩種液體折射率之差Δn與光線偏移量d之間存在下列關(guān)系：

(1)

β為光線出射角，θ為光線入射角，k為與結(jié)構(gòu)有關(guān)的常量，由式(1)可以看出液體濃度與光位移偏移量幾乎成正比.在液室外適當(dāng)位置放置光電位置敏感器，使得激光經(jīng)過液室產(chǎn)生折射后照射在光敏面上，當(dāng)待測液體濃度發(fā)生變化，光敏面的光斑發(fā)生位移后，經(jīng)過外圍電路及A/D轉(zhuǎn)換器對信號進(jìn)行處理，可計(jì)算得出液體濃度.

1.2 液體濃度與折射率之間的關(guān)系

對一種水溶液來說，其濃度大小表示了它與水的所占比例的關(guān)系.在該液體濃度較小且沒有發(fā)生化合、結(jié)合的情況下，該溶液折射率可寫成：

n=c1n1+c2n2

(2)

式中，c表示百分含量；n為待測物的折射率；n1為二氧化硅隔離窗折射率，n2為蒸餾水的折射率.當(dāng)百分含量發(fā)生變化，例如待測物百分含量增加了Δc，則在新濃度下溶液的折射率n′可表示為：

n′=(c1+Δc)n1+(c2-Δc)n2

(3)

由式(2)式(3)可得

n′-n=(n1-n2)Δcn′=(n1-n2)Δc+n

(4)

式中(n1-n2)可視為常量，因此液體濃度的變化與折射率呈線性關(guān)系.

2 光室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

基于光折射、反射的基本光學(xué)原理，本文設(shè)計(jì)優(yōu)化了一種采用雙隔離窗的光透射光室，如圖2所示.

光室包括兩個(gè)裝有空氣的參考水槽和一個(gè)裝有待測液體的測量水槽，三個(gè)水槽之間由兩個(gè)平行的光學(xué)透射窗隔開，光學(xué)透射窗呈60°放置，液室左端放置兩塊互相垂直的平面鏡用于反射光線.根據(jù)光學(xué)知識可知，水平入射的光線由透射窗1進(jìn)入待測液體時(shí)產(chǎn)生一個(gè)入射角(見圖3)，經(jīng)透射窗的折射后，平行進(jìn)入，再由雙平面鏡反射進(jìn)入待測液體，同樣產(chǎn)生一個(gè)入射角，之后再次進(jìn)過投射窗，由光學(xué)知識可知，經(jīng)折射后將平行射出液室，最后通過濾光片投射在PSD光敏面上，當(dāng)待測液體濃度發(fā)生變化時(shí)，光敏面上的光斑位置也發(fā)生變化，位置敏感器件就會線性地輸出這一變化，從而實(shí)現(xiàn)濃度的檢測.

圖3 光跡軌線Fig 3 Lght trace

根據(jù)圖3(a)可知，激光由在A點(diǎn)由空氣入射玻璃，B點(diǎn)射出.入射角β為60°，折射角為θ，透射窗的厚度為d，光線在透射窗中產(chǎn)生的兩次 位移偏移量為d1.根據(jù)光學(xué)知識，空氣的折射率為1，玻璃的折射率為1.5，待測液體折射率為n，則有：

(5)

式中sinθ為1/3，CB=dtanθ，則偏移量d1為：

(6)

圖3(b)表示光線離開透射窗在待測液體中的運(yùn)動軌跡，激光從玻璃進(jìn)入待測液體的入射角為90°-θ，折射角為φ，透射窗1與透射窗2間距為S1，則偏移量d2：

1.5sin(90°-θ)=nsinφ

(7)

(8)

(9)

激光在透射窗2中的位移偏移量與在透射窗1中產(chǎn)生的位移偏移量相同，圖3(c)表示激光經(jīng)過雙平面鏡反射后的運(yùn)動軌跡.激光照射在平面鏡E1點(diǎn)，液室高為2S，根據(jù)式(5)至式(9)可知：E1點(diǎn)到液室中點(diǎn)的距離D為:D=S-2d1-d2，當(dāng)透射窗厚度d、兩透射窗間距S1、液室高度2S確定后，可推導(dǎo)出激光的位移偏移量.

3 結(jié) 論

本文在前有光室的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)優(yōu)化了一種雙透射光室，給出了詳細(xì)的液體濃度檢測方式和激光的運(yùn)動軌跡，通過分析得出光線出射測量水槽時(shí)與光線開始進(jìn)入測量水槽時(shí)處于平行，這樣無論液體濃度怎樣變化，射到位置敏感器的光線始終與感光器件垂直，且光線從一側(cè)入射，從同側(cè)出射，有效地減小了光線在器件上的斜入射造成的誤差問題以及光學(xué)系統(tǒng)體積過大問題，從而大大提高了測量的準(zhǔn)確度.