基于激光的二维混合液体检测系统

基于激光的二维混合液体检测系统

在基础研究、分析、污染物检测、诊断、食品和半体制剂领域，需要准确测量液体浓度。本实验给出了一种精确的、基于激光的技术实现液体浓度的实时检测。此项技术能在整个范围内测量流动液体的浓度。实验装置性能可靠、价格低廉,理论上可建构在几十微米的范围内。1液体浓度测量的变变原理液体浓度与折射率存在一定的关系,通过测量液体折射率(nl)的变化可实现液体浓度的测量。nl由它的密度和光线波长决定,温度与浓度的变化将引起密度的变化。因此,在单色光及恒温的条件下,液体的折射率仅由浓度决定。1.1位移传感器单元图1为实验装置图。光源为一个功率为5mW的二极管激光器,耦合进单模光纤中所发射的光线波长是635nm。测试单元是一个三角形、常规制作的透明小玻璃管,其内部尺寸为14.8mm×15.1mm×22.1mm(见图1(b))。激光光束从三角形测试单元中出射,打在半导体位移传感器上,当被测液体的浓度发生变化时,其折射率及出射光线的角度也发生相应的变化,从而出射光线打在位移传感器上的位置发生变化。实验中,机械抽水泵以38g/min的速率将被测液体抽到测试单元中。线性位移传感器的型号为UDTSLC-5D,测量范围和最小分辨率分别为5mm和2μm。位移传感器的输出电流送入到位移-电压转换器中,该转换器的输出与输入成正比,分辨率可达3.03mV/μm。采用型号为6.5的Keithley型2000数字万用表测量转换器的输出电压。万用表通过一条普通的数据线连入到微型计算机中,对实验结果进行进一步的处理以实现被测液体浓度的实时检测。1.2液体折射的测量在外界干扰因素可以忽略不计的情况下,混合液体的折射率n与浓度c、温度T、入射光波长λ的函数,即n=n(c,T,λ)(1)若c、T和λ变化很小,则混合溶液n的变化量Δn可表示为Δn≅∂n∂cΔc+∂n∂TΔT+∂n∂λΔλ(2)Δn≅∂n∂cΔc+∂n∂ΤΔΤ+∂n∂λΔλ(2)因激光是单模的(Δλ≈0),所以由式(2)可推导出浓度的变化为Δc=(Δn−∂n∂TΔT)(∂n∂c)−1(3)Δc=(Δn-∂n∂ΤΔΤ)(∂n∂c)-1(3)从菲涅耳公式出发,由光线的入射角与出射角可计算液体的折射率Δn。如图1(b)所示,激光光束以入射角θin(本实验中取值为45.9°)入射到液体表面,以出射角θe射出三角形测试单元。在这个光路中应用菲涅耳公式,取空气的折射率为1.00,出射角θe为θe=sin-1(nlsinθin)(4)式中nl是被测液体的折射率。液体的折射率发生变化时,光线出射角会产生Δθ的变化。通过测量光线在位移传感器上的位移d可得Δθ为Δθ=tan-1(d/D)(5)θe,l=θe,0+Δθ(6)式中θe,0是折射率为n0的参考液体的出射角;D是从三角形测试单元上的光线出射点到位移传感器的垂直距离(见图1)。由式(5)、(6)确定出射角后,再由式(4)可得液体的折射率。若ue014n/ue014c是一个常数或浓度的变化很小,由式(3)可得Δc为Δc=[(nl−n0)−∂n∂TΔT](∂n∂c)−1(7)Δc=[(nl-n0)-∂n∂ΤΔΤ](∂n∂c)-1(7)由式(7)可知,液体温度的变化会引起浓度的改变。在整个实验过程中,液体的温度由一个校准过的不锈钢温度计实时监测,这个温度计插在测试单元外面的液体大口杯中(见图1(a))。由于温度的变化所引起的Δc通过ue014n/ue014T得以补偿,ue014n/ue014T的值如表1所示。对于一个给定的nl,对应的出射角越大,系统的灵敏度越高。式(4)两边对nl取微分可得dθednl=sinθin1−n2lsinθ2in√(8)dθednl=sinθin1-nl2sinθin2(8)当nlsinθin≈1时,dθe/dnl最大,系统灵敏度最高。