專利名稱:一種非接觸測(cè)量溶液濃度的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種非接觸測(cè)量溶液濃度的裝置及方法。
背景技術(shù):
目前,不需要直接取樣測(cè)量溶液濃度的技術(shù),在生化領(lǐng)域?qū)⒌玫綐O大 的利用。
例如,測(cè)量如房水內(nèi)的物質(zhì)濃度的方法有兩種第一種方法是有損檢 測(cè)方法,即在每次測(cè)量前,用針尖刺穿角膜插入房水里抽取房水,對(duì)取出 的房水做特定物質(zhì)濃度的分析測(cè)量(有物理的,化學(xué)的測(cè)量方法)。該方法 的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確,缺點(diǎn)是給活體生物的眼睛帶來(lái)了傷害,而且該方法限制了 檢測(cè)頻率。第二種方法是微損檢測(cè)方法,如分光光譜測(cè)量房水內(nèi)的藥物濃
度 (Miller, J., C.G. Wilson, and D. Uttamchandani, Minimally Invasive Spectroscopic System for Intraocular Drug Detection. Journal of Biomedical Optics, 2002. 7(1): p. 27-33.)。其方法是用手動(dòng)的傳感器至于眼睛角膜上, 傳感器由兩跟光纖探頭和定制的接觸鏡組成,該裝置需要接觸眼睛,給活 體檢測(cè)帶來(lái)不便,會(huì)讓活體感覺(jué)眼部不適或者給活體帶來(lái)或多或少的接觸 性傷害。
人們急需一種非接觸無(wú)損傷方便的檢測(cè)方法。因此無(wú)損傷檢測(cè)方法是 物質(zhì)濃度檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道了一種無(wú)損檢測(cè)方法 利用旋光法測(cè)量眼前房液內(nèi)葡萄糖濃度(Cote, G., M. Fox, and R. Northrop, Noninvasive optical polarimetric glucose sensing using a true phasemeasurement technique. Biomedical Engineering, IEEE Transactions on, 1992. 39(7): p. 752-756.)。
但是由于信號(hào)的偏轉(zhuǎn)角度極小,且眼球的房液中具有20多種生化物 質(zhì),具有旋光效應(yīng)其中最主要的是葡萄糖和全蛋白,這些都會(huì)產(chǎn)生測(cè)量偏 差,加之角膜的雙折射和旋光度不僅產(chǎn)生干擾而且降低了透射的光強(qiáng)進(jìn)一 步增加了檢測(cè)的難度。因此盡管此法在體外測(cè)量人生理濃度的葡萄糖溶液時(shí)取得了很好的試驗(yàn)效果,然而對(duì)離體人眼的實(shí)測(cè)效果不佳。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種不直接對(duì)溶液取樣,并盡量與被 測(cè)溶液留有一定的距離,卻能精確的測(cè)量溶液中特定物質(zhì)濃度的裝置和方 法。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)解決上述技術(shù)問(wèn)題的
一種非接觸測(cè)量溶液濃度的裝置,包括吸收光源、參考光源、光電 探測(cè)裝置和計(jì)算處理單元,所述吸收光源發(fā)出,被待測(cè)濃度物質(zhì)吸收卻不 被被測(cè)溶液中其他物質(zhì)吸收或者較小吸收的特定波長(zhǎng)的吸收光;所述參考 光源發(fā)出不被被測(cè)溶液中任何物質(zhì)吸收或者較小吸收的特定波長(zhǎng)的參考 光;所述吸收光和參考光照入所述被測(cè)溶液,所述光電探測(cè)裝置接收射入 被測(cè)溶液后的反射或透射的吸收光和參考光,并把光的強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電 信號(hào)送到所述計(jì)算處理單元進(jìn)行分析處理,得出被測(cè)溶液中待測(cè)濃度物質(zhì) 的濃度。
