一种光室结构的设计和优化

韩小雨，李田泽

(山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255000)

液体浓度是溶液重要特征之一，为了得知液体浓度从而判断液体的质量，对液体进行浓度检测就显得十分重要了.目前检测液体浓度的方法有很多种(比重法、化学法等)，目前我国液体浓度检测技术正在向在线检测技术方面发展.液体浓度的变化会引起液体折射率的变化，对于固定的入射光线，液体折射率的变化会导致出射光线的偏移[1-3]，基于以上原理，本文设计优化了一种双折射光透光学系统应用于液体浓度检测，该系统利用光电位置敏感传感器检测出光位移偏量的大小，通过信号转化计算得出液体浓度.该系统核心部分为双折射光透光室，普通光室激光从一侧入射，从另一侧出射，光位移偏移量测量难度大，空间占比大；针对以上问题，设计优化了一种双折射光室，该光室利用光线反射原理，可以实现激光从一侧入射，从同侧射出，且与入射光线相平行；这使得整个光学系统具有体积减小、易于位置敏感传感器检测光线位移偏移量、检测方法便捷、不污染待测液体、易于光信号转换等优点[4-5].

1 液体浓度检测

1.1 液体浓度检测光学原理

入射光线穿过光室，经过投射隔离窗以及待测液体的折射后，会产生一定光位移偏移量；当液体浓度改变时，会引起光线折射角变化，进而引起光位移偏量的变化，通过光电位置敏感器检测光位移偏量的变化，经过后续外围电路对信号的转换处理就可得到液体浓度.其原理如下图1所示.

图1 液体浓度检测原理图Fig1.The diagram of grid-connected PV generation system

图2 光室结构图Fig2.Liquid chamber structure

光室可分为两部分，一部分装有待测的液体，另一部分就是蒸馏水，两种液体之间放置一块倾斜的光学透射窗(材质为二氧化硅).光线运动轨迹如图1所示，入射光进入光室，经过二氧化硅玻璃窗以及待测液体的折射，离开光室时将产生相应的折射角以及与之对应的偏移量.当待测液体浓度发生变化时，折射角度以及偏移量就会随两部分液体折射率差值的变化而不同.设蒸馏水的折射率为n2，待测液体折射率为n，两种液体折射率之差Δn与光线偏移量d之间存在下列关系：

(1)

β为光线出射角，θ为光线入射角，k为与结构有关的常量，由式(1)可以看出液体浓度与光位移偏移量几乎成正比.在液室外适当位置放置光电位置敏感器，使得激光经过液室产生折射后照射在光敏面上，当待测液体浓度发生变化，光敏面的光斑发生位移后，经过外围电路及A/D转换器对信号进行处理，可计算得出液体浓度.

1.2 液体浓度与折射率之间的关系

对一种水溶液来说，其浓度大小表示了它与水的所占比例的关系.在该液体浓度较小且没有发生化合、结合的情况下，该溶液折射率可写成：

n=c1n1+c2n2

(2)

式中，c表示百分含量；n为待测物的折射率；n1为二氧化硅隔离窗折射率，n2为蒸馏水的折射率.当百分含量发生变化，例如待测物百分含量增加了Δc，则在新浓度下溶液的折射率n′可表示为：

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)可视为常量，因此液体浓度的变化与折射率呈线性关系.

2 光室结构设计和优化

基于光折射、反射的基本光学原理，本文设计优化了一种采用双隔离窗的光透射光室，如图2所示.

光室包括两个装有空气的参考水槽和一个装有待测液体的测量水槽，三个水槽之间由两个平行的光学透射窗隔开，光学透射窗呈60°放置，液室左端放置两块互相垂直的平面镜用于反射光线.根据光学知识可知，水平入射的光线由透射窗1进入待测液体时产生一个入射角(见图3)，经透射窗的折射后，平行进入，再由双平面镜反射进入待测液体，同样产生一个入射角，之后再次进过投射窗，由光学知识可知，经折射后将平行射出液室，最后通过滤光片投射在PSD光敏面上，当待测液体浓度发生变化时，光敏面上的光斑位置也发生变化，位置敏感器件就会线性地输出这一变化，从而实现浓度的检测.

图3 光迹轨线Fig 3 Lght trace

根据图3(a)可知，激光由在A点由空气入射玻璃，B点射出.入射角β为60°，折射角为θ，透射窗的厚度为d，光线在透射窗中产生的两次 位移偏移量为d1.根据光学知识，空气的折射率为1，玻璃的折射率为1.5，待测液体折射率为n，则有：

(5)

式中sinθ为1/3，CB=dtanθ，则偏移量d1为：

(6)

图3(b)表示光线离开透射窗在待测液体中的运动轨迹，激光从玻璃进入待测液体的入射角为90°-θ，折射角为φ，透射窗1与透射窗2间距为S1，则偏移量d2：

1.5sin(90°-θ)=nsinφ

(7)

(8)

(9)

激光在透射窗2中的位移偏移量与在透射窗1中产生的位移偏移量相同，图3(c)表示激光经过双平面镜反射后的运动轨迹.激光照射在平面镜E1点，液室高为2S，根据式(5)至式(9)可知：E1点到液室中点的距离D为:D=S-2d1-d2，当透射窗厚度d、两透射窗间距S1、液室高度2S确定后，可推导出激光的位移偏移量.

3 结 论

本文在前有光室的基础上，设计优化了一种双透射光室，给出了详细的液体浓度检测方式和激光的运动轨迹，通过分析得出光线出射测量水槽时与光线开始进入测量水槽时处于平行，这样无论液体浓度怎样变化，射到位置敏感器的光线始终与感光器件垂直，且光线从一侧入射，从同侧出射，有效地减小了光线在器件上的斜入射造成的误差问题以及光学系统体积过大问题，从而大大提高了测量的准确度.