專利名稱：基于超聲衍射光柵的液體密度在線監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液體密度在線監(jiān)測系統(tǒng)，尤其涉及一種基于超聲波衍射光柵的液體密度的在線監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前光電技術(shù)及超聲波技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在許多領(lǐng)域光電技術(shù)與超聲波技術(shù)都有廣泛的應(yīng)用。對(duì)于液體密度的在線監(jiān)測，現(xiàn)在國內(nèi)還沒有采用光電和超聲波技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)監(jiān)測液體密度的儀器設(shè)備。對(duì)于液體密度的測定和監(jiān)控主要采用以下兩種測定方法
(1)在固定體積的情況下，采用監(jiān)測對(duì)應(yīng)質(zhì)量的辦法得到其密度；
(2)利用力敏器件測液體內(nèi)的壓差。此兩種方法的缺點(diǎn)主要有
(1)對(duì)傳感器的工作狀態(tài)要求苛刻，要實(shí)現(xiàn)精確測定，測試環(huán)境必須穩(wěn)定、干擾小且傳感器的測量精度要足夠高；
(2)傳感器使用前必須進(jìn)行預(yù)處理操作，如校準(zhǔn)；
(3)傳感器特性曲線的疲勞變化，如隨使用時(shí)間的推移，傳感器的特性曲線質(zhì)量降低，從而導(dǎo)致精度降低，誤差增大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于超聲波衍射光柵的液體密度的在線監(jiān)測系統(tǒng)。為了解決上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種基于超聲波衍射光柵的液體密度的在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括激光器、擴(kuò)束鏡、平行光管、壓電陶瓷平面超聲波發(fā)生器、DDS超聲波信號(hào)源、超聲池、蠕動(dòng)泵進(jìn)樣系統(tǒng)和CCD測量系統(tǒng)，其構(gòu)成形式為擴(kuò)束鏡置于激光器前，平行光管置于擴(kuò)束鏡前，超聲池置于平行光管前，超聲池內(nèi)安裝有壓電陶瓷平面超射波發(fā)生器，壓電陶瓷平面超射波發(fā)生器與DDS超聲波信號(hào)源連接。激光器輸出的激光束經(jīng)擴(kuò)束鏡和平行光管得到高品質(zhì)的單色線光源；DDS超聲波信號(hào)源產(chǎn)生的高頻正余弦信號(hào)激勵(lì)壓電陶瓷平面超射波發(fā)生器在超聲池中形成“超聲光柵”；所述的線光源的出射光束經(jīng)過“超聲光柵”的衍射，得到一列銳細(xì)的單色衍射條紋，匯聚透鏡將同一方向衍射角的出射光線匯聚于同一衍射級(jí)次位置，此位置在該匯聚透鏡的像方焦平面，同時(shí)也在CCD測量系統(tǒng)的光敏面位置；由CCD測量系統(tǒng)將衍射條紋采集到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)計(jì)算出條紋間距，求出液體樣品的密度，所述的蠕動(dòng)泵進(jìn)樣系統(tǒng)與超聲池連接。所屬的CXD系統(tǒng)的CXD傳感器是線陣的。本發(fā)明的基于超聲波衍射光柵的液體密度的在線監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理是當(dāng)超聲波發(fā)生器在周期性高頻正弦電信號(hào)的激勵(lì)下產(chǎn)生超聲波，此超聲波在樣品池液體中激勵(lì)液體媒質(zhì)產(chǎn)生周期性排布的疏密縱波，進(jìn)而使液體密度呈現(xiàn)周期性排列，當(dāng)激光束垂直入射此液體時(shí)，液體中疏密不同(折射率不同)會(huì)產(chǎn)生類似光柵的作用，通過CCD采集分析經(jīng)過樣
