基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量方法和系统，涉及液体浓度测量领域。本发明专利技术的测量方法包括：光信号的获得；反射式光纤系统的透明液体透过光信号的采集；光信号的检测；光电流信号放大和转换；数据处理和显示，用于将通过若干已知浓度且互不相同的透明液体的测量所得的数据拟合成一个公式，并且还用于从显示模块上读出其透射光的电压信号，再代入拟合得到的公式，从而计算出未知透明液体中溶质含量百分比。本发明专利技术适用于透明液体的浓度测量，具有操作简单，测量快速，灵敏度高，系统体积小易于携带的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量方法和系统
本专利技术涉及液体浓度测量领域，尤其涉及基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量方法和系统。
技术介绍
液体浓度是反映液体特性的重要物理量，对溶液浓度的测量与监控在造纸、化工、制糖、食品、制药、环境监测等领域中有着广泛的应用，是保证产品品质和提高产品质量的重要技术手段。因此液体浓度的测量也一直是科研工作者研究的热点问题。随着工业化社会的快速发展，环境污染问题的出现使得人们密切关注社会的可持续发展，并且越来越重视环境监测和保护问题。不论是人们日常的工作环境,还是工业过程监控、医药以至国家安全等都需要进行大量的化学气体、液体检测，因此对液体浓度测量系统和方法的研究有着特殊的意义与价值。科研领域中液体的研究一般都会从液体的折射率、浓度、密度、透射吸收光谱（发光特性）、粘滞系数、表面张力、旋光性等角度入手，建立一个液体的性质和其他衡量液体性质参数的关系，来分析液体的本质属性。目前，国内外测量液体浓度多采用化学分析法、色谱法、红外吸收光谱法、光折射率法、光强吸收法等。这些分析方法需要用到的仪器体积庞大，结构复杂，不能应用于需要实时测量的工况中。
技术实现思路
本专利技术提供了基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量方法和系统，系统体积小，结构紧凑，且测量方法无需繁杂的计算过程，能够适用于需要方便携带且实现现场实时测量的工况。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量方法，包括：S1、光源和输入光纤之间安装耦合透镜，光源发出光束射入耦合透镜系统,所述光束射出后经自聚焦光纤聚焦准直后进入反射式光纤系统的输入光纤;S2、所述光源通过由所述输入光纤组成的光纤探头外层光纤射出，将所述光束射入自聚焦光纤，经自聚焦光纤聚焦准直后射入透明液体,所述光束射出所述透明液体后，光程调节器的高反射面反射所述光束,将所述光束再次通入所述透明液体,经过所述自聚焦光纤聚焦准直后，由输出光纤组成的光纤探头内层光纤输出;S3、所述光纤探头内层光纤将所述光束射入光电二极管,所述光电二极管采集并检测所述光束,得到光电流信号;S4、前置放大电路采集所述光电流信号,并放大转换为电压信号，参考支路和测量支路采集所述电压信号，得到参考信号和测量信号，二级差分放大电路输入所述参考信号和测量信号，输出放大电压，信号转换模块采集所述放大电压,并转换成数字信号;S5、重复S1-S4，在相同的光程下，测量指定数量同种溶质但不同浓度的透明溶液,得到相对应的数字信号,根据所述浓度和所述相对应的数字信号,建立回归方程;S6、检测待测透明液体,得到所述待测透明液体的数字信号,根据所述待测透明液体的数字信号求解所述回归方程,得到的方程解记录为所述待测透明液体的浓度。进一步的，所述光源采用LED光源，所述LED光源的波长与所述透明液体的溶质光吸收波长一致。进一步的，所述耦合透镜系统包括单透镜和望远镜组，所述光束通过单透镜折射后平行入射到所述望远镜组的目镜单元，再通过所述望远镜组的物镜单元射出。进一步的，所述参考支路包括：密封平面镜窗口的硅光电二极管和光电二极管前置放大电路；所述测量支路包括：所述密封平面镜窗口的硅光电二极管和所述光电二极管前置放大电路；所述参考信号和所述测量信号由信号处理模块同步控制。进一步的，所述指定数量不少于九。本专利技术还提供了基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量系统，包括：光信号源模块，光耦合模块，反射式光纤系统模块，光电探测模块，微电流放大模块，模数转换模块，微控制器模块，键盘输入模块和寄存显示模块，光源模块通过所述光耦合器模块连接反射式光纤系统模块,反射式光纤系统模块连接光电探测模块,光电探测模块连接微电流放大模块,微电流放大模块通过A/D转换模块连接微控制器模块,微控制器模块还连接键盘输入模块和寄存显示模块。进一步的，所述反射式光纤系统模块，包括：输入光纤，光纤探头，自聚焦光纤，光程调节器，输出光纤。进一步的，所述自聚焦光纤与所述输入光纤粘合构成光束输入端，所述自聚焦光纤与所述输出光纤粘合构成光束输出端，所述输入光纤构成光纤探头外层光纤，所述输出光纤构成光纤探头内层光纤，所述光纤探头外层光纤和光纤探头内层光纤与所述自聚焦光纤粘合后，能够实现所述光束准直平行出射和聚焦入射的功能。进一步的，所述高反射面光程调节器，包括不透明圆柱状壳体、光纤探头、光程调节器和高反射面，不透明圆柱状壳体由硬质耐腐蚀材料制成，所述光纤探头外置于所述不透明圆柱状壳体，通过滑动所述光纤探头可以调节光程，所述不透明圆柱状壳体的端部开有小圆孔封盖，所述小圆孔封盖处安装镂空支撑架用来支撑所述高反射面，光束在所述光程调节器内，所述光纤探头和所述高反射面之间入射、反射。本专利技术的有益效果是：测量系统结构紧凑体积小，便于携带，测量方法不许繁杂的计算过程，可以实时测得结果，能够适应需要随身携带且能够现场得到测量结果的工况。