[实用新型]一种液体多参数传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及测量与光学领域，具体涉及一种光学传感器，用于液体的多种参数的测量。

背景技术

密度、折射率、浓度、波美度、糖度等相关参数是液体性能的重要指标。这些参数之间有着线性关系，可以相互换算。这类参数的测量装置被广泛用于国民经济与国防等各个领域，例如：炼油、制药、造纸、食品等等产品生产中的过程监控与品质检测，可以节约成本并提高品质。下面以密度测量技术为例，作背景技术介绍。

液体密度是一个重要的参量，目前已经有许多技术实现了液体密度计量。国内一直重视对液体密度的计量，但是由于科学技术水平有限，在建国后的一段时期内，测量方法比较落后。不过，随着国家经济实力的日益强盛，以及科研水平的不断提高，通过对国外部分技术的学习，发现了很多先进的测量方式并投入了使用。目前，现场使用较多的是浮子式或振动式的液体密度计，超声波检测法的应用也逐渐增多。

浮子式密度计依据阿基米德定律，通过将浸在液体中的浮子位移和浮力变化，变换成各种电或机械检测信号来测定液体密度。一般可分为漂浮式和全浸式两种。在工农业生产的初期，这种方法以其简便实用获得了广泛的应用。但是缺点也十分明显，对于漂浮式浮子法，其受环境温度影响较大，精度和灵敏度非常低。全浸式浮子法虽然所受液体表面张力影响小，但是实时性差，对液体流速十分敏感。因此，该方法不适合高精度、快流速的测量。

谐振式液体密度传感器应用较为广泛，研究新进展也比较多。其测量原理是通过谐振子的振动来实现的。谐振子在工作过程中可以等效为一个单自由度系统，系统的固有频率与系统中的等效质量和弹性系数有关。当系统中的弹性敏感元件和液体相接触时，改变了系统的等效质量，使得系统的固有频率发生变化，通过测量系统的固有频率来间接获得密度信息。该原理的敏感元件的使用种类较多，有振动管式、科式质量计式、， 音叉式等等。该方法在液体密度动态测量用得较多，但是，存在检测速度慢，对现场环境要求，维护费用较高的缺点，它已经成为一种传统低效的测量方法。

国外也曾经使用过以上方法，但是其接触式测量方式带来的缺陷已经不能通过改进设计来实现，这样，非接触式的计量方法也就应运而生，其具有代表性的就是放射线式密度传感器和超声波液体密度传感器。

射线式传感器依据放射性同位素在衰减时会以粒子或波的形式辐射出射线的原理，当射线穿过介质时，射线强度的变化受介质密度的影响。使用光电倍增管，在测量射线经过液体后接收射线，依据强度的比例来测量密度。常用的射线是γ射线。这种方式的优点是不接触待测液体，对流体不会产生阻力，对流量大小无限制，可以测量多相液体浓度。但是辐射线会对人体造成较大伤害，因此，该方法目前已经很少使用。

超声波检测法是新近产生的较先进的测量方法。超声波是频率高于20kHz，其传播的速度、频率、相位及衰减度在液体中传播均受到介质性质的影响。目前经常利用的是声阻抗和超声速度与液体密度的关系来测量。这种方法优点是实现了非接触测量，响应快，测量精度高，无放射性，测量稳定性好，但是液体中的杂质，如气泡等可引起超声波信号的严重衰减，使测量不稳定，另外，液体粘性对精密测量也有很大影响。即便如此，超声波密度检测的方式以其优越性被称为最有前途的检测方式之一。

除了以上几种检测方法，利用光学原理进行液体密度计量是最近主要的研究方向，目前成果十分显著。光学方法是通过测量光线在液体中传输的信息来间接获得液体的密度等信息。其特点是探测光路抗电磁干扰性好，对液体影响小，测量精度高，灵敏度高，体积可设计得非常小，通用性好，可实现在线测量等。不过，其测量范围受到仪器和待测溶液的限制，而且光学校准复杂。其测量方法多样，如几何光学法、波动光学法、光纤传感法等。

几何光学法利用斯涅耳(Snell)原理，通过测量与角度相关信息来获取液体折射率，根据液体密度与折射率之间的线性关系，进而再将折射率转化为密度信息。在19世纪60年代阿贝(Abbe)折光计被实用新型之后不到100年里，在该领域产生了一些杰出的对现代光学测量仪器产生重大影响的测量技术，主要的有：阿贝(Abbe)折光法、普尔弗里希(Pulfrich)折光法、浸入式折光法、最小偏角法和V型棱镜法。这类测量方法原理简单、测量精确、抗干扰能力强。在20世纪后期，随着半导体技术和电子技术 的成熟，利用光学原理进行液体折射率相关量的自动测量是该领域近年来的研究方向，相关报道较多。