一种基于环形光路的非接触式酒精浓度测量装置及方法

本发明属于酒精浓度测量领域，具体涉及一种基于环形光路的非接触式酒精浓度测量装置及方法。

背景技术：

1、酒精溶液浓度的准确测量在许多领域具有重要意义。在医疗实践中，酒精溶液浓度的准确测量是评估药物剂量和浓度的关键。医生和药剂师需要准确确定酒精溶液中的酒精含量，以确保患者得到正确的治疗剂量，避免副作用或治疗效果不佳。在化学研究中，准确测量酒精溶液的浓度对于配制反应物、计算反应速率和评估反应结果至关重要，有助于研究人员获得可靠的数据，并推进科学研究。在工业生产中，许多行业(如化妆品、食品和饮料制造业)使用酒精溶液作为原材料或清洁剂，准确测量酒精溶液的浓度可以确保产品质量的一致性，并遵守相关的生产标准。

2、总的来说，准确测量酒精溶液的浓度对于医疗、化学研究和工业生产都具有重要意义。它有助于确保患者安全、实现科学进步、保障产品质量，故酒精浓度的准确测量就显得十分重要。不同浓度酒精折射率不同，通过测量酒精折射率即可得到待测酒精浓度。目前常用的酒精折射率测量方法主要包括以下几种：

3、(1)激光照射法：基于玻璃板上液体层表面的反射和液体的折射来测量折射率的一种方法。

4、(2)衍射光栅法：衍射光栅法是用立方体玻璃样品池、衍射光栅和激光来测量液体的折射率的方法。

5、(3)光纤杨氏干涉法：光纤杨氏干涉法就是用光纤作为相干光源，实现杨氏干涉，获得条纹较宽、明亮的干涉图样，再通过测量条纹宽度获得液体的折射率。

6、(4)掠面入射法：掠面入射法是根据全反射原理，通过测量处于临界角光线的出射角，计算出待测液体折射率。

7、以上方法在测量时，均利用特定波长激光入射待测液体，由于液体对光线的反射、折射、衍射、干涉等物理光学过程与其折射率相关，当折射率改变时，相应物理光学过程对光路的影响效应即发生变化，通过对此变量的测试和表征即可推算出液体折射率。然而，以上几种方法在测试时均存在光束在待测液体中传播距离较为有限的缺点。因此，当液体折射率改变较小时，测试精度难以保证；而增加传播距离仅可通过扩大容器来实现，不利于设备小型化及少量液体的测试工作。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种具有实时检测、快速、安全、精确等诸多优点的基于环形光路的非接触式酒精浓度测量装置及方法。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于环形光路的非接触式酒精浓度测量装置，所述的测量装置包括激光光源、滤光片、第一直角棱镜、第二直角棱镜、比色皿、第一反射镜、第二反射镜、ccd和计算机，所述的第一直角棱镜、比色皿、第二直角棱镜、第一反射镜、第二反射镜组成环形光路，所述的激光光源输出的激光光束沿完整光路走向的一个循环为：所述的激光光源输出的激光光束穿过所述的滤光片后水平入射装有酒精的所述的比色皿，激光光束水平穿过所述的比色皿后水平入射所述的第二直角棱镜并偏转90°，激光光束射出所述的第二直角棱镜后水平入射所述的第一反射镜并偏转90°，激光光束射出所述的第一反射镜后水平入射所述的第二反射镜并偏转90°，激光光束射出所述的第二反射镜后水平入射所述的第一直角棱镜并偏转90°，激光光束射出所述的第一直角棱镜后再次水平入射所述的比色皿；每经过一个循环后，所述的激光光源输出的激光光束向下平移一段距离，并进行下一个循环，经过多个循环后，激光光束从所述的第二直角棱镜的下方水平入射所述的ccd，由所述的ccd收集激光光斑位置信息并传输给所述的计算机，由所述的计算机拟合确定所述的比色皿内所装酒精的浓度对应的激光光斑位置，所述的计算机建立不同的已知酒精浓度与激光光斑位置的关系曲线；将未知浓度的待测酒精装入所述的比色皿，通过所述的测量装置测量，将测量得到的激光光斑位置代入建立的关系曲线，即获得待测酒精的浓度。

