两种溶质透明混合溶液浓度检测装置

摘要

两种溶质透明混合溶液浓度检测装置，由半导体激光器(1)、偏振相关型光隔离器(2)、薄膜偏振分束棱镜(3)、样品池及磁光调制器(4)、偏振片(5)、光电探测器(6、7)、除法放大器(8)以及微机处理与显示单元(9)组成。该装置检测原理简单，器件制作相对容易；采用信号除法放大系统提高了系统的检测灵敏度，同时消除光源发光功率不稳定带来的不利影响；采用非侵入式的检测方法，对溶液无污染；利用微机处理与绘图显示技术实现实时、自动检测；该技术将在两种溶质透明混合溶液浓度检测中获得较好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种两种溶质透明混合溶液浓度检测装置及其工作原理，属于光电检测、光电传感和光信息处理的技术领域。

背景技术

磁性是物质的基本物理属性之一，通过对物质磁性的检测研究可以了解物质的某些参量变化，比如对于含有顺磁溶质的溶液磁旋光角的检测可以了解溶液的浓度信息。磁光学是一门古老而又经久不衰的学科，其在光学检测及光电传感领域的应用越来越广泛；其中应用最多的是法拉第磁旋光效应，包括电流传感器、磁场传感器、磁光隔离器、磁光环行器等遍及光检测、光传感、光通信等多个光学领域。

在化工、食品和医疗卫生等工业领域，常常需要对溶液的浓度进行检测，溶液的浓度与其许多物理量都有相互关系，如比重、电导率、折射率、声速、旋光性、维尔德常数等，因此原则上可以用其中某一物理量的变化来表征溶液浓度的变化。目前对于单一溶质成分的溶液浓度的检测方法很多，精度也达到一定要求；但现实中常常需要对混合溶液中不同成分的溶质浓度进行检测，检测原理及器件制作一般较复杂，并且一般采用侵入式的检测方法容易对溶液造成污染。本文基于法拉第磁光效应和某些物质本身具有的自然旋光效应原理^[1，2，3]，针对某些特定成分的两种溶质透明混合溶液，提出利用磁光技术一次性检测该特定混合溶液中两种溶质各自浓度的方法。该方法检测原理简单，器件制作相对容易；采用信号除法放大系统提高了系统的检测灵敏度，同时消除光源发光功率不稳定带来的不利影响；采用非侵入式的检测方法，对溶液无污染；利用微机处理与绘图显示技术实现实时、自动检测；该技术将在两种溶质透明混合溶液浓度检测中获得较好的应用前景。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提出一种两种溶质透明混合溶液浓度检测装置，解决两种溶质透明混合溶液浓度检测的问题。

技术方案：本发明的两种溶质透明混合溶液浓度检测装置包括半导体激光器、偏振相关光隔离器、薄膜偏振分束棱镜、样品池及磁光调制器、偏振片、第一光电探测器、第二光电探测器、除法放大器以及微机处理及显示单元；

半导体激光器的激光输出通过偏振相关光隔离器薄膜偏振分束棱镜送入样品池及磁光调制器的输入端和第二光电探测器的输入端，样品池及磁光调制器的输出端通过偏振片送入第一光电探测器的输入端，第一光电探测器和第二光电探测器的输出端接除法放大器的输入端，除法放大器的输出端接微机处理及显示单元。

样品池及磁光调制器中，样品池采用透明圆柱状玻璃管制成，样品池设有进液口和出液口；磁光调制器采用螺线管，给螺线管通以交流电从而产生交变磁场；样品池置于螺线管中心轴线位置，样品池及螺线管的轴线与入射光线平行。

第一光电探测器、第二光电探测器采用型号、性能均相同的光电探测器。

微机处理及显示单元用于采集由除法放大器输出的信号并绘制显示信号曲线。两种溶质所组成的溶液为透明的，且要求有且只有一种溶质具备自然旋光效应，另一种溶质或两种溶质都具有磁旋光效应。螺线管产生的交流磁场要求为交流磁场。

有益效果：根据以上叙述可知，本发明具有如下特点：

本发明利用某些物质的自然旋光效应与磁旋光效应，设计了两种溶质透明混合溶液浓度检测装置，该装置利用磁光技术可以一次性检测溶液中两种溶质各自的浓度。该方法检测原理简单，器件制作相对容易，采用信号除法放大系统提高了系统的检测灵敏度，同时消除光源发光功率不稳定带来的不利影响；采用非侵入式的检测方法，对溶液无污染；利用微机处理与绘图显示技术实现实时、自动检测；在溶液浓度检测方面具有非常重要的应用价值。