其中,被被測(cè)溶液中物質(zhì)較小吸收是指與所述吸收光被待測(cè)濃度物質(zhì) 吸收相比,被吸收量?。欢槐槐粶y(cè)溶液中物質(zhì)吸收是指與所述吸收光被 待測(cè)濃度物質(zhì)吸收相比,被吸收量極小。
被測(cè)溶液中不僅包含待測(cè)濃度物質(zhì),還有其他物質(zhì),待測(cè)濃度物質(zhì)指 該被測(cè)溶液中被測(cè)定其濃度值的物質(zhì)。
依據(jù)朗伯——比爾(Lambert-Beer)定律 一定溫度下, 一定波長(zhǎng)的單色 光通過(guò)均勻的、非散射的溶液時(shí),溶液的吸光度與溶液的濃度和厚度的乘 積成正比。
7' (1) 當(dāng)樣品厚度為^時(shí),式中,Z。, A分別為入射和出射光強(qiáng),s為樣品的 吸光系數(shù),c為被測(cè)組分濃度,針對(duì)眼睛房水內(nèi)的各種成分,針對(duì)一種成
分為需要測(cè)定的物質(zhì),其余為背景溶液。如果知道該物質(zhì)的吸收譜以及各 濃度的吸光度;同時(shí)知道背景介質(zhì)的吸收譜,就可以選擇兩種波長(zhǎng)的光作 為光源,利用兩種波長(zhǎng)的光照對(duì)成像物質(zhì)的像的光強(qiáng)比和幾何光學(xué)知識(shí)計(jì) 算得到物質(zhì)的濃度c。因此通過(guò)上述技術(shù)方案,可實(shí)現(xiàn)非接觸無(wú)損檢測(cè)眼球的房水中特定物 質(zhì)的濃度。當(dāng)然,此裝置不僅僅應(yīng)用于對(duì)眼球的房水中特定物質(zhì)的濃度的 檢測(cè)方面,也可以應(yīng)用于任何非接觸地測(cè)量溶液濃度的場(chǎng)合,只要符合溶 液能射入相應(yīng)的光線,相應(yīng)的光線收射入被測(cè)溶液后的反射或透射出該溶 液的條件,都能用上述技術(shù)方案獲得溶液的濃度。
為了提高檢測(cè)精度,盡可能的使得所述吸收光和參考光在進(jìn)入被測(cè)溶 液前光路重疊,所述的非接觸測(cè)量溶液濃度的裝置還包括光耦合器,用 于將所述吸收光和參考光匯合成同一光路射向所述被測(cè)溶液。
所述光耦合器包括分光片、前透鏡組、毛玻璃、后透鏡組,所述分 光片把所述吸收光和參考光匯合射至所述前透鏡組;所述前透鏡組包含至 少一塊透鏡,用于將入射的光線匯合聚焦到所述毛玻璃上;所述后透鏡組 包含至少一塊透鏡,將所述毛玻璃上透過(guò)的光匯聚為平行光,射向所述被 測(cè)溶液。
其中,本發(fā)明所稱的平行光,并非指嚴(yán)格理論意義上的絕對(duì)的平行光, 而是指在該光僅有盡可能小的散射,為接近于絕對(duì)平行的光。
所述吸收光和參考光相互垂直射向所述分光片,所述分光片的法線方
向分別與入射的述吸收光和參考光的夾角為45度,所述吸收光透過(guò)所述分 光片射向所述前透鏡組,所述參考光經(jīng)過(guò)所述分光片發(fā)射射向所述前透鏡 組。
本發(fā)明一種實(shí)施例中,所述吸收光源和參考光源采用發(fā)出特定波長(zhǎng)光 的發(fā)光二極管。
一般而言,發(fā)光二極管為點(diǎn)光源,所發(fā)出的光線是散射的,因此,對(duì) 它們所發(fā)出的光應(yīng)匯聚為平行光。所述的非接觸測(cè)量溶液濃度的裝置還包 括光源準(zhǔn)直裝置;所述光源準(zhǔn)直裝置包括第一透鏡組和第二透鏡組, 所述第一透鏡組包含至少一個(gè)透鏡,設(shè)置在所述吸收光源射向所述光耦合 器的光路上,用于將所述吸收光匯聚為平行光;所述第二透鏡組(320)包 含至少一個(gè)透鏡,設(shè)置在所述吸參考光源射向所述光耦合器的光路上,用 于將所述參考光匯聚為平行光。
