本實(shí)用新型專利技術(shù)公開了一種基于光學(xué)腔增強(qiáng)的液體測(cè)量系統(tǒng)，包括光源模塊、光腔模塊、探測(cè)模塊三個(gè)部分：光源模塊是可切換的單色光源或白光光源經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡以及濾波片后調(diào)制的光；光學(xué)腔模塊是兩個(gè)平凹高反鏡組成的平行腔用于讓光在腔內(nèi)多次反射提高光程；探測(cè)模塊是雪崩光電二極管和高精度的光柵光譜儀。應(yīng)用光學(xué)腔增強(qiáng)光路結(jié)構(gòu)，建立吸收系數(shù)計(jì)算模型，用單色光入射系統(tǒng)進(jìn)而可以檢測(cè)含雜質(zhì)的溶液物質(zhì)濃度。當(dāng)用一定波段范圍的非相干寬帶光源入射系統(tǒng)時(shí)構(gòu)成了IBBCEAS系統(tǒng)還可以測(cè)量液體中微量因子的吸收譜，從而得到更多的信息。本實(shí)用新型專利技術(shù)具備較高的靈敏性，可用于商業(yè)化妝品中渾濁度檢測(cè)、水體中藻類等樣品檢測(cè)、成分分析等應(yīng)用。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種基于光學(xué)腔增強(qiáng)的液體測(cè)量系統(tǒng)
本技術(shù)涉及一種基于光學(xué)腔增強(qiáng)的液體測(cè)量系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
液體光學(xué)腔增強(qiáng)技術(shù)可用于液體以及濁液中的濃度測(cè)量以及成分分析，在單色光照射下，液體中的一些物質(zhì)的顆粒以及水分子對(duì)光進(jìn)行吸收和散射，光在高反腔內(nèi)多次反射增大了探測(cè)的光程，也增大了吸收和散射的效應(yīng)。根據(jù)米氏散射的定理，不同的粒徑大小的顆粒對(duì)光的散射強(qiáng)度不一樣，所以針對(duì)液體中的顆粒粒徑大小不同可以更換不同單色光源，便于測(cè)量不同物質(zhì)的濃度大小。在一定帶寬范圍的寬帶光源照射下，液體中的顆粒物質(zhì)會(huì)對(duì)光選擇性吸收，探測(cè)模塊可獲得液體物質(zhì)的吸收譜，從而分析物質(zhì)的性質(zhì)。目前還沒有相關(guān)的設(shè)備系統(tǒng)，能同時(shí)測(cè)量液體中物質(zhì)的濃度和吸收譜性質(zhì)。腔增強(qiáng)技術(shù)是利用兩個(gè)平凹高反鏡組成的高反腔，光在腔內(nèi)多次反射，增大吸收與散射，使得探測(cè)信號(hào)變得更加明顯，腔增強(qiáng)技術(shù)大多用于氣體測(cè)量，探測(cè)微量氣體的濃度以及吸收譜，將腔增強(qiáng)技術(shù)用于液體的物質(zhì)的測(cè)量，不僅彌補(bǔ)了當(dāng)下測(cè)量液體物質(zhì)的高昂成本的缺陷，還增加了腔增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用范圍。隨著光學(xué)腔增強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量低濃度的物質(zhì)技術(shù)越來越成熟，但是目前的一些測(cè)量設(shè)備一般都不易移動(dòng)且價(jià)格不菲，本技術(shù)不僅測(cè)量精度高而且便攜式，便于攜帶用于實(shí)地的測(cè)量。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了提高測(cè)量的精度和靈敏度，本技術(shù)的目的是提供一種基于光學(xué)腔增強(qiáng)的液體測(cè)量系統(tǒng)。一種基于光學(xué)腔增強(qiáng)的液體測(cè)量系統(tǒng)，包括光源模塊、光腔模塊、探測(cè)模塊三個(gè)部分：光源模塊是可切換的單色光源或白光光源；光腔模塊是兩個(gè)平凹高反鏡組成的平行腔用于讓光在腔內(nèi)多次反射提高光程從而增強(qiáng)了對(duì)光的吸收與散射；探測(cè)模塊是可切換的雪崩光電二極管和高精度的光柵光譜儀。