创新之处在于：本发明设计的两种溶质透明混合溶液浓度检测装置，可以一次性完成检测溶液中两种溶质各自的浓度，同时采用工作光强与参考光强相除放大技术，提高了系统的检测灵敏度，消除光源发光功率不稳定带来的不利影响；利用微机技术实现自动读取数据、自动计算检测结果，可以实现实时、自动检测。

附图说明

图1两种溶质透明混合溶液浓度检测装置示意图。图中有半导体激光器1、偏振相关型光隔离器2、薄膜偏振分束棱镜3、样品池及磁光调制器4、偏振片5、第一光电探测器6、第二光电探测器7、除法放大器8、微机处理与显示单元9。

具体实施方式

本发明专利的两种溶质透明混合溶液浓度检测装置如图1所示。图中光源采用半导体激光光源1，发出的激光经过光隔离器2后变为平面偏振光再入射至偏振分束棱镜3后分为偏振方向互相垂直的两束光，被反射进入第二光电探测器7的s分量的偏振光作为参考光信号，振动方向垂直于纸面；被透射经过薄膜偏振分束棱镜3的p分量的偏振光作为工作光信号，振动方向平行于纸面；最终由第一光电探测器6接收。以激光器发出的激光光线为中心轴旋转光隔离器，即改变光隔离器2的透振方向与p分量光之间的夹角(设为α)，可以改变该两束光(s分量和p分量)之间相对强度的大小。通常需要使α值较小，以使工作光信号较强，参考光信号较弱，从而可以通过除法放大器8的相除放大作用来提高系统的检测灵敏度。

光隔离器2的作用是阻止反射光对光源造成影响，同时使光源发出的光变为线偏振光。

偏振片5的透振方向与薄膜偏振分束棱镜3的透射光偏振方向垂直。

微机处理及显示单元9用于采集除法放大器8输出的信号，并自动将采集到的信号与调制器4的励磁交流电信号以时间为横轴绘制于同一张图中，根据绘制的曲线，自动读出相关测试点的光强值并完成相关计算，最终显示浓度测试结果。

给磁光调制器4通以交流电信号i＝i₀sinωt，从而产生交变磁场B＝B₀sinωt，使溶液产生磁旋光角，进而有光信号进入第一光电探测器6，通过接收到的光强信息可以检测溶液的浓度。

本发明提出的两种溶质透明混合溶液光学检测方法要求两种溶质中有且只有一种溶质具有自然旋光效应，比如常见的具有自然旋光效应的物质有糖类、左旋氨基酸、酶、部分药物等具有螺旋状分子结构的物质^[2，3]另一种溶质或两种溶质都明显具有磁旋光效应；比如常见的明显具有磁旋光效应的物质如盐类、醇类、烷类以及一些大分子结构所组成的物质等^[1，3]。由以上两类物质所构成的混合溶液在科学研究和工业生产中比较常见，比如生理盐水中糖和盐的测定就符合该检测条件。现以两种溶质都具有磁旋光效应、并假设两种溶质磁旋光方向相同为例进行分析，磁旋光方向相反情况分析类似，如果只有另一种溶质具有法拉第效应则分析情况更加简单。

设溶液中A物质和B物质的浓度分别为C_A和C_B，设A为具有自然旋光效应的物质，比旋光率为a，则浓度为C_A的A物质溶液产生的旋光角可表示为：θ_A1＝a·c_A·d，d是光在溶液中通过的距离^[2]，可见可以通过测量溶液旋光角θ_A1的大小得到溶液的浓度C_A。

如果A物质溶液和B物质溶液的维尔德常数分别为V_A和V_B，则在磁场的作用下，两种溶液的法拉第旋转角分别为θ_A＝V_ABd和θ_B＝V_BBd，d为光在溶液中通过的距离，B为磁感应强度^[4]；由于溶液的维尔德常数与其浓度成一定的单调对应关系，一般为V_溶液＝u+k·C，V为维尔德常数，k为比例系数，u为常数，C为溶液的浓度^[1，3]；对于某种待测溶液来说，可以事先配置不同浓度的标准溶液进行实验测量，通过对实验数据的拟合得到该定标关系式。由于法拉第公式中B和d可以测量得到，因此实际检测中测量了偏转角θ即可得到溶液的维尔德常数V，再根据该溶液维尔德常数与浓度之间的定标关系即可知道溶液的浓度信息。

