一種光室結構的設計和優化

韓小雨，李田澤

(山東理工大學 電氣與電子工程學院，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量，對液體進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、化學法等)，目前我國液體濃度檢測技術正在向在線檢測技術方面發展.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致出射光線的偏移[1-3]，基于以上原理，本文設計優化了一種雙折射光透光學系統應用于液體濃度檢測，該系統利用光電位置敏感傳感器檢測出光位移偏量的大小，通過信號轉化計算得出液體濃度.該系統核心部分為雙折射光透光室，普通光室激光從一側入射，從另一側出射，光位移偏移量測量難度大，空間占比大；針對以上問題，設計優化了一種雙折射光室，該光室利用光線反射原理，可以實現激光從一側入射，從同側射出，且與入射光線相平行；這使得整個光學系統具有體積減小、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、易于光信號轉換等優點[4-5].

1 液體濃度檢測

1.1 液體濃度檢測光學原理

入射光線穿過光室，經過投射隔離窗以及待測液體的折射后，會產生一定光位移偏移量；當液體濃度改變時，會引起光線折射角變化，進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，經過后續外圍電路對信號的轉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 光室結構圖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透射窗(材質為二氧化硅).光線運動軌跡如圖1所示，入射光進入光室，經過二氧化硅玻璃窗以及待測液體的折射，離開光室時將產生相應的折射角以及與之對應的偏移量.當待測液體濃度發生變化時，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之間存在下列關系：

(1)

β為光線出射角，θ為光線入射角，k為與結構有關的常量，由式(1)可以看出液體濃度與光位移偏移量幾乎成正比.在液室外適當位置放置光電位置敏感器，使得激光經過液室產生折射后照射在光敏面上，當待測液體濃度發生變化，光敏面的光斑發生位移后，經過外圍電路及A/D轉換器對信號進行處理，可計算得出液體濃度.

1.2 液體濃度與折射率之間的關系

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系.在該液體濃度較小且沒有發生化合、結合的情況下，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.當百分含量發生變化，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系.

2 光室結構設計和優化

基于光折射、反射的基本光學原理，本文設計優化了一種采用雙隔離窗的光透射光室，如圖2所示.

光室包括兩個裝有空氣的參考水槽和一個裝有待測液體的測量水槽，三個水槽之間由兩個平行的光學透射窗隔開，光學透射窗呈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.根據光學知識可知，水平入射的光線由透射窗1進入待測液體時產生一個入射角(見圖3)，經透射窗的折射后，平行進入，再由雙平面鏡反射進入待測液體，同樣產生一個入射角，之后再次進過投射窗，由光學知識可知，經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，當待測液體濃度發生變化時，光敏面上的光斑位置也發生變化，位置敏感器件就會線性地輸出這一變化，從而實現濃度的檢測.

圖3 光跡軌線Fig 3 Lght trace

根據圖3(a)可知，激光由在A點由空氣入射玻璃，B點射出.入射角β為60°，折射角為θ，透射窗的厚度為d，光線在透射窗中產生的兩次 位移偏移量為d1.根據光學知識，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動軌跡，激光從玻璃進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中產生的位移偏移量相同，圖3(c)表示激光經過雙平面鏡反射后的運動軌跡.激光照射在平面鏡E1點，液室高為2S，根據式(5)至式(9)可知：E1點到液室中點的距離D為:D=S-2d1-d2，當透射窗厚度d、兩透射窗間距S1、液室高度2S確定后，可推導出激光的位移偏移量.

3 結 論

本文在前有光室的基礎上，設計優化了一種雙透射光室，給出了詳細的液體濃度檢測方式和激光的運動軌跡，通過分析得出光線出射測量水槽時與光線開始進入測量水槽時處于平行，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，且光線從一側入射，從同側出射，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系統體積過大問題，從而大大提高了測量的準確度.