透明溶液浓度磁光检测装置

摘要

透明溶液浓度磁光检测装置包括顺序排列的激光器(1)、起偏器(2)、第一透明容器(3)和第二透明容器(4)、交流磁光调制器(6)、检偏器(7)、光电探测器(8)、信号调理器(9)以及微机处理与显示单元(10)，静磁场(5)位于第一透明容器(3)和第二透明容器(4)旁；由激光器(1)发出光束顺序经过起偏器(2)、第一透明容器(3)和第二透明容器(4)、交流磁光调制器(6)、检偏器(7)到达光电探测器(8)，由光电探测器(8)采集光强信号转换为光强电信号输出到信号调理器(9)，信号调理器(9)将光电探测器(8)输出的光强电信号中直流分量和二倍频分量分离，分离后的直流分量和二倍频分量分别输入到微机处理显示单元(10)。

权利要求

1.一种透明溶液浓度磁光检测装置，其特征在于该检测装置包括顺序排列的激光器(1)、起偏器(2)、第一透明容器(3)和第二透明容器(4)、交流磁光调制器(6)、检偏器(7)、光电探测器(8)、信号调理器(9)以及微机处理与显示单元(10)，静磁场(5)位于第一透明容器(3)和第二透明容器(4)旁；由激光器(1)发出光束顺序经过起偏器(2)、第一透明容器(3)和第二透明容器(4)、交流磁光调制器(6)、检偏器(7)到达光电探测器(8)，由光电探测器(8)采集光强信号转换为光强电信号输出到信号调理器(9)，信号调理器(9)将光电探测器(8)输出的光强电信号中直流分量和二倍频分量分离，分离后的直流分量和二倍频分量分别输入到微机处理与显示单元(10)；

所述的位于第一透明容器(3)与位于第二透明容器(4)旁的静磁场(5)，磁场强度大小相等，方向相反，磁力线与光线平行。

2.根据权利要求1所述的透明溶液浓度磁光检测装置，其特征在于所述的第一透明容器(3)和第二透明容器(4)采用完全相同的透明容器，第一透明容器(3)中存放透明溶液，第二透明容器(4)中存放透明溶剂。

3.根据权利要求1所述的透明溶液浓度磁光检测装置，其特征在于所述检偏器(7)和起偏器(2)透振方向置于互相垂直位置。

说明书

透明溶液浓度磁光检测装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种透明溶液浓度磁光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

[0002] 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。

[0003] 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。目前对于溶液浓度的检测方法研究较深入，精度也达到一定要求；但利用磁光技术检测溶液浓度的研究较少，且一般的检测方法没有解决混合溶液浓度的检测问题，现有的部分混合溶液浓度检测技术装置较[1]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。本发明专利基于法拉第磁光效应原理，提出分离检测溶质维尔德常数的方法，对含有顺磁性或者抗磁性溶质的溶液浓度进行检测。该检测技术可以用于检测含有单一成分溶质的透明溶液浓度或者含有多种顺磁性或抗磁性溶质的透明混合溶液中各种溶质的浓度。该方法通过分离检测溶质的维尔德常数直接得到溶质的维尔德常数与浓度之间的定标关系，消除了溶剂和容器等背景旋光[2]
的影响，结合顺磁性或抗磁性溶质维尔德常数的色散特性 ，还可以用于检测多种溶质混合溶液浓度；采用磁光调制的信号处理技术提高了系统的检测灵敏度；采用两路信号相除的方法消除了光源发光功率不稳定和光强吸收因素的影响；采用非接触的检测方法，对溶液无污染；该技术将在溶液浓度检测领域获得较好的应用。

[0004] 参考文献

[0005] [1]孙选，徐可欣，艾长胜等.基于多元液体浓度传感器的牛奶成分浓度检测技术[J].传感技术学报，2006，19(4)：966～969

[0006] [2]刘公强，乐志强，沈德芳等.磁光学[M].上海：上海科学技术出版社，2001：42～44

[0007] [3]曾爱军，王向朝，董作人等.光弹调制器在偏振方向调制中的应用[J].中国激光，2005，32(8)：1063～1066

[0008] [4]李成仁，吕翎等.用法拉第效应测液体浓度[J].辽宁师范大学学报(自然科学版)，1996，19(3)：259～262

发明内容

[0009] 技术问题：本发明的目的在于提出一种基于溶质维尔德常数分离检测的透明溶液浓度磁光检测装置，解决利用磁光技术在液体浓度检测中存在的背景磁旋光的影响问题。同时结合顺磁性或抗磁性溶质的维尔德常数的色散特性，提出利用磁光技术解决混合溶液的浓度检测问题。