本发明的检测装置如图1所示：半导体激光器1发出的光经过光隔离器2后为线偏振光I₀，入射至薄膜偏振分束棱镜3后，分解为偏振方向平行于纸面的p分量的光I₀₁和垂直于纸面的s分量的光I₀₂，光隔离器2的透振方向与p分量光之间的夹角为α，则I₀₁＝I₀cos²α，I₀₂＝I₀sin²α，调制器内存放待测溶液，设交变磁场为B＝B₀sinωt，线偏振光经过待测溶液后偏振面发生旋转，从而产生了与检偏器的透振方向平行的光振动分量，该分量的光携带总的旋转角信息被光电探测器(6)接收。

A物质本身具有自然旋光效应，旋光角为θ_A1，B不具有自然旋光效应；设该溶液总的磁旋光角度为θ_AB，则偏振光经过溶液后总的旋光角度为(θ_A1+θ_AB)。

其中：

θ_A1＝a·c·d               (1)

θ_AB＝(V_A+V_B)dB₀sinωt＝(θ_A0+θ_B0)sinωt＝(θ_A+θ_B)          (2)

在不考虑各种吸收与表面反射的情况下，光电探测器(6)的接收光强为：

I＝I₀₁sin²(θ_A1+θ_AB)＝I₀₁sin²[θ_A1+(θ_A0+θ_B0)sinωt]             (3)

设除法放大器(8)的放大倍数为m，则除法放大器输出的相对探测光强为：

I′＝m·(I/I₀₂)＝m·[I₀₁/I₀₂·sin²(θ_A1+θ_AB)]＝m·cot²α·sin²[θ_A1+(θ_A0+θ_B0)sinωt]    (4)

其中，定义s＝m·cot²α为该检测系统中信号放大倍数；公式(4)中的相对探测光强由微机处理及显示单元9采集并绘制曲线。

对于一个特定系统而言，m和a已知。由于是交流调制，因此，不管θ_A1与(θ_A+θ_B)的方向一致还是相反，由(4)式可知总有最大光强点对应于(θ_A1+θ_A+θ_B)，因此由微机处理及显示单元9读出最大光强值可以求出(θ_A1+θ_A+θ_B)的大小。而当调制信号相位角为0时，即sinωt＝0时，得到的光强值对应于θ_A1，从而可以求出θ_A1的大小，从而确定A溶质的浓度C_A，再由A物质的浓度可以确定A物质的磁旋光角度θ_A，最后得出θ_B的大小，从而求出B物质的浓度。至此，A、B两种溶质的浓度即被分别检测。

具体实施例1：

本发明提出一种两种溶质透明混合溶液浓度检测装置。装置由半导体激光器

1、偏振相关型光隔离器2、薄膜偏振分束棱镜3、样品池及磁光调制器4、偏振片5、第一光电探测器6、第二光电探测器7、除法放大器8以及微机处理与显示单元9组成。

A物质本身具有自然旋光效应，旋光角为θ_A1，B不具有自然旋光效应；两种溶质都明显具有法拉第磁旋光效应且磁旋光方向相同，则偏振光经过溶液后总的旋光角度为(θ_A1+θ_A+θ_B)。

其中：θ_A1＝a·c·d，θ_A＝V_AdB₀sinωt，θ_B＝V_BdB₀sinωt，

在不考虑各种吸收与表面反射的情况下，第一光电探测器6的接收光强为：

I＝I₀₁sin²(θ_A1+θ_A+θ_B)，设除法放大器8的放大倍数为m，则除法放大器输出的相对探测光强为：I′＝m·(I/I₀₂)＝m·cot²α·sin²(θ_A1+θ_A+θ_B)           (5)

