摘  要：為了解決在生產(chǎn)過程中實時在線自動檢測的問題,克服現(xiàn)有測量手段沒有溫度補償?shù)娜秉c，提出了一種用于糖濃度高精度檢測的光學(xué)測量方法。以He-Ne激光器作為光源，利用一個具有傾斜界面的參考水槽和正三棱鏡的測量裝置，以位置敏感器件(PSD)為光信號的探測器，實現(xiàn)了光學(xué)和電學(xué)的雙差動測量。糖濃度的變化引起光線的偏移，光線偏移量被PSD接收后由電路處理。進(jìn)行了實驗測試和仿真分析。結(jié)果表明，在較大的糖濃度測量范圍內(nèi)(0～35％)，得到了±O．1%的測量重復(fù)性和10-5數(shù)量級的測量分辨率，而且具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、使用方便等特點。
關(guān)鍵詞：光學(xué)檢測；糖度測量;差動技術(shù);位置測量

    隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對生活質(zhì)量，包括食品的質(zhì)量要求越來越高。糖濃度的測量是研究人員日益關(guān)注的一個問題。在化工、制藥、輕工、食品飲料、環(huán)保等各個行業(yè)部門以及日常生活的各個領(lǐng)域，都有對液體含糖量進(jìn)行測量的需求，而且許多場合下要求現(xiàn)場快速測量。以前大多數(shù)糖濃度檢測儀是采用手持式目視結(jié)構(gòu)，其主要的不足有：1)讀數(shù)誤差大、因人而異;2)讀數(shù)環(huán)境要求光線明亮；3)無溫度自動補償，為了得到正確讀數(shù)，必須查閱修正表進(jìn)行計算，使用不便。一般每小時取樣一次，送檢驗室檢定，如糖度指標(biāo)不合格，這一小時內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)萬瓶產(chǎn)品將全部報廢。因此，迫切需要一種適用于生產(chǎn)現(xiàn)場的高精度實時監(jiān)測儀器。
    輕工部甘蔗糖業(yè)研究所曾主持研制“AR-L自動折光儀”用于糖濃度測量精度可達(dá)到0．3％；蕭璋等基于線陣電荷耦合器件(charge-coupleddevic,CCD)為傳感器，提出的糖濃度自動測量儀在O～20％的測量范圍內(nèi)，測量精度達(dá)到了O．1％。張偉剛等基于強度調(diào)制型光纖傳感技術(shù)實現(xiàn)了對鹽度和糖濃度的檢測，在1％～26％的測量范圍內(nèi)，測量分辨率達(dá)到2．67×10-4，屬于便攜式儀器。以上測量方法測量范圍比較小，而且很難實現(xiàn)在線實時測量的需要。本文基于光學(xué)測量原理，提出了一種具有光學(xué)參考差動測量方法和基于位置敏感器件(PSD)測量技術(shù)的結(jié)構(gòu)方法，具有成本低，精度高等特點。在O～35％的測量范圍內(nèi)，測量重復(fù)性好于±0．1％，測量分辨率可到10-5數(shù)量級。

1 測量結(jié)構(gòu)與原理
    測量原理是基于光線折射理論：當(dāng)一束光以一定的入射角通過不同介質(zhì)的分界面時，光線將發(fā)生偏折。其折射角度的改變量將與被測介質(zhì)的折射率相關(guān)。如果被測介質(zhì)是一定濃度的糖溶液，光線通過被測液體后，折射角度的改變幾乎與糖濃度呈線性關(guān)系。如果用一個位置敏感器件(PSD)去探測光線的偏移量，就可以測量出被測液體糖濃度的大小�；�本測量原理及光線傳播情況如圖l所示，在裝有被測液體的水槽中，加入一個具有一定傾斜角度的楔形參考水槽，其中裝有蒸餾水，目的是使得光線先后分別經(jīng)過參考蒸餾水和被測液體，這樣光線的偏移量將與兩種液體的折射率差值呈一定的比例關(guān)系，這樣的差動測量方法有利于減小溫度對液體濃度測量的影響。光源發(fā)出的光經(jīng)過參考蒸餾水和被測液體的界面后，光線發(fā)生折射，然后由一正三棱鏡反射后，由光接收器接收，識別光線偏移量的大小。

    圖2給出了實驗測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。He-Ne激光器發(fā)出中心波長為632．8nm的紅光，分別經(jīng)過裝有蒸餾水的參考水槽，裝有待測液體的測量水槽，兩水槽之間通過傾斜放置的光學(xué)透射窗隔開。這個光學(xué)透射窗同時對水平入射的光線在進(jìn)入待測鹽水區(qū)域時產(chǎn)生一個入射角。選用He-Ne激光器作為光源的原因是綜合考慮了水的吸收及散射引起對光的衰減作用，同時，系統(tǒng)具有很好的可觀性。在測量水槽裝有一個直角反射棱鏡，光線經(jīng)過棱鏡的反射后，通過帶寬為1．4 nm的窄帶濾光片透射在位置敏感器件(PSD)的光敏面上，當(dāng)被測液體中糖濃度發(fā)生變化，透射到PSD光敏面上的光斑位置也會發(fā)生變化，PSD的輸出就會線性地對應(yīng)這一變化，從而實現(xiàn)糖濃度的測量。加入濾光片的目的是為了濾除大部分環(huán)境雜散光對測量的影響。水槽是用有機玻璃材料做成的。

    PSD的光敏面的尺寸為2mm×20mm，分辨率為0．3 μm，經(jīng)測量得到的暗電流為幾十nA。由于PSD的輸出只與光點打在PSD光敏面上的位置有關(guān)，而與光強無關(guān)，因此基本上避免了光源功率波動對測量的影響，同時由于PSD檢測的是光斑的移動量，因此光斑的大小對實驗的結(jié)果幾乎沒有影響。
    由圖1中的光路圖可以分析得出，PSD所接收到的光線偏移量d與被測液體的折射率n存在下列關(guān)系：

其中：a為光線入射角，no為參考蒸餾水的折射率，ng為棱鏡的折射率，s1、s2、s3依次分別為光線進(jìn)入被測液體中光程、光線在正三棱鏡中的光程和光線經(jīng)棱鏡反射后再次進(jìn)入被測液體的光程，d0=d2-d3。
    由于液體的折射率總是與液體成分中的濃度滿足一定的線性關(guān)系：n=k·ω+1．333，其中k為與液體成分有關(guān)的常數(shù)，ω代表液體中成分的濃度。這樣，通過讀取PSD檢測的光點偏移量，就可以得到被測液體的濃度。從式(1)可以看出，測量范圍和測量靈敏度等與測量結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)以及PSD探測器的位置分辨能力有關(guān)。

2 試驗結(jié)果及討論
    為了驗證測量系統(tǒng)測量糖濃度的特性，分別進(jìn)行了理論計算和實驗測試。用純凈的蔗糖和蒸餾水通過天平分別配置不同濃度的糖溶液后利用圖2所示的實驗裝置進(jìn)行實驗測試。圖3為在窒溫條件下得到的PSD測得的光線偏移量與糖濃度之間特性關(guān)系的理論計算曲線和實測曲線。其中，試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：光線入射角a=45°，蒸餾水的折射率no=1.333，正三棱鏡的折射率，ng=1．49，s1=40mm，s2=40mm，s3=55mm。從圖3中可以看到測量