[0010] 技术方案：本发明的透明溶液浓度磁光检测装置包括顺序排列的激光器、起偏器、第一透明容器和第二透明容器、交流磁光调制器、检偏器、光电探测器、信号调理器以及微机处理与显示单元，静磁场位于第一透明容器和第二透明容器旁；由激光器发出光束顺序经过起偏器、第一透明容器和第二透明容器、交流磁光调制器、检偏器到达光电探测器，由光电探测器采集光强信号转换为光强电信号输出到信号调理器，信号调理器将光电探测器输出的光强电信号中直流分量和二倍频分量分离，分离后的直流分量和二倍频分量分别输入到微机处理显示单元。

[0011] 所述的第一透明容器和第二透明容器采用完全相同的透明容器，第一透明容器中存放透明溶液，第二透明容器中存放透明溶剂。

[0012] 所述的位于第一透明容器与位于第二透明容器旁的静磁场，磁场强度大小相等，方向相反，磁力线与光线平行。

[0013] 所述检偏器和起偏器透振方向置于互相垂直位置。

[0014] 本发明的一种透明溶液浓度磁光检测技术装置如图1所示。图中激光器采用激光光源，发出的激光经过起偏器变为平面偏振光后入射至第一透明容器和第二透明容器，第一透明容器存放待测溶液，第二透明容器存放溶剂，第一透明容器和第二透明容器分别置于静磁场的左右两部分当中，左右两部分磁场大小相等，方向相反，磁力线与入射光线平行，第一透明容器中产生的磁旋光角度为溶质、溶剂和容器三者之和，第二透明容器中产生的磁旋光角度为溶剂和容器两者之和。由于第一透明容器和第二透明容器分别置于大小相等、方向相反的磁场中，根据磁光效应相关原理，第一透明容器和第二透明容器中的容器和溶剂所产生的磁旋光角互相抵消，因此入射的线偏振光经过第一透明容器和第二透明容器后总的磁旋光角度由第一透明容器中溶质产生，达到分离检测溶液中溶质磁旋光角的目的，进而得到溶质的维尔德常数。

[0015] 经过第二透明容器后的线偏振光携带了溶质的磁旋光角度再入射至交流磁光调制器，通过检偏器后的光强由光电探测器接收，光电探测器将得到的光强信号输入至信号[3]调理器，信号调理器分离出光强信号中的直流分量和二倍频分量 ，分别输入到微机处理与显示单元，微机将直流分量与二倍频分量的有效值进行相比较即可计算出溶质的磁旋光角度。

[0016] 给磁光调制器通以交流电信号i＝i0 sinωt，从而产生交变磁场H＝H0sinωt，产生的交变磁旋光角度为δ＝δ0sinωt。设溶质所产生的磁旋光角度为θ，则总的磁旋光角度为(θ+δ0sinωt)，设经过起偏器的初始入射光强为I0，考虑(θ+δ0sinωt)较小，则通过检偏器的光强为：

[0017]

[0018] 其中， 是直流分量，2θδ0sinωt是基频分量， 是二倍频分量，为了消除光源发光功率不稳定所带来的影响以及消除光的吸收因素等。将直流分量和倍频分量的有效值相比较得到(不考虑电路增益)相对光强值：

[0019]

[0020] 这里的δ0是调制角幅度，视为已知值，相对光强值I′可由计算机直接算出，这样根据公式(2)就可以得出θ的大小，从而分离检测出溶质的磁旋光角度θ。再根据法拉第磁光效应，θ＝VHL，V为维尔德常数，H为磁场强度，L为光在样品中传播的长度，H和L皆可通过测量得到，从而计算出溶质的维尔德常数V。

[0021] 对于只含有一种顺磁性或抗磁性溶质的透明溶液来说，可以配置几种标准浓度的待测溶液，分别通过本系统分离检测不同浓度时溶质的维尔德常数，再通过数据拟合得到溶质维尔德常数与浓度之间的定标关系(一般为：V(c，λ，T)＝c·k(λ，T)，其中c、λ、T分别为溶质的浓度、使用的光的波长和环境温度)，k(λ，T)为定标系数[4]。当该溶质溶于不同溶剂时，该定标关系仍然成立；因此不管该溶质溶于任何溶剂，只要利用本检测系统对溶质的维尔德常数进行分离检测，将得到的溶质的维尔德常数与已有的定标关系进行比较，即可得到溶液的浓度。如果结合顺磁性和抗磁性溶质维尔德常数的色散特性，使用不同波长的入射光，还可以检测含有多种成分溶质的透明混合溶液浓度。