應(yīng)用腔增強(qiáng)光路結(jié)構(gòu)，建立吸收系數(shù)計(jì)算模型，用單色光入射系統(tǒng)進(jìn)而可以檢測(cè)含雜質(zhì)的溶液。當(dāng)用一定波段范圍的非相干寬帶光源入射系統(tǒng)時(shí)構(gòu)成了IBBCEAS系統(tǒng)還可以測(cè)量液體中微量因子的吸收譜，從而得到光譜信息等更多元的信息。所述的光源模塊包括：?jiǎn)紊庠础坠夤庠础?zhǔn)直器、帶通濾波片；所述的單色光源是單色激光光源，所述的白光寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后經(jīng)過帶通濾波器片，然后經(jīng)過反射鏡進(jìn)入光腔模塊。所述的光腔模塊是兩個(gè)平凹高反射率鏡片組成的高反腔，將待測(cè)樣品放于高反腔中，光源進(jìn)入高反腔后在腔內(nèi)來回反射，增大光程，從而增強(qiáng)了對(duì)光的吸收與散射，可用于探測(cè)液體中微量待測(cè)物的濃度并獲得更好的靈敏度。所述的探測(cè)模塊包括雪崩二極管和光柵光譜儀。二者的使用有一定的區(qū)分：當(dāng)測(cè)量樣品的濃度時(shí)，即入射光是窄帶光源的單色光入射時(shí)，只需要獲取測(cè)量的強(qiáng)度信號(hào)，將雪崩二極管作為探測(cè)器用于獲取出射光強(qiáng)度信息；當(dāng)入射光是非相干寬帶光源，測(cè)量樣品的光譜信號(hào)用于分析樣品的性質(zhì)時(shí)，將光柵光譜儀作為探測(cè)器用于獲取樣品的光強(qiáng)度信息和光譜信息用于分析。所以系統(tǒng)有這樣的組合方式：當(dāng)光源是可調(diào)單色光時(shí)，探測(cè)器是雪崩二極管；當(dāng)光源是寬帶光源時(shí)，探測(cè)器是光柵光譜儀。所述的吸收系數(shù)計(jì)算模型：當(dāng)光進(jìn)入光腔內(nèi)并在其中來回反射時(shí)，樣品不僅對(duì)光有吸收反應(yīng)還有散射效應(yīng)，由此依據(jù)吸收系數(shù)建立模型：其中λ時(shí)入射光波長，是參考光光強(qiáng)、是透射光光強(qiáng)、是高反鏡的反射率，是光腔的有效長度，和分別是瑞利散射和米氏散射消光系數(shù)。計(jì)算公式如下：。所述的光腔模塊中放置待測(cè)樣品，由于入射光波長在高反鏡的高反區(qū)間，所以光在腔內(nèi)多次反射增加光程，彌補(bǔ)了單次入射的探測(cè)靈敏度不夠的缺陷，大大降低了可探測(cè)樣品的濃度極限并提高了探測(cè)弱信號(hào)的強(qiáng)度。所述的樣品在腔內(nèi)經(jīng)過光的多次反射后經(jīng)過消色差透鏡聚焦于光纖中，然后經(jīng)光纖傳輸?shù)教綔y(cè)器模塊上進(jìn)行測(cè)量。本技術(shù)的有益效果：本技術(shù)首先基于物質(zhì)的吸收和散射效應(yīng)，建立了待測(cè)樣品的吸收系數(shù)計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了樣品的吸收測(cè)量，當(dāng)近似于單色光入射時(shí)，在高反鏡組成的光腔內(nèi)，由于光多次反射，增強(qiáng)了物質(zhì)的吸收和散射效應(yīng)，從而可以測(cè)量更低濃度的樣品，一定范圍的寬帶光源照射系統(tǒng)時(shí)，構(gòu)成了非相干寬帶腔增強(qiáng)技術(shù)測(cè)量物質(zhì)的吸收譜。系統(tǒng)具有較高的靈敏度，可用于商業(yè)化妝品中渾濁度檢測(cè)、水體中含量小的樣品檢測(cè)、成分分析等應(yīng)用。附圖說明圖1是本技術(shù)的一種基于光學(xué)腔增強(qiáng)的液體測(cè)量系統(tǒng)的示意圖：其中1是可切換的光源，2是準(zhǔn)直器，3是濾波片，4是反射鏡，改變光軸方向，5是光闌，6和8是高反鏡，7是待測(cè)樣品，9是消色差透鏡，10是光纖轉(zhuǎn)接環(huán)，11是光纖，12是探測(cè)器，13是可調(diào)二維位移臺(tái)。