动态判别溶液浓度大小的光电测量方法

1　引　言

利用溶液的折射率来测量溶液的浓度是一种常用的方法[1]。如用阿贝折射仪来测量溶液的浓度。但它是接触测量,测量范围有限制。利用CCD传感器的光电转换、信号存储、信号转移和信号读出等功能,实现了对溶液浓度的在线自动检测[2]。但是溶液是处于静态的,且仪器制作复杂,成本较高。在设计“点滴速度监控装置”时,发现光电传感器在液滴通过时的波形不同于普通遮光板通过时的波形,利用这一特殊波形,结合光学原理,可以给出一种简单判别具有微小浓度差别溶液的光电测量方法。

2　判别原理

光电式传感器通常由三部分组成,即:光源、光通路和光电元件。在本实验测量装置中,使用光敏二极管作为光电元件,光敏二极管中的PN结可以光电导效应工作,也可以光生伏特效应工作。处于反向偏置的PN结,在无光照时具有高阻特性,反向暗电流很小。当光照时,结区产生电子空穴对,在结电场作用下,电子向N区运动,空穴向P区运动,形成光电流,方向与反向电流一致。光的照度愈大,光电流愈大。由于无光照时的反偏电流很小,一般为纳安数量级,因此光照时的反向电流基本上与光强成正比。

当液滴通过光通路时,对LED发出的平行光束产生了一定的遮挡与会聚作用,而这种作用使得光照在光敏二极管上的光强发生了相应的变化。用虚拟示波器来监测光敏二极管两端的电压值。由于液体的表面张力,当小液滴作自由落体运动时,液滴近似球状。显然每个液滴接触光束时的速度都是一样的。将LED发出的光束约束成扁平光束,调整液滴下落的路径,使液滴中心轨迹接近平行光中心。根据光在球形凸透镜中的折射规律,可以知道,当液滴下边缘与光束接触后一段时间内,液滴使LED发出的光偏离原路线,从而会聚在光敏二极管上的光强度变大。因为溶液浓度与其折射率有定量的对应关系,而具有不同折射率的液滴使光会聚的程度不一致,所以根据示波器所显示的波形不同可以判别不同浓度的液体。

3　判别系统组成

判别系统主要由三部分组成:液滴生成部分、光电传感器和检测电路。采用医用输液器用为产生液滴的工具,将针头固定在精密光具座上。这样做不仅液滴产生的速度可以控制,而且液滴下落的途径与大小都可以精确控制。光电传感器的光源、光通路、光电元件采用的是北京青锋仪器厂生产的MUJ-ΠB电脑通用计数器的配套仪器———光电门。检测电路的主要仪器是HP54600B型数字存储示波器,同时还使用了电脑虚拟示波器来精细比较波形[3]。

4　实验结果与讨论

在室温下配制了九种不同浓度的氯化钠溶液。其折射率采用阿贝测试仪检测的,用虚拟示波器观测的单个液滴通过光路时光敏二极管电压波形如图1所示(注:Uz为虚拟示波器上的电压值,垂直方向1V/div,水平方向2ms/div)。