3、本发明非接触式酒精浓度测量装置中，第一直角棱镜、比色皿、第二直角棱镜、第一反射镜、第二反射镜组成环形光路，测量时激光光源输出的激光光束在环形光路中多次穿过装有(待测)酒精的比色皿，激光光束射出环形光路时，激光光束的位置加载有(待测)酒精浓度信息，最后ccd收集激光光斑位置信息并传输给计算机，由计算机建立不同的已知酒精浓度与激光光斑位置的关系曲线，并确定待测酒精的精确浓度。通过控制同一束激光光束穿过比色皿的次数可实现酒精浓度的精确测量。本发明具有实时检测、快速、安全、精确等诸多优点，利于设备小型化，在酒精浓度测量以及其他溶液浓度测量领域具有广阔的应用前景。

4、作为优选，所述的激光光源固定在第一镜架上，所述的第一直角棱镜固定在第二镜架上，所述的第二直角棱镜固定在第三镜架上，所述的第一反射镜固定在第四镜架上，所述的第二反射镜固定在第五镜架上，所述的第一镜架、第二镜架、第三镜架、第四镜架和第五镜架的仰俯角度分别可调，所述的比色皿固定在干板架上。

5、作为优选，所述的第三镜架上开设有通光孔，所述的通光孔位于所述的第二直角棱镜的下方，经过多个循环后，激光光束穿过所述的通光孔水平入射所述的ccd。

6、作为优选，所述的激光光源的中心波长为520±5nm，光功率为5mw，光斑尺寸为3.5mm。

7、作为优选，所述的滤光片为圆形渐变滤光片，其工作波长为240～1200nm，光密度od值为0.04～2.0。

8、作为优选，所述的第一反射镜和所述的第二反射镜的工作波长分别为250～600nm。

9、作为优选，所述的ccd的分辨率为1292×964，感光面为1/3英寸，像素尺寸为3.75×3.75μm。

10、一种上述基于环形光路的非接触式酒精浓度测量装置实施的非接触式酒精浓度测量方法，包括以下步骤：

11、(1)用去离子水和无水乙醇配制出多组浓度不同的酒精溶液，备用；

12、(2)从配制的一组酒精溶液中取适量酒精溶液，装入比色皿，打开激光光源，调节激光光源、第一直角棱镜、第二直角棱镜、第一反射镜、第二反射镜的位置后，测量装置工作，经过多个循环后，激光光束从第二直角棱镜的下方水平入射ccd，ccd收集激光光斑位置信息并传输给计算机，计算机拟合确定比色皿内所装酒精的浓度对应的激光光斑位置，即得到一个已知酒精浓度对应的激光光斑位置；

13、(3)对于配制的其它组酒精溶液，重复步骤(2)，得到不同的已知酒精浓度对应的激光光斑位置，计算机据此建立不同的已知酒精浓度与激光光斑位置的关系曲线；

14、(4)将未知浓度的待测酒精装入比色皿，通过所述的测量装置测量，计算机将测量得到的激光光斑位置代入建立的关系曲线，即获得待测酒精的浓度。

15、作为优选，所述的计算机按照如下公式高斯拟合确定激光光斑位置：

16、i(x)＝i0exp[-(x-x0)2/s2]

17、其中，i0为激光光斑中心处的相对光强；s为激光光斑半径，取光强下降为中心处的1/e的位置作为光斑边缘以获得该激光光斑半径s；x0为激光光斑的中心位置，得到高斯拟合曲线后，将高斯拟合曲线上光强i(x)最大值所对应的坐标x作为激光光斑中心位置。

18、与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明利用不同浓度酒精溶液的折射率不同，基于环形光路实现对酒精浓度的非接触式测量。测量时，首先测量不同的已知酒精浓度所对应的不同的激光光斑位置(不同的激光光斑位置对应不同的折射率)，通过大量数据拟合得到不同的已知酒精浓度与激光光斑位置的关系曲线，再精确测量并确定待测酒精的精确浓度。本发明具有实时检测、快速、安全、精确等诸多优点，利于设备小型化，在酒精浓度测量以及其他溶液浓度测量领域具有广阔的应用前景。