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基于光全反射原理的乳化液浓度检测系统设计 　　摘 要：为满足乳化液浓度检测精度的要求，针对当前乳化液浓度过高或过低对仪器设备造成损害等问题，提出一种利用光全反射原理测量乳化液浓度的检测系统。利用主控芯片MSP430F149检测CCD图像传感器明暗分界面处的像元值，用此像元值代替乳化液折射率，同时利用测温电路采集乳化液温度，在主控芯片中利用像元值、温度二者与浓度的关系，采用线性插值法得到所测乳化液浓度最逼近的值，并在液晶屏上显示出来，从而达到实时、精确、智能检测乳化液浓度的目的。 　　关键词关键词：乳化液浓度；浓度检测；光全反射；CCD 　　DOIDOI：10.11907/rjdk.161948 　　中图分类号：TP319 　　文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2016）008-0130-04 　　0 引言 　　乳化液作为一种金属加工液，在工业领域有着广泛应用，其浓度对于以其为介质的设备正常运行和使用寿命有着重要影响。目前，国内外有多种检测乳化液浓度的方法，其中破乳法是一种比较早的乳化液浓度检测方法，主要是在油水上下分离后，依据油和水的比例进行浓度测定，然而此方法精度低、有时间差，不能反映实时的乳化液浓度；光透检测法是根据瑞利散射规律来测量液体浓度，当入射光强恒定时，只要测出透射光强即可唯一确定乳化液浓度[1]；比重法是根据水和乳化油密度不同的原理来测量乳化液浓度，其中比较著名的是丹麦U型管浓度?测量法，但其造价昂贵，不适合工业环境应用；超声波检测法有超声波衰减法和超声波声速法，文献[2]利用超声波的衰减机理研究了超声波衰减量与高水基液体浓度的关系[2]，在一定条件下，超声波穿过液体的衰减量与其浓度成比例关系，从而可以用衰减量来测量液体浓度，但是此方法在浓度大时线性差，应用范围受到限制。超声波声速法则是研究了超声波声速与液体浓度的关系[3]，声波在溶液当中的传播速度与液体浓度、温度和压力之间有一定数学关系，利用此关系得到的拟合关系式可以计算出乳化液浓度，但是此方法受乳化液中气泡、杂质等因素影响较大；折光法是依据光的全反射原理对乳化液浓度进行测量，不同浓度的乳化液在不同温度下有着不同的折射率，乳化液浓度、温度和折射率有一定的函数关系，通过测量处于全反射临界光线处的临界角来计算被测量乳化液的折射率，从而得到乳化液浓度。此方法原理简单、重复稳定性高，但主要属于离线检测应用，同时精度受限于人为因素。本文提出利用光的全反射原理结合电子自动化技术来达到实时、精确检测乳化液浓度的目的，以提高乳化液检测效率和精度。 　　1 检测原理 　　光线从光密介质入射到光疏介质，当入射角等于或大于临界角时，光会发生全反射现象；而当入射角小于临界角时，入射光有一部分被反射，剩余部分则会被折射进入光疏介质中，如图1所示。 　　图1中，a、b、c为3条入射光线，从光密介质入射到光疏介质中，a1、b1、c1分别为对应的3条入射光线a、b、c的反射光线，a2为入射光线a的折射光线。α为全反射的临界角，所以入射光线b、c被全反射，而入射光线a发生折射，既有反射光线a1，又有折射光线a2。依据光学知识，光线发生折射时只有大约10%的光线被反射，大部分光被折射，显然a1的光强要远小于b1和c1。依据此原理可知，当光密介质不变，光疏介质发生改变时，光疏介质的折射率发生改变，光从光密介质入射到光疏介质中发生全反射的临界角α也会发生改变。文献[4]提出一种用棱镜内反射传感方法测量液体浓度，通过检测出射光的能量改变来确定溶液浓度。随着CCD图像传感技术的发展，在文献[4]的基础上，提出利用CCD图像传感器对出射光线进行采集并依据光线照射到CCD上产生明暗分界线处的像元值得到乳化液浓度的方法。图2是将三棱镜和CCD图像传感相结合的光线测量装置，其主要部分为全角度光发射系统、直角三棱镜和CCD图像传感器。全角度光发射系统发出相对于O点法线0°～90°的入射光线；三棱镜用于与乳化液接触，当入射光线照射到三棱镜的O点后，依据由乳化液折射率和三棱镜折射率（注：为满足全反射条件，所选三棱镜的折射率要大于乳化液的最大折射率）所决定的全反射临界角α，入射角大于等于临界角的入射光线会被全部反射，从三棱镜的右直角边射出，入射角小于临界角的入射光线会被折射进入乳化液中，只有部分光线被反射，从三棱镜右边的直角边射出；CCD图像传感器用于接收从三棱镜右直角边射出的光线。由于全反射光线和部分反射光线的亮度不一样，在CCD上会出现明暗不同的两个区，被测乳化液浓度的改变会改变明暗区的分界线在CCD上的位置。通过检测明暗两区分界线的位置，即可知被测乳化液的折射率，进而知道被测乳化液的浓度值。运用时可以利用像元值代替折射率，建立乳化液、温度和CCD像元值的函数模型来计算浓度值。如图2