基于線陣CCD的透明溶液濃度檢測系統(tǒng)

摘 要：當(dāng)前的溶液濃度測量儀器大多存在造價昂貴、檢測技術(shù)復(fù)雜、不能實(shí)時監(jiān)測等問題。為了解決以上問題，使透明溶液濃度的測量更加方便，設(shè)計了基于線陣CCD的透明溶液濃度檢測系統(tǒng)。利用線陣CCD檢測穿過待測溶液的光線。由于溶液的濃度不同，其折射率也不同，當(dāng)折射率變化時線陣CCD上的光斑位置也會發(fā)生改變?；诖耍捎霉怆姍z測技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對透明溶液濃度的實(shí)時采集。所設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、測量結(jié)果精確、易操作，使得透明溶液濃度的測量變得更加簡便、成本更低。

關(guān)鍵詞：光電檢測技術(shù)；溶液濃度；折射率；線陣CCD；儀器精簡；檢測系統(tǒng)

中圖分類號：TP27；TN29 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）09-000-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.002

0 引 言

在日常生產(chǎn)生活中的很多領(lǐng)域都需要對溶液濃度進(jìn)行快速精確的測量[1]，例如制藥、化工、食品和半導(dǎo)體制造等領(lǐng)域。目前，對透明溶液濃度進(jìn)行測量的主要方法有光學(xué)法、超聲波法和化學(xué)法[2]。光學(xué)法雖然測量精度高，但所需設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格較高，且測量結(jié)果受溫度影響較大[3]；超聲波法雖然所需設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡單，但測量的精確度低，受機(jī)械振動、空氣擾動等環(huán)境因素影響較大；化學(xué)法的檢測過程較復(fù)雜，并且容易造成環(huán)境污染，不能做到實(shí)時檢測[4]。若采用基于線陣CCD的方法則能在一定程度上彌補(bǔ)上述方法的不足。線陣CCD具有一維像元數(shù)多、總像元數(shù)較面陣CCD少、像元尺寸靈活、分辨率高和響應(yīng)快速等特點(diǎn)，特別適用于對一維動態(tài)目標(biāo)的測量，能夠精確檢測透過玻璃器皿的出射光的光強(qiáng)與光斑位置[5]。本文根據(jù)透明溶液濃度發(fā)生變化時相應(yīng)的折射率也發(fā)生變化這一原理，將折射率變化量的計算轉(zhuǎn)化為對光斑在線陣CCD上位移變化量的測量；然后對光譜中的峰位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；最后得到透明溶液的濃度。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

已有文獻(xiàn)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多種透明溶液濃度都與其折射率成一定的線性關(guān)系，具體關(guān)系要視溶液種類而定，如酒精的折射率與濃度的線性關(guān)系[6]為：n=1.333 3+0.043 8ρ，其中，n為折射率，ρ為酒精溶液濃度。由此，本文考慮將待測溶液濃度的測量轉(zhuǎn)化為對折射率的計算，進(jìn)而再轉(zhuǎn)化為對光斑在線陣CCD上位置的測量[7]。由于折射率與入射光的波長有密切關(guān)系，所以在進(jìn)行折射率的計算時，需要確保除入射光波長以外的其他所有外界因素（如室溫、光強(qiáng)等）均保持一致且穩(wěn)定，最大限度地減少外部干擾，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

1.1 光路設(shè)計

光路設(shè)計如圖1所示，其中溶液池為三棱柱體。當(dāng)入射光垂直入射三棱柱體的面1時，光路不發(fā)生偏折；當(dāng)光線到達(dá)三棱柱體的面2時，由于光線與介質(zhì)分界面的法線有一定的夾角，故光路會發(fā)生偏折。采用線陣CCD檢測出射光，當(dāng)溶液濃度不同時，折射角不同，則光斑在線陣CCD上的成像位置也不同。

1.2 光學(xué)原理

透明溶液濃度檢測系統(tǒng)的光學(xué)原理如圖2所示。首先在溶液池內(nèi)裝上蒸餾水，并調(diào)節(jié)線陣CCD的角度，使得經(jīng)過該溶液池的出射光恰好垂直打在接收器上，此時出射角為θ0；隨后將蒸餾水更換為濃度為C的溶液，此時在三棱柱面2

上的入射角、出射角分別為θ1和θ2。由于折射率與濃度之間呈線性關(guān)系，所以當(dāng)溶液濃度變化量為ΔC時折射率也會發(fā)生一定的改變。設(shè)出射角變化量為Δθ2，對應(yīng)光斑在CCD上的位置變化量為Δl，線陣CCD與光線出射點(diǎn)的垂直距

