基于激光技术实现液体浓度测量的新方法

    在基础研究、化学分析、污染物检测、诊断学、食品和半导体制造业等领域内需要对液体浓度进行精确的测量。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　实验装置和原理

    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[1]和光线波长[2]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　实验装置

    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×15.1mm×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UDTSLC25D,测量范围和最小分辨率分别为5 mm和2μm。位移传感器的输出电流送入到位移2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　实验原理

    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

    若c、T和λ变化很小,则混合溶液n的变化量Δn可表示为

因激光是单模的(Δλ≈0),所以由式(2)可推导出浓度的变化为

    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

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

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5n/5c是一个常数或浓度的变化很小,由式(3)可得Δc为