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本技術(shù)做進(jìn)一步闡述。如圖1所示：光源1發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直器2后成為準(zhǔn)直光斑，使得經(jīng)過準(zhǔn)直器的光束半徑變小且光密度增高，準(zhǔn)直后的光經(jīng)過濾波片，再經(jīng)過反射鏡后進(jìn)入光腔模塊，光腔模塊是由6和8兩塊平凹高反鏡組成，光束在光腔內(nèi)多次穿過樣品7，然后透射光經(jīng)過消色差透鏡后聚焦于光纖轉(zhuǎn)接環(huán)，進(jìn)而進(jìn)入光纖中，最終進(jìn)入探測(cè)器。根據(jù)探測(cè)的目的不同，系統(tǒng)有不同的組合方式：當(dāng)光源是單色光是探測(cè)模塊是雪崩二極管（APD）用于探測(cè)光強(qiáng)度信號(hào)，當(dāng)光源是非相干寬帶光源是可更換為測(cè)量光譜信號(hào)的光柵光譜儀。一方面，當(dāng)測(cè)量待測(cè)樣品的濃度時(shí)，探測(cè)模塊選擇雪崩二極管測(cè)量光強(qiáng)度信號(hào)，雪崩二極管對(duì)光強(qiáng)度的敏感度比較強(qiáng)，通過Labview程序來控制信號(hào)的采集和存儲(chǔ)。另一方面，當(dāng)測(cè)量待測(cè)樣品的光譜信息時(shí)，探測(cè)模塊選擇光柵光譜儀來采集數(shù)據(jù)。光經(jīng)過液體時(shí)，液體會(huì)對(duì)光進(jìn)行吸收，與此同時(shí)，液體中的顆粒會(huì)對(duì)光散射，存在瑞利散射和米氏散射兩種散射，從而衰弱光信號(hào)，經(jīng)過準(zhǔn)直后的光需進(jìn)行光闌限制其光束大小，所以在腔內(nèi)的吸收系數(shù)為：測(cè)量液體中的多種物質(zhì)時(shí)，總的吸收系數(shù)是：其中是不同物質(zhì)的吸收系數(shù)，是數(shù)密度。在本技術(shù)的實(shí)例案例中，光源和探測(cè)模塊更換方便。在保證機(jī)械機(jī)構(gòu)不沖突的前提下（高反鏡與前后的光學(xué)元件保持一定距離），腔增強(qiáng)技術(shù)大大提高探測(cè)的靈敏度，增加了本技術(shù)的廣泛應(yīng)用性。作為實(shí)例案例，本技術(shù)在化妝品的含有物（二氧化鈦）溶液中測(cè)試并分析，使用了532nm激光器和635nm激光器對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量了化妝品中含有物二氧化鈦溶液的不同濃度樣品的光強(qiáng)度信息，最低可測(cè)濃度為2.5，并且在模擬樣品存儲(chǔ)的過程中測(cè)量出隨時(shí)間變化樣品上清液中的濃度變化，有一定的時(shí)間分辨率。化妝品中的一些添加劑本身與水混合后時(shí)懸濁狀態(tài)，所以濃度在一定時(shí)間內(nèi)保持不變，根據(jù)不同的化妝品中的物質(zhì)可以調(diào)節(jié)不同的單色光入射系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，在實(shí)際測(cè)量中可以根據(jù)不同種類的物體濃度變化曲線得出該物質(zhì)在水中的沉降速率和沉淀或者懸濁等性質(zhì)進(jìn)行分析。另一方面，作為實(shí)施案例的擴(kuò)展，可以采藻類溶液并測(cè)量其光譜信息，藻類在某一波段有特征吸收峰，所以在測(cè)量含藻類溶液時(shí)光譜信號(hào)會(huì)有比較大的變化進(jìn)而可以分析出溶液中的物質(zhì)分析。測(cè)量藻類溶液時(shí)，選擇一定波帶范圍的非相干寬帶光，與高反腔組成IBBCEAS系統(tǒng)，這種測(cè)量方式彌補(bǔ)了用顯微鏡觀察微量藻類并測(cè)量其光譜時(shí)候的測(cè)量不準(zhǔn)弊端，大大提升了靈敏度和測(cè)量速度。