[0022] 对公式(2)求导，可以得出系统检测灵敏度公式：

[0023]

[0024] 由此可见，调制角幅度δ0越小，检测灵敏度越高。

[0025] 有益效果：根据以上叙述可知，本发明具有如下特点：

[0026] 本发明利用磁光效应原理，设计了基于溶质维尔德常数分离检测的溶液浓度检测技术，该技术可以用于检测单一成分溶质的溶液浓度和含有顺磁性或抗磁性溶质的多种成分溶质混合溶液浓度。该方法采用分离检测技术消除了溶剂和容器等背景旋光的影响；采用磁光调制的信号处理技术提高了系统的检测灵敏度；采用两路信号相除的方法消除了光源发光功率不稳定和光强吸收等因素的影响；采用非接触的检测方法，对溶液无污染；该技术将在溶液浓度检测领域获得较好的应用。

[0027] 创新之处在于：本发明利用磁光效应原理，设计了基于溶质维尔德常数分离检测的溶液浓度检测技术，该技术可以用于检测单一成分溶质的溶液浓度和含有顺磁性或抗磁性溶质的多种成分溶质混合溶液浓度。采用分离检测技术消除了溶剂和容器等背景旋光的影响；采用两路信号相除的方法消除了光源发光功率不稳定和光强吸收等因素的影响；采用非接触的检测方法，对溶液无污染；该技术将在溶液浓度检测领域获得较好的应用。

附图说明

[0028] 图1是一种透明溶液浓度磁光检测装置示意图。

[0029] 图中有：激光器1、起偏器2、第一透明容器3、第二透明容器4、静磁场5、交流磁光调制器6、检偏器7、光电探测器8、信号调理器9、微机处理与显示单元10。

具体实施方式

[0030] 具体实施例1：

[0031] 本发明提出一种透明溶液浓度磁光检测该检测装置包括顺序排列的激光器1、起偏器2、第一透明容器3和第二透明容器4、交流磁光调制器6、检偏器7、光电探测器8、信号调理器9以及微机处理与显示单元10，静磁场5位于第一透明容器3和第二透明容器4旁；由激光器1发出光束顺序经过起偏器2、第一透明容器3和第二透明容器4、交流磁光调制器6、检偏器7到达光电探测器8，由光电探测器8采集光强信号转换为光强电信号输出到信号调理器9，信号调理器9将光电探测器8输出的光强电信号中直流分量和二倍频分量分离，分离后的直流分量和二倍频分量分别输入到微机处理显示单元10。

[0032] 磁力线与入射光线平行，给交流磁光调制器通以交流电i＝i0sinωt，从而产生一个交变磁旋光角度δ＝δ0sinωt。激光器1发出的激光依次入射至起偏器2、容器第一透明容器3和第二透明容器4，交流磁光调制器6、检偏器7、光电探测器8。设溶质所产生的磁旋光角度为θ，经过起偏器2的初始入射光强为I0，则由公式(2)可以得出θ的大小，从而分离检测出溶质的磁旋光角度θ。再根据法拉第磁光效应，θ＝VHL，V为维尔德常数，H为磁场强度，L为样品光程，H和L皆可通过测量得到，从而计算出溶质的维尔德常数V。

[0033] 对于只含有一种顺磁性或抗磁性溶质的透明溶液来说，可以配置几种标准浓度的待测溶液，分别通过本系统分离检测不同浓度时溶质的维尔德常数，再通过数据拟合得到溶质维尔德常数与浓度之间的定标关系(一般为：V(c，λ，T)＝c·k(λ，T)，其中c、λ、T分别为溶质的浓度、使用的光的波长和环境温度)，k(λ，T)为定标系数。当该溶质溶于不同溶剂时，该定标关系仍然成立；因此不管该溶质溶于任何溶剂，只要利用本检测系统对溶质的维尔德常数进行分离检测，将得到的溶质的维尔德常数与已有的定标关系进行比较，即可得到溶液的浓度。