对于一个特定系统而言，m和a已知。由于是交流调制，因此，不管θ_A1与(θ_A+θ_B)的方向一致还是相反，由(5)式可知总有最大光强点对应于(θ_A1+θ_A+θ_B)，因此由微机处理及显示单元9读出最大光强值可以求出(θ_A1+θ_A+θ_B)的大小。而当调制信号相位角为0时，即sinωt＝0时，得到的光强值对应于θ_A1，从而可以求出θ_A1的大小，从而确定A溶质的浓度C_A，再由A物质的浓度可以确定A物质的磁旋光角度θ_A，最后得出θ_B的大小，从而求出B物质的浓度。至此，A、B两种溶质的浓度即被分别检测。

具体实施例2：

本发明提出一种两种溶质透明混合溶液浓度检测装置。装置由半导体激光器1、偏振相关型光隔离器2、薄膜偏振分束棱镜3、样品池及磁光调制器4、偏振片5、第一光电探测器6、第二光电探测器7、除法放大器8以及微机处理与显示单元9组成。

A物质本身具有自然旋光效应，旋光角为θ_A1，B不具有自然旋光效应且明显具有法拉第磁旋光效应，则偏振光经过溶液后总的旋光角度为(θ_A1+θ_B)。

其中：θ_A1＝a·c·d，θ_B＝V_BdB₀sinωt，

在不考虑各种吸收与表面反射的情况下，第一光电探测器6的接收光强为：I＝I₀₁sin²(θ_A1+θ_B)，设除法放大器8的放大倍数为m，则除法放大器输出的相对探测光强为：I′＝m·(I/I₀₂)＝m·cot²α·sin²(θ_A1+θ_B)                 (6)

对于一个特定系统而言，m和a已知。由于是交流调制，因此，不管θ_A1与θ_B的方向一致还是相反，由(6)式可知总有最大光强点对应于(θ_A1+θ_B)，因此由微机处理及显示单元9读出最大光强值可以求出(θ_A1+θ_B)的大小。而当调制信号相位角为0时，即sinωt＝0时，得到的光强值对应于θ_A1，从而可以求出θ_A1的大小，从而确定A溶质的浓度C_A，而后得出θ_B的大小，从而求出B物质的浓度。至此，A、B两种溶质的浓度即被分别检测。

具体实施例3：

本发明提出一种两种溶质透明混合溶液浓度检测装置。装置由半导体激光器1、偏振相关型光隔离器2、薄膜偏振分束棱镜3、样品池及磁光调制器4、偏振片5、第一光电探测器6、第二光电探测器7、除法放大器8以及微机处理与显示单元9组成。

A物质本身具有自然旋光效应，旋光角为θ_A1，B物质不具有自然旋光效应；两种溶质都明显具有法拉第磁旋光效应且磁旋光方向相反，则偏振光经过溶液后总的旋光角度为(θ_A1+|θ_A-θ_B|)。

其中：θ_A1＝a·c·d，θ_A＝V_AdB₀sinωt，θ_B＝V_BdB₀sinωt，

在不考虑各种吸收与表面反射的情况下，光电探测器6的接收光强为：I＝I₀₁sin²(θ_A1+|θ_A-θ_B|)，设除法放大器8的放大倍数为m，则除法放大器输出的相对探测光强为：I′＝m·(I/I₀₂)＝m·cot²α·sin²(θ_A1+|θ_A-θ_B|)         (7)

对于一个特定系统而言，m和a已知。由于是交流调制，因此，不管θ_A1与|θ_A-θ_B|的方向一致还是相反，由(7)式可知总有最大光强点对应于(θ_A1+|θ_A-θ_B|)，因此由微机处理及显示单元9读出最大光强值可以求出(θ_A1+|θ_A-θ_B|)的大小。而当调制信号相位角为0时，即sinωt＝0时，得到的光强值对应于θ_A1，此时可以确定A溶质的浓度C_A，同时通过计算知道|θ_A-θ_B|的大小。由于θ_A与θ_B反相，为将绝对值符号去掉以便计算θ_B，此时去掉磁场，旋转偏振片5至消光位置，然后再施加直流磁场，由于A、B物质的磁旋光反向且磁旋光方向可以事先知道，因此再旋转偏振片5至消光位置，通过前后两次消光位置的移动方向即可判断出θ_A与θ_B的相对大小，从而可以将绝对值符号去掉。由A物质的浓度可以确定A物质的磁旋光角度θ_A，最后得出θ_B的大小，从而求出B物质的浓度。至此，A、B两种溶质的浓度即被分别检测。