3品池后單色出射光線的衍射圖樣，得出液體的密度。由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的一種基于超聲波衍射光柵的液體密度的在線監(jiān)測系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是
由于采用光電技術(shù)手段，可實(shí)現(xiàn)液體密度的實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測，避免了現(xiàn)場在線監(jiān)測情況下一般傳感器使用的不利方面，而且其精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，采用計(jì)算機(jī)軟件數(shù)據(jù)處理速度快且可動(dòng)態(tài)顯示測量結(jié)果。


圖1是基于超聲波衍射光柵的液體密度的在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是CCD系統(tǒng)采集時(shí)的窗口圖樣；
圖3是利用超聲光柵衍射測量的光路圖。其中，1 激光器，2 擴(kuò)束鏡，3 平行光管，4 超聲池，5 :DDS超聲波信號(hào)源，6 壓電陶瓷平面超射波發(fā)生器，7 匯聚透鏡，8 :(XD測量系統(tǒng)，9 計(jì)算機(jī)，10 蠕動(dòng)泵進(jìn)樣系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述
如圖1所示，本發(fā)明的基于超聲波衍射光柵的液體密度的在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括一個(gè)氦氖激光器(632. 8nm) 1，也可用半導(dǎo)體激光器(600nm)；—個(gè)擴(kuò)束鏡2，一個(gè)平行光管3是由兩塊凸透鏡組成的鏡筒結(jié)構(gòu)，前方透鏡的像方焦點(diǎn)與后方透鏡的物方焦點(diǎn)重合，且前端裝有可調(diào)狹縫；一個(gè)超聲池4是由石英精密加工而成的帶蓋長方形容器；一個(gè)DDS超聲波信號(hào)源(DDS模塊)5，一塊壓電陶瓷平面超射波發(fā)生器6使用的是PZT晶片；一塊匯聚透鏡7，一個(gè)線陣CXD探測器8，計(jì)算機(jī)9和一個(gè)蠕動(dòng)泵10 ；擴(kuò)束鏡置于激光器前，平行光管置于擴(kuò)束鏡前，超聲池置于平行光管前，超聲池內(nèi)安裝有壓電陶瓷平面超射波發(fā)生器，壓電陶瓷平面超射波發(fā)生器與DDS超聲波信號(hào)源連接，激光器輸出的激光束經(jīng)擴(kuò)束鏡和平行光管得到高品質(zhì)的單色線光源；DDS超聲波信號(hào)源產(chǎn)生的高頻正余弦信號(hào)激勵(lì)壓電陶瓷平面超射波發(fā)生器在超聲池中形成“超聲光柵”；所述的線光源的出射光束經(jīng)過“超聲光柵”的衍射，得到一列銳細(xì)的單色衍射條紋，匯聚透鏡將同一方向衍射角的出射光線匯聚于同一衍射級(jí)次位置，此位置在該匯聚透鏡的像方焦平面，同時(shí)也在CXD測量系統(tǒng)的光敏面位置；由CXD測量系統(tǒng)將衍射條紋采集到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)計(jì)算出條紋間距，求出液體樣品的密度，所述的蠕動(dòng)泵進(jìn)樣系統(tǒng)與超聲池連接；所述蠕動(dòng)泵10可以在12V直流電壓工作下，將待測液體樣品從液體容器(或管路)中泵入超聲池4，多余的樣品從排出管流回到液體容器。用上述基于超聲波衍射光柵的液體密度的在線監(jiān)測系統(tǒng)來測定純凈水的密度，其具體操作方法如下
一、系統(tǒng)調(diào)整(1)線光源調(diào)整
調(diào)整激光器、擴(kuò)束鏡、平行光管三者等高、共軸，微調(diào)平行光管前端狹縫，得到豎直、銳細(xì)、高亮的線光源。(2) CXD成像系統(tǒng)調(diào)整調(diào)整會(huì)聚透鏡與CCD接收器之間的距離，使CCD陣列的光敏面位于會(huì)聚透鏡的焦平面位置，此項(xiàng)調(diào)整可借助接收白屏(紙板、塑料板均可)，通過眼睛目測看到匯聚透鏡后方的狹縫的像邊緣清楚的即可，記下屏的表面位置，再將CCD光敏面放置于之前白屏的位置，然后再由CXD采集軟件通過成像的對(duì)比度及清晰度微調(diào)CXD光敏面與會(huì)聚透鏡之間的距離，調(diào)整好可得如圖2 (a)所示效果，并測出匯聚透鏡焦距數(shù)值