所述光電探測(cè)裝置包括探測(cè)透鏡組和電荷耦合器件,所述探測(cè)透鏡 組包含至少一塊透鏡,將射入被測(cè)溶液后的反射或透射的吸收光和參考光匯聚射于所述電荷耦合器件,所述電荷耦合器件把光的強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電 信號(hào)送到所述計(jì)算處理單元。
其中,電荷耦合器件即為Charge Coupled Device (CCD)。
本發(fā)明還提供一種非接觸測(cè)量溶液濃度的方法,包括如下步驟
吸收光源發(fā)出,被待測(cè)濃度物質(zhì)吸收卻不被被測(cè)溶液中其他物質(zhì)吸收 或者較小吸收的特定波長(zhǎng)的吸收光;由光電探測(cè)裝置獲取所述吸收光射入 被測(cè)溶液后反射或透射的吸收光的強(qiáng)度信號(hào);
所述參考光源發(fā)出不被被測(cè)溶液中任何物質(zhì)吸收或者較小吸收的特定 波長(zhǎng)的參考光;由光電探測(cè)裝置獲取所述吸收光射入被測(cè)溶液后反射或透 射的參考光的強(qiáng)度信號(hào);
計(jì)算處理單元比較處理由光電探測(cè)裝置獲取的吸收光和參考光的強(qiáng)度 信號(hào),得出被測(cè)溶液中待測(cè)濃度物質(zhì)的濃度。
其中,計(jì)算處理單元往往采用微處理器等運(yùn)算設(shè)備,光的強(qiáng)度信號(hào)往 往通過(guò)電荷耦合器件轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào),以方便計(jì)算處理單元處理。但 是,光的強(qiáng)度信號(hào)與其相應(yīng)的電信號(hào)是一一對(duì)應(yīng)的。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于,不直接對(duì)溶液取樣,并盡量與 被測(cè)溶液留有一定的距離,卻能精確的測(cè)量溶液中特定物質(zhì)濃度,尤其在 對(duì)眼球的房水內(nèi)濃度的測(cè)量時(shí),不損害眼睛,并由于能較遠(yuǎn)離眼球,能夠 盡可能的較少了眼部的不適。
圖1是本發(fā)明非接觸測(cè)量溶液濃度的裝置一種實(shí)施例的框圖; 圖2是本發(fā)明非接觸測(cè)量溶液濃度的裝置測(cè)量房水內(nèi)溶液濃度實(shí)施例 的結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明非接觸測(cè)量溶液濃度的裝置測(cè)量房水內(nèi)溶液濃度中房水 模型內(nèi)的被測(cè)量的物質(zhì)的濃度與檢測(cè)量之間的關(guān)系圖。
其中,100-吸收光源,200-參考光源,600-光電探測(cè)裝置,700-計(jì)算處 理單元,400-光耦合器,410-分光片、420-前透鏡組、430-毛玻璃、430-后 透鏡組,300-光源準(zhǔn)直裝置,310-第一透鏡組,320-第二透鏡組,610-探測(cè)透鏡組,620-電荷耦合器件,500-被測(cè)溶液。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和較佳的實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。 如圖1所示,波長(zhǎng)已知的點(diǎn)光源或近似點(diǎn)光源的吸收光源100和參考 光源200所發(fā)出的吸收光和參考光,分別經(jīng)過(guò)光源準(zhǔn)直裝置300匯聚成為 平行光到光耦合器400。所述光耦合器400將所述吸收光和參考光合為同 一光路,并以平行光的形式射入被測(cè)溶液500。光電探測(cè)裝置600接收射 入被測(cè)溶液500后的反射或透射的吸收光和參考光,并把光的強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn) 化為電信號(hào)送到所述計(jì)算處理單元700進(jìn)行分析處理,得出被測(cè)溶液500