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1是基于光纤传感技术的透明液体浓度测量系统的结构示意图；图2是基于光纤传感技术的透明液体浓度测量系统的反射式光纤系统的示意图；图3是基于光纤传感技术的透明液体浓度测量系统的反射式光纤系统导光示意图；图4是所述二级差分放大电路的电路图；图5是所述信号处理模块的硬件电路图；图6是基于光纤传感技术的透明液体浓度测量方法中回归方程数据拟合曲线图。具体实施方式为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量方法，包括：S1、LED光源和输入光纤之间安装耦合透镜，耦合透镜系统包括单透镜和望远镜组，光束通过单透镜折射后平行入射到所述望远镜组的目镜单元，再通过所述望远镜组的物镜单元射出，光束射出后经自聚焦光纤聚焦准直后进入反射式光纤系统的输入光纤，LED光源的输出功率为0.3w;S2、所述光源通过由所述输入光纤组成的光纤探头外层光纤射出，将所述光束射入自聚焦光纤，经自聚焦光纤聚焦准直后射入透明液体,所述光束射出所述透明液体后，光程调节器的高反射面反射所述光束,将所述光束再次通入所述透明液体,经过所述自聚焦光纤聚焦准直后，由输出光纤组成的光纤探头内层光纤输出，其中，LED光源的波长与透明液体的溶质光吸收波长一致;S3、所述光纤探头内层光纤将所述光束射入光电二极管,所述光电二极管采集并检测所述光束,得到光电流信号;S4、前置放大电路采集所述光电流信号,并放大转换为电压信号，参考支路和测量支路采集所述电压信号，得到参考信号和测量信号，二级差分放大电路输入所述参考信号和测量信号，输出放大电压，信号转换模块采集所述放大电压,并转换成数字信号;S5、重复S1-S4，在相同的光程下，测量9份胭脂红样品的透明溶液,得到相对应的数字信号,根据所述浓度和所述相对应的数字信号,建立回归方程，其中，测量实例数据表如表1所示：表1测量实例数据表胭脂红样品浓度(mg/L)输出电压（V）200.67180.75160.85140.96本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量方法，其特征在于，包括：S1、光源发出光束射入耦合透镜系统,所述光束射出后经自聚焦光纤聚焦准直后进入反射式光纤系统的输入光纤;S2、所述光源通过由所述输入光纤组成的光纤探头外层光纤射出，将所述光束射入自聚焦光纤，经所述自聚焦光纤聚焦准直后射入透明液体,所述光束射出所述透明液体后，光程调节器的高反射面反射所述光束,将所述光束再次通入所述透明液体,经过所述自聚焦光纤聚焦准直后，由输出光纤组成的光纤探头内层光纤输出;S3、所述光纤探头内层光纤将所述光束射入光电二极管,所述光电二极管采集并检测所述光束,得到光电流信号;S4、前置放大电路采集所述光电流信号,并放大转换为电压信号，参考支路和测量支路采集所述电压信号，得到参考信号和测量信号，二级差分放大电路输入所述参考信号和测量信号，输出放大电压，信号转换模块采集所述放大电压,并转换成数字信号;S5、重复S1‑S4，在相同的光程下，测量指定数量同种溶质但不同浓度的透明溶液,得到相对应的数字信号,根据所述浓度和所述相对应的数字信号,建立回归方程;S6、检测待测透明液体,得到所述待测透明液体的数字信号,根据所述待测透明液体的数字信号求解所述回归方程,得到的方程解记录为所述待测透明液体的浓度。...

【技术特征摘要】
1.基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量方法，其特征在于，包括：S1、光源发出光束射入耦合透镜系统,所述光束射出后经自聚焦光纤聚焦准直后进入反射式光纤系统的输入光纤;S2、所述光源通过由所述输入光纤组成的光纤探头外层光纤射出，将所述光束射入自聚焦光纤，经所述自聚焦光纤聚焦准直后射入透明液体,所述光束射出所述透明液体后，光程调节器的高反射面反射所述光束,将所述光束再次通入所述透明液体,经过所述自聚焦光纤聚焦准直后，由输出光纤组成的光纤探头内层光纤输出;S3、所述光纤探头内层光纤将所述光束射入光电二极管,所述光电二极管采集并检测所述光束,得到光电流信号;S4、前置放大电路采集所述光电流信号,并放大转换为电压信号，参考支路和测量支路采集所述电压信号，得到参考信号和测量信号，二级差分放大电路输入所述参考信号和测量信号，输出放大电压，信号转换模块采集所述放大电压,并转换成数字信号;S5、重复S1-S4，在相同的光程下，测量指定数量同种溶质但不同浓度的透明溶液,得到相对应的数字信号,根据所述浓度和所述相对应的数字信号,建立回归方程;S6、检测待测透明液体,得到所述待测透明液体的数字信号,根据所述待测透明液体的数字信号求解所述回归方程,得到的方程解记录为所述待测透明液体的浓度。2.根据权利要求1所述的基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量方法，其特征在于，所述光源采用LED光源，所述LED光源的波长与所述透明液体的溶质光吸收波长一致。3.根据权利要求1所述的基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量方法，其特征在于，所述耦合透镜系统包括单透镜和望远镜组，所述光束通过单透镜折射后平行入射到所述望远镜组的目镜单元，再通过所述望远镜组的物镜单元射出。4.根据权利要求1所述的基于反射式光纤系统的透明液体浓度测量方法，其特征在于，所述参考支路包括：密封平面镜窗口的硅光电二极管和光电二极管前置放大电路...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文杰，赵志敏，俞晓磊，庄笑，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32