/(3)超聲光柵調(diào)整
將DDS信號(hào)輸出端接至PZT晶片兩輸入端，再開啟蠕動(dòng)泵將待測純凈水泵入樣品池，打開DDS電源，調(diào)整輸出頻率，使出現(xiàn)的衍射條紋級(jí)次最多，這可以通過C⑶采集窗口觀察到，如圖2 (b)所示。二、純凈水測試與數(shù)據(jù)處理
系統(tǒng)調(diào)整好，通過CXD對(duì)衍射年紋進(jìn)行觀測，如圖2 (b)所示。可得如下數(shù)據(jù)，見表1。系統(tǒng)使用氦氖激光器(輸出波長3力632. 8nm), CXD光敏單元間距l(xiāng)lum。表1 40°C純凈水CCD觀測衍射條紋數(shù)據(jù)表(7 =10. 18MHz, / =150mm)
權(quán)利要求
1. 一種基于超聲波衍射光柵的液體密度的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于它包括激光器、擴(kuò)束鏡、平行光管、壓電陶瓷平面超射波發(fā)生器、DDS超聲波信號(hào)源、超聲池、蠕動(dòng)泵進(jìn)樣系統(tǒng)和CCD測量系統(tǒng)，其構(gòu)成形式為擴(kuò)束鏡置于激光器前，平行光管置于擴(kuò)束鏡前，超聲池置于平行光管前，超聲池內(nèi)安裝有壓電陶瓷平面超射波發(fā)生器，壓電陶瓷平面超射波發(fā)生器與DDS超聲波信號(hào)源連接，激光器輸出的激光束經(jīng)擴(kuò)束鏡和平行光管得到高品質(zhì)的單色線光源；DDS超聲波信號(hào)源產(chǎn)生的高頻正余弦信號(hào)激勵(lì)壓電陶瓷平面超射波發(fā)生器在超聲池中形成“超聲光柵”；所述的線光源的出射光束經(jīng)過“超聲光柵”的衍射，得到一列銳細(xì)的單色衍射條紋，匯聚透鏡將同一方向衍射角的出射光線匯聚于同一衍射級(jí)次位置，此位置在該匯聚透鏡的像方焦平面，同時(shí)也在CCD測量系統(tǒng)的光敏面位置；由CCD測量系統(tǒng)將衍射條紋采集到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)計(jì)算出條紋間距，求出液體樣品的密度，所述的蠕動(dòng)泵進(jìn)樣系統(tǒng)與超聲池連接。
全文摘要
本發(fā)明一種基于超聲波衍射光柵的液體密度的在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括激光器、擴(kuò)束鏡、平行光管、壓電陶瓷平面超射波發(fā)生器、DDS超聲波信號(hào)源、超聲池、蠕動(dòng)泵進(jìn)樣系統(tǒng)和CCD測量系統(tǒng)，激光器輸出的激光束經(jīng)擴(kuò)束鏡和平行光管得到高品質(zhì)的單色線光源，DDS超聲波信號(hào)源產(chǎn)生的高頻正余弦信號(hào)激勵(lì)壓電陶瓷平面超射波發(fā)生器在超聲池中形成“超聲光柵”；所述的線光源的出射光束經(jīng)過“超聲光柵”的衍射，得到一列銳細(xì)的單色衍射條紋，匯聚透鏡將同一方向衍射角的出射光線匯聚于在CCD測量系統(tǒng)的光敏面位置；由CCD測量系統(tǒng)將衍射條紋采集到計(jì)算機(jī)計(jì)算出條紋間距，求出液體樣品的密度。本發(fā)明具有精度高，易于實(shí)時(shí)監(jiān)測；結(jié)構(gòu)簡潔易行，可操作性強(qiáng)；無復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，成本低等的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N9/24GK102564895SQ201210000620
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月4日
發(fā)明者侯彬, 曹曉嬌, 朱二曠, 朱艷英, 王鎖明, 黃海波 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)