中待測(cè)濃度物質(zhì)的濃度。
由于被測(cè)溶液500中的待測(cè)濃度物質(zhì)分別對(duì)吸收光有吸收,對(duì)參考光 吸收較小,則分別以吸收光和參考光射入被測(cè)溶液500并成像,得到兩圖 像,兩圖像的比值包含有被測(cè)溶液500中的待測(cè)濃度物質(zhì)的信息,經(jīng)過(guò)計(jì) 算可以得出被測(cè)溶液500中的待測(cè)濃度物質(zhì)的濃度。
如圖2所示,被測(cè)溶液500為眼球房水內(nèi)的溶液。吸收光源100采用 中心波長(zhǎng)為405nm,功率為3W的發(fā)光二極管(LED),經(jīng)過(guò)第一透鏡組 310匯聚成平行光,在所述第一透鏡組310包含有一塊焦距為50mm的透 鏡。參考光源200采用中心波長(zhǎng)為850nm,功率為1W的發(fā)光二極管(LED), 經(jīng)過(guò)第二透鏡組320匯聚成平行光,在所述第二透鏡組320包含有一塊焦 距為40mm的透鏡。
分光片410的面積為25mn^25mm,參數(shù)為45° AOI,透射可見(jiàn)光并 反射紅外光。射入所述分光片410的吸收光和參考光相互垂直,而分別與 所述分光片410的夾角均成45。。
吸收光沿與所述分光片410的法線成45。方向入射后發(fā)生透射,參考 光沿與所述分光片410的法線成45。方向入射后發(fā)生反射。這樣,參考光 的反射光與吸收光的折射光合成一束平行光路射出,并由前透鏡組420聚 焦后在毛玻璃430上形成的光源的像。吸收光和參考光在所述毛玻璃430 上的像應(yīng)為重合的??梢詫⑺雒A?30上的所成的像視為新的光源, 這樣透過(guò)所述毛玻璃430的像點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)后透鏡組430匯聚為平行光后射向眼球的房水。其中,后透鏡組430包含有消色差的透鏡,該透鏡的 焦距為50mm。
當(dāng)光打到眼睛前房上時(shí),入射到角膜外表面的光會(huì)有少量的反射,透 射的部分穿過(guò)角膜進(jìn)入角膜的內(nèi)表面再發(fā)生少量的散射,透射部分穿過(guò)房 水會(huì)打到虹膜上,在虹膜上發(fā)生背向散射,經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的過(guò)程,最終 從虹膜外表面出射,出射的光經(jīng)過(guò)探測(cè)透鏡組610匯聚后在電荷耦合器件 620上成像,并獲得相應(yīng)的電信號(hào)。
其中,吸收光和參考光與房水內(nèi)的物質(zhì)的吸收關(guān)系如下表
吸收光參考光
房水內(nèi)待測(cè)濃度物質(zhì)吸收無(wú)吸收或吸收較小
除待測(cè)濃度物質(zhì)外的背景溶液無(wú)吸收或吸收較小無(wú)吸收或吸收較小
設(shè)定A。與^分別對(duì)應(yīng)吸收光和參考光射入房水內(nèi)溶液的光的強(qiáng)度,因
為兩路光分布和傳播途徑相同,則7'。和A。的比值為定值,即有^。。
所述電荷耦合器件620采集虹膜的像,以瞳孔像的中心為圓心,離圓
心距離為r的各像點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度表示為^")。
若眼球前房中房水內(nèi)不含待測(cè)物質(zhì),吸收光和參考光分別照射房水內(nèi)
的溶液,得到虹膜的信號(hào)強(qiáng)度,設(shè)其分別為《。W與7〗。(。,因系統(tǒng)的信號(hào)可 以認(rèn)為與光強(qiáng)成正比。
當(dāng)打開所述吸收光源100并關(guān)閉所述參考光源200時(shí),吸收光入射到