然而,当θin>sin-1(1/nl)时,全反射发生,出射光线消失。如果水溶液的折射率在1.33左右,入射角取45°左右,本实验中入射角取值为45.9°。一般情况下,只要液体的折射率小于1.7,入射角取值为30°就可得到很好的灵敏度。由于激光光束必定通过液体,实验中运用的技术要求被测液体是透明的,或透射系数不小于0.01。散射液体,例如含有悬浮微粒的铝的水溶液,实验结果也较理想。然而具有很强吸收能力的液体,使光线迅速衰减,大大降低了位移传感器的信噪比。含有大的微粒或小气泡的液体,由于它们会使光线偏离位移传感器,测试结果非常不理想。实际应用中,图1(a)中的D是很难直接测量的。在测量D时,使用两种液体:纯水和1.44%的NaCl水溶液,它们都具有很好的折射率nl和温度系数(见表1)。整个实验过程中,各个装置位置固定,D只需要测量一次。先把纯水抽入到三角形测试单元,旋转位移传感器,使其与出射光线相垂直,记录下出射光线在位移传感器上的位置以及出射角θe,0。接着从测试单元中去除纯水,用高压真空烘干测试单元后,把浓度为1.44%的NaCl水溶液注入测试单元,出射光线在位移传感器上的位置发生变化,记录下这个位移d。已知两种溶液的折射率,从式(4)可得出射角θe,l,从式(5),(6)可得到D。整个测量过程中,温度T实时监测,从而补偿因为温度的变化引起的液体折射率的变化。2u3000nacl和mgcl2水溶液的测量实验中,选取两种盐的水溶液NaCl和MgCl2来检验这个技术的可靠性。其浓度变化范围从大(0~25%)到小(0~0.3%)。选取这两种盐溶液,是因为它们的n和c呈线性关系,即ue014n/ue014c为常数,从而可简化分析,提高最小分辨率。另外,这两种盐的水溶液很易配置,即使是浓度变化很小的溶液也能得到精确的配置。NaCl和MgCl2的ue014n/ue014c分别取值1.71×10-3/%和2.60×10-3/%。配置某一定值浓度的溶液时,用数字天平分别称出盐和水的质量,天平的分辨率为0.01g。图2为NaCl水溶液的实验结果。图2(a)显示的是其浓度的实时检测,在12min的时间间隔内,NaCl水溶液的浓度从0变化到25%,每隔2min,浓度增加5%。为了降低测量误差,每一个时间点所对应的浓度取十个测量值,求其平均值。整个实验过程,被测液体的温度保持在23°~25°间。液体浓度的改变是将抽水泵转换到新的盛放已知浓度溶液的大口杯中实现。当新溶液注入旧溶液时,被测液体的浓度迅速发生改变,反映在图中是两个相邻浓度值之间陡峭的连线。新溶液完全替代旧溶液后,溶液的浓度达到了一个稳定值,此时取10个测量值,求其平均值,作为此时液体浓度的测量值。对MgCl2水溶液作重复的实验,可以得到相似的结果。从上述实验中可见,在溶液浓度变化较大的情况下,测量值与真实值十分相符。图3为NaCl水溶液的实时测量结果,浓度变化从0~2%,步长取0.25%。图4为MgCl2水溶液的实验结果,它的浓度变化从0~0.3%,步长取0.05%,每次的测量值都是取十点平均。在图3(a)中,当液体浓度发生变化后,测量曲线出现了一些小的尖刺,这种现象的发生可能是因为新液体混合到旧液体时所产生的温度及浓度的变化。液体浓度变化很小的时候,出射光线在位移传感器上产生的偏移也很小,外界的扰动对测量结果的影响比起大浓度变化要大的多。图3(a)中,经30~60s后,测量达到了一个稳定值。由图4可看出,这项技术同样能实现液体小浓度变化的实时检测,最小分辨率达0.05%。测量的不确定性包括系统误差和自由误差。其中系统误差由入射角的测量以及参量D的确定引起,可通过多次对整个系统进行校准使其达到最小化;自由误差由机械振动、空气扰动、温度变化引起,可采取多次测量求平均值的办法消除。计算所得,NaCl水溶液和MgCl2水溶液的不确定值分别为1.3%和0.9%,NaCl