專利名稱：一種實時測量流動溶液濃度的方法和測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及光電子學領域溶液濃度是根據溶質在溶液中的含量來計算，在實際應用中由于溶質量的變化，溶液濃度也發生改變。直接測量溶液中溶質的含量在許多場合中是不適宜的，從而采用間接測量的方法來獲得溶液濃度數值。P.F.Bordui(“In-Line BulkSupersaturation Measurement By Electrical Conductometry In KdpCrystal Growth From Aqueous Solution”，Journal of Crystal Growth67(1984)168)采用通過測量溶液電導率方法來實時計算KDP溶液飽和度數值，Kuehbergert(Improved product quality at a cooling crystallizationprocess by measurement and control of supersaturation，Trans IChemE，Vol75，Part A，February 1997)采用在結晶溶液中放入Peltier-element半導體制冷器件觀察溶質析出情況來實時計算溶液飽和度數值。張克從(《晶體生長科學與技術》科學出版社1997)介紹了采用平衡法、濃度渦流法、光學效應法來分析溶液是否處于飽和狀態。Bordui這種附加電場的測量方法會對水溶液離子運動狀態產生一定影響，而Kuehbergert的方法因需要制冷會影響局部溶液溫度，張克從介紹的幾種方法在觀察中會受到液體流動因素的影響而難于應用。
本發明的目的就在于提出一種可用于晶體生長過程流動溶液濃度的實時測量方法和測量裝置。
根據電磁波傳播理論，光在不同傳播媒介的交界面上會發生折反射現象，在一定入射角度時，從光密媒介到光疏媒介會產生全反射現象，該角度的數值與界面兩邊媒介對電磁波響應的折射率有關。對于溶液而言，其溶質含量的改變，也即溶液濃度的變化，會影響溶液對電磁波的響應，宏觀上表現出折射率數值的變化，通過測量全反射角角度的大小可以計算出溶液的折射率數值，從而計算出對應溶液的濃度。
本發明測量流動溶液濃度的方法是采用我們設計的光學棱鏡，由其功能我們命名為雙全反射棱鏡，其底面(9)與被測溶液(8)相接觸，He-Ne激光器(1)發出的光束經光束擴束器(2)和分束器(3)由柱面鏡(4)匯聚于雙全反射棱鏡(5)，在底面(9)處產生第一次全反射，之后由于反射面(10)的作用，光束按原路徑返回并在底面(9)處產生第二次全反射，產生二次全反射臨界光線的夾角記為δ，經過這個過程的光學信號經分束器(3)和光束縮束器(6)由光學面陣探測器件CCD(7)接收。通過測量二次全反射臨界光線夾角δ的大小，按下式計算待測溶液的折射率n2n2＝n1·sin((3α-δ)/3)式中n1為雙全反射棱鏡的折射率，δ為二次全反射臨界光線的夾角，α為雙全反射棱鏡的底面(9)與反射面(10)的交角。根據溶液濃度與折射率的對應關系，就可以求出溶液的濃度。
本發明的測量裝置由雙全反射棱鏡，He-Ne激光器，光束擴束器，分束器和柱面鏡，光束縮束器等主要部分組成，雙全反射棱鏡的底面與被測溶液相接觸，He-Ne激光器發出的激光經光束擴束器和分束器由柱面鏡會聚于雙全反射棱鏡中，其反射信號經分束器和光束縮束器后由CCD面陣探測器接收。
上述雙全反射棱鏡由多邊形棱鏡構成。
上述雙全反射棱鏡可以由銳角三角形棱鏡構成。
上述雙全反射棱鏡也可以由半圓形柱面鏡構成。
上述光源1可以采用半導體激光二極管元件，其波長從532納米至820納米范圍。
該發明與已有的溶液濃度測量方法相比有以下特點不影響溶液的生長環境，適用于流動溶液的濃度測量，以及溶液濃度實時高精度測量。
附圖
為本發明裝置的工作原理圖。
以下根據附圖就本發明方法和裝置作進一步說明雙全反射棱鏡置于被測溶液(8)中，He-Ne激光器(1)發出的光束經光束擴束器(2)和分束器件(3)后由柱面鏡(4)匯聚于雙全反射棱鏡(5)，在固液交界面(9)處產生二次全反射并由原路徑返回，經過這個過程產生的二次全反射信號經分束器(3)和光束縮束器(6)由光學面陣探測器件CCD(7)接收。
實施例雙全反射棱鏡置于DKDP溶液(8)中，He-Ne激光器(1)發出的光束經光束擴束器(2)和分束器件(3)后由柱面鏡(4)匯聚于雙全反射棱鏡(5)，在底面(9)處產生第一次全反射，之后由于反射面(10)的作用，光束按原路徑返回并在(9)處產生第二次全反射，經過這個過程產生的二次全反射信號經分束器(3)和光束縮束器(6)由光學面陣探測器件CCD(7)接收。角度α為58.30度雙全反射棱鏡折射率n1為1.5932測量二次全反射臨界光線夾角δ的數值大小為0.86度按公式計算被測溶液折射率n2為1.3513DKDP溶液溫度為40℃根據DKDP溶液在40℃時濃度c與折射率的關系c＝(n2-1.3266)/0.00129求得此時溶液濃度重量百分比數值為19.1％。
權利要求
1一種實時測量流動溶液濃度的方法，其特征在于采用光學棱鏡(雙全反射棱鏡)使探測光在與被測溶液交界面上產生二次全反射，并根據二次全反射臨界光線夾角δ的數值計算相應溶液的折射率n2和濃度數值。
2如權力要求1所述的方法，其特征在于所述的折射率n2通過以下公式計算n2＝n1·sin((3·α-δ)/3)式中n1為雙全反射棱鏡的折射率，α為雙全反射棱鏡的底面(9)與反射面(10)的交角。
3一種用于權利要求1方法的測量裝置，包括He-Ne激光器(1)，光束擴束器(2)，分束器(3)和柱面鏡(4)，光束縮束器(6)，光學面陣探測器件CCD(7)等主要部分組成，其特征在于裝置中使用雙全反射棱鏡(5)用于測量溶液的折射率。
4如權力要求3所述的測量裝置，其特征在于所述雙全反射棱鏡(5)由多邊形棱鏡構成。
5如權力要求3所述的測量裝置，其特征在于所述雙全反射棱鏡(5)可以由銳角三角形棱鏡構成。
6如權力要求3所述的測量裝置，其特征在于所述雙全反射棱鏡(5)也可以出半圓形柱面鏡構成。
7如權力要求3到6所述的測量裝置，其特征在于所述光源He-Ne激光器(1)可以采用半導體激光二極管元件，其波長從532納米至820納米范圍。
全文摘要
一種實時測量流動溶液濃度的方法和測量裝置是根據光學全反射原理利用光學棱鏡使光在固液面上產生二次全反射,通過測量二次全反射臨界光線夾角的大小計算出流動溶液的折射率,從而求出對應溶液的濃度。該發明適用于流動溶液的濃度測量以及溶液濃度實時高精度測量,并且不影響溶液的生長環境。
文檔編號G01N21/41GK1240934SQ9811466
公開日2000年1月12日 申請日期1998年6月29日 優先權日1998年6月29日
發明者莊欣欣, 張雨東, 謝發利, 蔣捷, 崔傳鵬 申請人:中國科學院福建物質結構研究所