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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5 mW的二极管激光器,耦合进单模光纤中所发射的光线波长是635 nm。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14.8 mm×15.1 mm×22.1 mm(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38 g/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5 mm和2 μm。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3.03 mV/μm。采用型号为6.5的Keithley型2 000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θinsin-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