房水內(nèi)溶液上的入射光強(qiáng)為A。,則所述電荷耦合器件620得到的信號(hào)強(qiáng)度 表示為
同理,當(dāng)打開所述參考光源200并關(guān)閉所述吸收光源100時(shí),參考光
入射到房水內(nèi)溶液上的入射光強(qiáng)為72。,則所述電荷耦合器件620得到的信 號(hào)強(qiáng)度表示為
其中,A("), ^W為由眼前段一一角膜和房水中折射率引起的光強(qiáng)隨半徑
的分布。上面(2) (3)兩式相除得<formula>formula see original document page 10</formula> (4)
#虛
其中, ^w為光由于折射率差別引起的光強(qiáng)分布差異,即所述
電荷耦合器件620接收到的兩路出射于眼球的吸收光和參考光在分布上的 微小的差異。
若房水內(nèi)含有如表所示的待測(cè)物質(zhì),先打開所述吸收光源100并關(guān)閉
所述參考光源200,吸收光入射到房水內(nèi)溶液上的入射光強(qiáng)為71。,所述電 荷耦合器件620采集到的虹膜的像,以瞳孔像的中心為圓心,離圓心距離
為r的各像點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度為7^)。像上不同的r處像點(diǎn),其光通過(guò)吸收 物質(zhì)的長(zhǎng)度是不一樣的,通過(guò)幾何光學(xué)計(jì)算得出,可表示為°^)。因此 當(dāng)只有強(qiáng)度為7'。的光入射到樣品上后,所述電荷耦合器件620得到的信號(hào) 強(qiáng)度表示為
<formula>formula see original document page 10</formula>(5)
同理,當(dāng)打開所述參考光源200并關(guān)閉所述吸收光源100時(shí),入射到 樣品上的入射光強(qiáng)為72。, CCD采集到的虹膜上的各像點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度為 72("),因此當(dāng)只有強(qiáng)度為&的光入射到房水內(nèi)溶液后,所述電荷耦合器件 620得到的信號(hào)強(qiáng)度表示為
12 (r)=《。(r) 比較(5)、 (6)兩式可得
<formula>formula see original document page 10</formula>
以上是整個(gè)裝置通過(guò)所述電荷耦合器件620得到的特征量^與濃度^ 的關(guān)系,理論上將上述(7)式兩邊取自然對(duì)數(shù),得到
<formula>formula see original document page 10</formula> (8)
在上述(8)式中,h"。是能直接通過(guò)所述電荷耦合器件620上的 獲取的信號(hào)算出的相應(yīng)的值。其中,一2^(0和h[^(。]是跟濃度c無(wú)關(guān)的 量。因此只要借助軟件,結(jié)合幾何光學(xué),算出像上的半徑為r處像點(diǎn)其光 通過(guò)吸收物質(zhì)的長(zhǎng)度^W,參考光和吸收光這兩路光在整個(gè)前房(角膜加房水)折射率差異導(dǎo)致的^(。,就可以算出房水內(nèi)的特定物質(zhì)濃度C。眼
睛虹膜的像是中心軸對(duì)稱的,為了提高信噪比,可對(duì)(8)式的兩邊均對(duì)r 沿圓周取平均后計(jì)算c的值。
其中,以上的整個(gè)計(jì)算是基于兩個(gè)前提,即所述吸收光源IOO和參考 光源200是穩(wěn)定的,即光源的發(fā)光強(qiáng)度不隨時(shí)間波動(dòng)。但是如果隨著LED 發(fā)熱,或者電源不穩(wěn)定等都會(huì)導(dǎo)致比值"不能穩(wěn)定為常數(shù)。這時(shí)就需要在 (8)式上繼續(xù)計(jì)