離為D。

光線從面2射出時發(fā)生折射（面2為溶液與空氣的分界面），設(shè)溶液折射率為n1，空氣折射率n2=1。由于光線是垂直入射[8]，三棱柱底面為等腰直角三角形，故光線在面2上的入射角θ1=45?°。此時根據(jù)斯涅爾定律（光的折射定律）有[9]：

（1）

又由于θ1和n2均為定值，故可研究θ2和n1之間的關(guān)系。對式（1）作如下變換：

（2）

（3）

根據(jù)圖2中的幾何關(guān)系，可知Δθ2和Δl之間的關(guān)系為：

（4）

聯(lián)立式（3）和式（4）可得溶液的折射率變化量Δn1和光斑位置變化量Δl之間的關(guān)系[10]為：

（5）

該式表明折射率的變化與光斑在線陣CCD上位置的變化量存在一定的對應(yīng)關(guān)系。由于溶液的折射率與溶液濃度存在線性關(guān)系，所以最終可以根據(jù)光斑位置變化量計算溶液濃度的變化量。先計算標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度與光斑位置的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而可以獲得相同溶質(zhì)的待測溶液濃度。

2 系統(tǒng)搭建及結(jié)果分析

2.1 系統(tǒng)搭建

以酒精溶液為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖3為實(shí)物展示圖。

溶液濃度檢測系統(tǒng)的具體搭建步驟如下：

（1）設(shè)計好光的傳播路徑，固定溶液池、激光器等元件；將線陣CCD連接至上位機(jī)，向溶液池中注入酒精溶液直至淹沒光路。

（2）利用激光器發(fā)射光線，用線陣CCD采集光線，在此過程中可以通過調(diào)節(jié)電壓來改變激光信號，使其具有較高強(qiáng)度，同時也要避免線陣CCD因接收到的光強(qiáng)超過閾值而發(fā)生飽和現(xiàn)象。

（3）繪制濃度-峰位關(guān)系定標(biāo)曲線。準(zhǔn)備好一系列標(biāo)準(zhǔn)溶液并對其峰位進(jìn)行測定，將標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度與線陣CCD所接收的對應(yīng)光強(qiáng)的關(guān)系繪制成圖表形式。

（4）利用數(shù)據(jù)處理軟件對峰位和濃度的數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到酒精溶液濃度-峰位關(guān)系定標(biāo)曲線如圖4所示。

（5）設(shè)計開發(fā)與線陣CCD相連接并對采集到的光強(qiáng)信息進(jìn)行分析處理的上位機(jī)軟件，使其具有實(shí)時讀取待測酒精溶液濃度的功能。

2.2 結(jié)果分析

選取測量結(jié)果中的10組數(shù)據(jù)列于表1。從表1可以看出，采用本文設(shè)計的透明溶液濃度檢測系統(tǒng)能夠較精確地測量出溶液的濃度，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。

本文所設(shè)計系統(tǒng)在測量過程中仍存在一定的誤差，分析可能的原因如下：

（1）加入溶質(zhì)時溶質(zhì)掉到器皿外、溶質(zhì)溶解不充分、溶液不均勻、酒精的蒸發(fā)、溶液池的變形等，都可能造成一定的實(shí)驗(yàn)誤差。

（2）峰位的測定存在誤差。定標(biāo)曲線是采用多項(xiàng)式進(jìn)行擬合的，與實(shí)際的濃度-峰位關(guān)系曲線有偏差。

（3）儀器本身的缺陷，如：激光器射出激光時存在微小的角度偏差，超薄玻璃片表面有細(xì)微的不平整及其對激光還會形成一定的反射，線陣CCD處理光強(qiáng)信息的置信度不是100%等，都可能是測量精度不理想的原因。

針對上述問題，提出以下改進(jìn)方法及注意事項(xiàng)：

（1）多次測量不同酒精溶液濃度的變化，減少誤差。

（2）配置酒精溶液時，充分?jǐn)嚢枋谷苜|(zhì)完全溶解于溶液，減少由溶質(zhì)溶解不充分、溶液不均勻等問題引起的誤差。

（3）盡量在弱光環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，降低外界光線對線陣CCD采集數(shù)據(jù)的影響。

3 結(jié) 語

本文針對現(xiàn)有溶液濃度測量儀器存在的成本高、檢測技術(shù)復(fù)雜、不能實(shí)時監(jiān)測等問題，設(shè)計了一種基于線陣CCD的透明溶液濃度檢測系統(tǒng)。與傳統(tǒng)透明溶液濃度測量方式相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、可操作性強(qiáng)、成本低、適用范圍廣等多種優(yōu)勢，不僅適合于日常生產(chǎn)生活中的溶液濃度測量，也適用于教學(xué)研究。

注：本文通訊作者為張丹。

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收稿日期：2023-07-06 修回日期：2023-08-07

作者簡介：魏恒杰（2004—），男，研究方向?yàn)楣怆娦畔⒖茖W(xué)與工程。