上述描述中的本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于光學(xué)腔增強(qiáng)的液體測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：包括光源模塊、光學(xué)腔模塊、探測(cè)模塊三個(gè)部分；光源模塊是波長可切換或可調(diào)的單色光源或白光光源經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡以及濾波片后調(diào)制的光；光學(xué)腔模塊是兩個(gè)平凹高反鏡組成的平行腔用于讓光在腔內(nèi)多次反射提高光程，光多次穿透待測(cè)樣品，從而增強(qiáng)了對(duì)光的吸收與散射，測(cè)量腔外的透射或反射光信息用于基于吸收系數(shù)計(jì)算模型探測(cè)液體中微量待測(cè)物的濃度；探測(cè)模塊是雪崩光電二極管或高精度的光柵光譜儀。/n
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于光學(xué)腔增強(qiáng)的液體測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：包括光源模塊、光學(xué)腔模塊、探測(cè)模塊三個(gè)部分；光源模塊是波長可切換或可調(diào)的單色光源或白光光源經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡以及濾波片后調(diào)制的光；光學(xué)腔模塊是兩個(gè)平凹高反鏡組成的平行腔用于讓光在腔內(nèi)多次反射提高光程，光多次穿透待測(cè)樣品，從而增強(qiáng)了對(duì)光的吸收與散射，測(cè)量腔外的透射或反射光信息用于基于吸收系數(shù)計(jì)算模型探測(cè)液體中微量待測(cè)物的濃度；探測(cè)模塊是雪崩光電二極管或高精度的光柵光譜儀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光學(xué)腔增強(qiáng)的液體測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：所述的光源模塊包括：波長可切換或可調(diào)的單色光源或白光光源、準(zhǔn)直器、帶通濾波片；所述的單色光源是窄帶激光光源，所述的白光光源發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后經(jīng)過帶通濾波器片，然后經(jīng)過反射鏡進(jìn)入光學(xué)腔模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光學(xué)腔增強(qiáng)的液體測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：所述的光學(xué)腔模塊是兩個(gè)高反射率平凹鏡片組成的高反腔，將待測(cè)樣品放于高反腔中，光源進(jìn)入高反腔后在腔內(nèi)來回反射，增大光程，從而增強(qiáng)了對(duì)光的吸收與散射，腔外測(cè)量獲得的透射或反射光信息可用于探測(cè)液體中微量待測(cè)物的濃度并獲得更好的靈敏度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光學(xué)腔增強(qiáng)的液體測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：所述的探測(cè)模塊包...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：何賽靈，張浩東，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：蘇州優(yōu)函信息科技有限公司，
類型：新型
國別省市：江蘇;32
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