<formula>formula see original document page 11</formula>
A 2 " 2是所述電荷耦合器件620上的數(shù)據(jù)直接計(jì)
算來(lái)的特征量,用幾何光學(xué)計(jì)算出&、 6后就能算出相應(yīng)的c值。
另外,以上的情況的假設(shè)前提是,虹膜對(duì)所述吸收光和參考光沒(méi)有任 何吸收。但是虹膜上富含色素,往往某些色素對(duì)其中的一路或兩路光都有 吸收時(shí),經(jīng)過(guò)虹膜吸收后的光強(qiáng)值與沒(méi)有虹膜吸收的光強(qiáng)值之比只跟色素 的單位面積濃度和色素分布縱向深度有關(guān),這里只考慮色素在虹膜上的分 布是均勻的情形,則有(11), (12)式,
<formula>formula see original document page 11</formula> (10)
<formula>formula see original document page 11</formula> (n)
A, ^為常數(shù)。此時(shí)(7)式修改為
<formula>formula see original document page 11</formula> (12)
因?yàn)?9)式中不含",所以虹膜對(duì)其中所述吸收光和參考光中任一路或者兩路都有均勻吸收時(shí),用(9)式計(jì)算待測(cè)物質(zhì)的濃度c。
以上的所示的實(shí)施例,不僅應(yīng)用于測(cè)眼睛前房,分析房水的物質(zhì)濃度。 該非接觸測(cè)量溶液濃度的裝置還可作用于與眼睛前房結(jié)構(gòu)相似的結(jié)構(gòu)內(nèi)的物 質(zhì)濃度檢測(cè)。將上面在要在房水內(nèi)檢測(cè)其濃度的吸光物,置于一個(gè)眼睛前
房模型中。模型是一個(gè)玻璃半球殼,半球的內(nèi)外半徑為Umm和lGmm。 將水以及一定濃度的藥物充入半球內(nèi),這樣,玻璃球殼模擬的是角膜,里 面充的液體模擬的是眼睛房水,再固定上防水的表面對(duì)光散射的紙模擬虹 膜,中間的黑色的圓模擬瞳孔。用上面的裝置和方法,得到的房水模型內(nèi) 的被測(cè)量的物質(zhì)的濃度與S之間的關(guān)系為圖2。測(cè)量的S—c關(guān)系曲線如圖 3所示。
同時(shí),由于非接觸測(cè)量溶液濃度的裝置為非接觸測(cè)量,類似于常規(guī)的眼科 檢査,因此容易被接受,使用操作亦比較方便。并且,由于采用了雙波長(zhǎng) 吸收度比值法,能夠求解吡諾克辛鈉濃度。
由于傳統(tǒng)的單波長(zhǎng)吸光光度測(cè)定法要求試液本身透明,不能有混濁, 否則就無(wú)法正確測(cè)定。單波長(zhǎng)測(cè)定法對(duì)于吸收峰相互重疊的組分或背景很 深的試樣,也難于得到正確的結(jié)果。如果采用雙波長(zhǎng)技術(shù),就可以從分析 波長(zhǎng)的信號(hào)中減去來(lái)自參比波長(zhǎng)的信號(hào),從而消除上述影響,提高方法的 靈敏度和選擇性,簡(jiǎn)化分析手續(xù),擴(kuò)大吸光光度法的應(yīng)用范圍。
只要知道眼睛房水或類似前房模型中的房水模型內(nèi)的待測(cè)物質(zhì)和背景 物質(zhì)的吸收關(guān)系,就可以選出兩個(gè)合適波長(zhǎng)的的光源作為裝置的光源,用 上面提到的方法測(cè)出待測(cè)物質(zhì)濃度。裝置和方法的使用范圍能得到能擴(kuò)展 到很多物質(zhì),很多種波長(zhǎng)的光源。
因此,除了測(cè)眼睛房水內(nèi)以及類似眼睛前房的結(jié)構(gòu)內(nèi)的液體的特定物質(zhì)濃 度外,本發(fā)明的非接觸測(cè)量溶液濃度的裝置還可測(cè)量其它結(jié)構(gòu)的溶液內(nèi)特 定物質(zhì)濃度。只要被測(cè)物質(zhì)的光學(xué)吸收性質(zhì)滿足下表