[0034] 具体实施例2：

[0035] 本发明提出一种透明溶液浓度磁光检测技术。检测装置由激光器1、起偏器2、第一透明容器3、第二透明容器4、静磁场5、交流磁光调制器6、检偏器7、光电探测器8、信号调理器9以及微机处理与显示单元10组成。

[0036] 第一透明容器3中存放溶液，第二透明容器4中存放溶剂，第一透明容器3分别置于大小相等、方向相反的磁场中，使磁力线与入射光线平行。给交流磁光调制器通以交流电i＝i0 sin ωt，从而产生一个交变磁旋光角度δ＝δ0 sin ωt。激光器1发出的激光依次入射至起偏器2、第一透明容器3、第二透明容器4，交流磁光调制器6、检偏器7、光电探测器8。设溶质所产生的磁旋光角度为θ，经过起偏器2的初始入射光强为I0，则由公式(2)可以得出θ的大小，从而分离检测出溶质的磁旋光角度θ。再根据法拉第磁光效应，θ＝VHL，V为维尔德常数，H为磁场强度，L为样品光程，H和L皆可通过测量得到，从而计算出溶质的维尔德常数V。

[0037] 对于含有两种顺磁性或抗磁性溶质A和B的透明混合溶液来说，使用λ1和λ2两种不同波长的入射光，对于溶质A的维尔德常数与浓度之间的定标关系可以通过定标实验(定标方法同实施例1)得到为：

[0038] VAλ1＝kAcA

[0039] (4)

[0040] VAλ2＝k′AcA

[0041] 其中kA、k′A为定标系数，cA为A溶质的浓度。

[0042] 对于溶质B的维尔德常数与浓度之间的定标关系可以通过定标实验得到为：

[0043] VBλ1＝kBcB

[0044] (5)

[0045] VBλ2＝k′BcB

[0046] 其中，kB、k′B为定标系数，cB为B溶质的浓度。

[0047] 对应入射波长λ1，A、B两种溶质总的维尔德常数为：

[0048] V总λ1＝VAλ1±VBλ1＝kAcA±kBcB (6)

[0049] 公式中“+、-”号分别表示A、B两种溶质磁旋光方向相同或相反。

[0050] 对应入射波长λ2，A、B两种溶质总的维尔德常数为：

[0051] V总λ2＝VAλ2±VBλ2＝k′AcA±k′BcB (7)

[0052] 公式中“+、-”号分别表示A、B两种溶质磁旋光方向相同或相反。

[0053] 由式(6)和式(7)组成二元一次方程组，其中，A、B两种溶质磁旋光方向和kA、k′A、kB、k′B均可视为已知，解这个方程组，就可以得出溶质A和溶质B的浓度cA和cB。

[0054] 具体实施例3：

[0055] 本发明提出一种透明溶液浓度磁光检测技术。检测装置由激光器1、起偏器2、透明容器第一透明容器3、第二透明容器4、静磁场5、交流磁光调制器6、检偏器7、光电探测器8、信号调理器9以及微机处理与显示单元10组成。

[0056] 第一透明容器3中存放溶液，第二透明容器4中存放溶剂，第一透明容器3、第二透明容器4分别置于大小相等、方向相反的磁场中，使磁力线与入射光线平行。给交流磁光调制器通以交流电i＝i0 sin ωt，从而产生一个交变磁旋光角度δ＝δ0 sin ωt。激光器1发出的激光依次入射至起偏器2、第一透明容器3、第二透明容器4、交流磁光调制器6、检偏器7、光电探测器8。设溶质所产生的磁旋光角度为θ，经过起偏器2的初始入射光强为I0，则由公式(2)可以得出θ的大小，从而分离检测出溶质的磁旋光角度θ。再根据法拉第磁光效应，θ＝VHL，V为维尔德常数，H为磁场强度，L为样品光程，H和L皆可通过测量得到，从而计算出溶质的维尔德常数V。

[0057] 设溶液中含有n种抗磁性或顺磁性溶质，设第n种溶质的浓度为cn，则它的维尔德常数可表示为Vn(cn，λm，T)＝cn·kn(λm，T)，其中cn、λm、T分别为第n种溶质的浓度、使用的光的波长和环境温度。kn(λm，T)为定标系数(定标方法同实施例1)，视为已知。当用m种不同波长的光通过本系统测量得到的n种溶质的总的维尔德常数可表示为：

[0058]

[0059] 当m＝n时，(8)式为n元一次方程组，求解即可得到每种溶质的浓度cn；公式中“-”号表示某种溶质磁旋光方向与其它溶质相反的情况。