宽量程糖度测量中的光学系统设计

　　0　引言

　　糖度测量广泛应用于制糖、酿酒、食品、饮料、制药和化工以及农业科研、田间管理等方面[1]。糖度计可以在原料进厂、生产过程及产品出厂时进行质量检验;可以测量植物的含糖量,在确定它们的成熟期及试验选种,施肥等方面起着很重要的作用;还可以在国家向农民收购甘蔗、甜菜等含糖植物时,用来快速检测含糖量高低,是以质论价的一种手段[2]。

　　但是,目前已有光电糖度计的测量范围较小,一般为: 0~32Bx、0~45Bx、45~82Bx、28~62Bx及58~90Bx等。因此文中设计了基于反射临界角法测量糖度的新型光学系统,以扩大糖度计量程。

　　1　设计原理

　　反射临界角法测量糖度的原理是:在一定温度下,糖溶液浓度与其在某波长下光波的折射率具有一一对应关系,因此只要测出环境温度和糖溶液折射率就能确定糖溶液的浓度[3],而糖溶液折射率则可以根据光的全反射原理测量。

　　反射临界角法测量糖度的传统光学系统,如图1所示。设测量棱镜折射率为ng,被测溶液折射率为nx,在测量棱镜和被测溶液的界面根据折射定律有关系式:

　　当n_g>n_x,且θ_g>arcsin(n_x/n_g)时发生全反射。通常称θc=arcsin(n_x/n_g)为反射临界角[4]。因此,只要将图像传感器置于光的出射方向,就可以接收到携带折射率信息的光强分布。反射临界角对应的光线落在光敏面的位置,称为临界点,在临界点的一侧为亮区,另一侧为暗区。显然临界点必须落在图像传感器的光敏面范围内[5]。由于图像传感器的光敏面长度是确定的,在传统光学系统中为了增大测量范围,只能减小透镜焦距,这样就会影响测量精度[6]。采用新型双光源光学系统,就可以解决这个问题。

　　2　光学系统设计

　　设计的新型光学系统采用2个光源,弥补了传统光学系统的缺点。量程和测量精度不再受所使用的光电图像传感器(如CCD)的像素数和像素尺寸以及选用透镜的焦距的制约,能够在不改变接收端图像传感器参数、保证系统测量精度的前提下扩大量程。若棱镜选用K9光学玻璃, CCD选用象元数为1 024、像素尺寸为14μm,在保证测量精度达0_·2Bx的前提下,可以将量程扩大至0~85 Bx.图1为系统示意图。

　　根据中华人民共和国国家计量检定规程中的蔗糖水溶液折射率表[7],可知蔗糖溶液的折射率是随浓度非均匀变化的,随着蔗糖溶液的浓度增大,其折射率变化速率加快。根据要求的量程和测量精度,按照传统的的单光源光学系统选取边缘和中间浓度对透镜焦距进行计算。对系统透镜焦距的选择,应满足2个要求:一是应满足整个量程内所有浓度的蔗糖溶液所对应的分界线都在CCD光敏面上,即整个量程内,分界线位置变化应至少小于14_·336mm,即限定了透镜焦距的最大值;二是应满足蔗糖溶液浓度每变化0_·2 Bx,分界线在CCD光敏面上的位置变化应至少大于CCD像素尺寸14μm,即限定了透镜焦距的最小值[8]。根据以上要求,计算结果见表1。