吸收光參考光
房水內(nèi)待測(cè)濃度物質(zhì)吸收無(wú)吸收或吸收較小
除待測(cè)濃度物質(zhì)外的背景溶液無(wú)吸收或吸收較小無(wú)吸收或吸收較小
對(duì)已知結(jié)構(gòu)和形狀的透光容器或透光組織內(nèi)的物質(zhì)濃度檢測(cè),對(duì)此類
12的結(jié)構(gòu),如果透光容器或透光組織有一個(gè)面能發(fā)生散射,就可以利用用該 裝置對(duì)該散射面利用散射面的背向散射回來(lái)的光成像,讓吸收光源100和
參考光源200的入射和反射回來(lái)的光均穿過(guò)被測(cè)溶液,計(jì)算出光在被測(cè)物
質(zhì)中走過(guò)的路程—2W(。和光源以及折射導(dǎo)致的h["W。],就可以得到被 測(cè)物質(zhì)濃度。
進(jìn)而,如果透光容器或透光組織沒(méi)有哪個(gè)面發(fā)生散射,可人為在透明 溶液或透明組織后加上某散射體作為成像時(shí)的散射面,讓吸收光源100和 參考光源200的入射和反射回來(lái)的光均穿過(guò)被測(cè)溶液。
當(dāng)結(jié)構(gòu)或形狀不能確定的透光樣品,當(dāng)己知兩個(gè)濃度的電荷耦合器件 的圖像時(shí),就可以得到相應(yīng)的上述(8)式,此時(shí),也可測(cè)出任意濃度。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō) 明,不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù) 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下,還可以做出若 干簡(jiǎn)單推演或替換,都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
1權(quán)利要求
1、一種非接觸測(cè)量溶液濃度的裝置,其特征在于,包括吸收光源(100)、參考光源(200)、光電探測(cè)裝置(600)和計(jì)算處理單元(700),所述吸收光源(100)發(fā)出,被待測(cè)濃度物質(zhì)吸收卻不被被測(cè)溶液(500)中其他物質(zhì)吸收或者較小吸收的特定波長(zhǎng)的吸收光;所述參考光源(200)發(fā)出不被被測(cè)溶液(500)中任何物質(zhì)吸收或者較小吸收的特定波長(zhǎng)的參考光;所述吸收光和參考光照入所述被測(cè)溶液(500),所述光電探測(cè)裝置(600)接收射入被測(cè)溶液(500)后的反射或透射的吸收光和參考光,并把光的強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送到所述計(jì)算處理單元(700)進(jìn)行分析處理,得出被測(cè)溶液(500)中待測(cè)濃度物質(zhì)的濃度。
2、 如權(quán)利要求l所述的非接觸測(cè)量溶液濃度的裝置,其特征在于,還 包括光耦合器(400),用于將所述吸收光和參考光匯合成同一光路射向 所述被測(cè)溶液(500)。
3、 如權(quán)利要求2所述的非接觸測(cè)量溶液濃度的裝置,其特征在于,所 述光耦合器(400)包括分光片(410)、前透鏡組(420)、毛玻璃(430)、 后透鏡組(430),所述分光片(410)把所述吸收光和參考光匯合射至所述 前透鏡組(420);所述前透鏡組(420)包含至少一塊透鏡,用于將入射的 光線匯合聚焦到所述毛玻璃(430)上;所述后透鏡組(430)包含至少一 塊透鏡,將所述毛玻璃(430)上透過(guò)的光匯聚為平行光,射向所述被測(cè)溶 液(500)。
4、 如權(quán)利要求3所述的非接觸測(cè)量溶液濃度的裝置,其特征在于,所 述吸收光和參考光相互垂直射向所述分光片(410),所述分光片(410)的 法線方向分別與入射的述吸收光和參考光的夾角為45度,所述吸收光透過(guò) 所述分光片(410)射向所述前透鏡組(420),所述參考光經(jīng)過(guò)所述分光片(410)發(fā)射射向所述前透鏡組(420)。
5、 如權(quán)利要求2、 3或4所述的非接觸測(cè)量溶液濃度的裝置,其特征 在于,所述吸收光源(100)和參考光源(200)采用發(fā)出特定波長(zhǎng)光的發(fā) 光二極管。
6、 如權(quán)利要求5所述的非接觸測(cè)量溶液濃度的裝置,其特征在于,還包括光源準(zhǔn)直裝置(300);所述光源準(zhǔn)直裝置(300)包括第一透鏡組(310)和第二透鏡組(320),所述第一透鏡組(310)包含至少一個(gè)透鏡, 設(shè)置在所述吸收光源(100)射向所述光耦合器(400)的光路上,用于將 所述吸收光匯聚為平行光;所述第二透鏡組(320)包含至少一個(gè)透鏡,設(shè) 置在所述吸參考光源(200)射向所述光耦合器(400)的光路上,用于將 所述參考光匯聚為平行光。
7、如權(quán)利要求1所述的非接觸測(cè)量溶液濃度的裝置,其特征在于,所 述光電探測(cè)裝置(600)包括探測(cè)透鏡組(610)和電荷耦合器件(620), 所述探測(cè)透鏡組(610)包含至少一塊透鏡,將射入被測(cè)溶液(500)后的 反射或透射的吸收光和參考光匯聚射于所述電荷耦合器件(620),所述電 荷耦合器件(620)把光的強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送到所述計(jì)算處理單元(700)。
8、 一種非接觸測(cè)量溶液濃度的方法,其特征在于,包括如下步驟吸收光源(100)發(fā)出,被待測(cè)濃度物質(zhì)吸收卻不被被測(cè)溶液(500) 中其他物質(zhì)吸收或者較小吸收的特定波長(zhǎng)的吸收光;由光電探測(cè)裝置(600) 獲取所述吸收光射入被測(cè)溶液(500)后反射或透射的吸收光的強(qiáng)度信號(hào);所述參考光源(200)發(fā)出不被被測(cè)溶液(500)中任何物質(zhì)吸收或者 較小吸收的特定波長(zhǎng)的參考光;由光電探測(cè)裝置(600)獲取所述吸收光射 入被測(cè)溶液(500)后反射或透射的參考光的強(qiáng)度信號(hào);計(jì)算處理單元(700)比較處理由光電探測(cè)裝置(600)獲取的吸收光 和參考光的強(qiáng)度信號(hào),得出被測(cè)溶液(500)中待測(cè)濃度物質(zhì)的濃度。
全文摘要
本發(fā)明公開一種非接觸測(cè)量溶液濃度的裝置及方法,該裝置包括吸收光源(100)、參考光源(200)、光電探測(cè)裝置(600)和計(jì)算處理單元(700),所述吸收光源(100)發(fā)出,被待測(cè)濃度物質(zhì)吸收卻不被被測(cè)溶液(500)中其他物質(zhì)吸收或者較小吸收的特定波長(zhǎng)的吸收光;所述參考光源(200)發(fā)出不被被測(cè)溶液(500)中任何物質(zhì)吸收或者較小吸收的特定波長(zhǎng)的參考光;所述吸收光和參考光照入所述被測(cè)溶液(500),所述光電探測(cè)裝置(600)接收射入被測(cè)溶液(500)后的反射或透射的吸收光和參考光,并把光的強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送到所述計(jì)算處理單元(700)進(jìn)行分析處理,得出被測(cè)溶液(500)中待測(cè)濃度物質(zhì)的濃度。
文檔編號(hào)G01N21/31GK101430275SQ20081021803
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2008年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月4日
發(fā)明者何永紅, 曄 胡 申請(qǐng)人:清華大學(xué)深圳研究生院