摘  要：為了解決在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)在線自動(dòng)檢測(cè)的問(wèn)題,克服現(xiàn)有測(cè)量手段沒(méi)有溫度補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)，提出了一種用于糖濃度高精度檢測(cè)的光學(xué)測(cè)量方法。以He-Ne激光器作為光源，利用一個(gè)具有傾斜界面的參考水槽和正三棱鏡的測(cè)量裝置，以位置敏感器件(PSD)為光信號(hào)的探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)和電學(xué)的雙差動(dòng)測(cè)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(shí)驗(yàn)測(cè)試和仿真分析。結(jié)果表明，在較大的糖濃度測(cè)量范圍內(nèi)(0～35％)，得到了±O．1%的測(cè)量重復(fù)性和10-5數(shù)量級(jí)的測(cè)量分辨率，而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、使用方便等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：光學(xué)檢測(cè)；糖度測(cè)量;差動(dòng)技術(shù);位置測(cè)量

    隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)生活質(zhì)量，包括食品的質(zhì)量要求越來(lái)越高。糖濃度的測(cè)量是研究人員日益關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。在化工、制藥、輕工、食品飲料、環(huán)保等各個(gè)行業(yè)部門以及日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，都有對(duì)液體含糖量進(jìn)行測(cè)量的需求，而且許多場(chǎng)合下要求現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量。以前大多數(shù)糖濃度檢測(cè)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(wú)溫度自動(dòng)補(bǔ)償，為了得到正確讀數(shù)，必須查閱修正表進(jìn)行計(jì)算，使用不便。一般每小時(shí)取樣一次，送檢驗(yàn)室檢定，如糖度指標(biāo)不合格，這一小時(shí)內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)萬(wàn)瓶產(chǎn)品將全部報(bào)廢。因此，迫切需要一種適用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀器。
    輕工部甘蔗糖業(yè)研究所曾主持研制“AR-L自動(dòng)折光儀”用于糖濃度測(cè)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(dòng)測(cè)量?jī)x在O～20％的測(cè)量范圍內(nèi)，測(cè)量精度達(dá)到了O．1％。張偉剛等基于強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鹽度和糖濃度的檢測(cè)，在1％～26％的測(cè)量范圍內(nèi)，測(cè)量分辨率達(dá)到2．67×10-4，屬于便攜式儀器。以上測(cè)量方法測(cè)量范圍比較小，而且很難實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測(cè)量的需要。本文基于光學(xué)測(cè)量原理，提出了一種具有光學(xué)參考差動(dòng)測(cè)量方法和基于位置敏感器件(PSD)測(cè)量技術(shù)的結(jié)構(gòu)方法，具有成本低，精度高等特點(diǎn)。在O～35％的測(cè)量范圍內(nèi)，測(cè)量重復(fù)性好于±0．1％，測(cè)量分辨率可到10-5數(shù)量級(jí)。

1 測(cè)量結(jié)構(gòu)與原理
    測(cè)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(guò)不同介質(zhì)的分界面時(shí)，光線將發(fā)生偏折。其折射角度的改變量將與被測(cè)介質(zhì)的折射率相關(guān)。如果被測(cè)介質(zhì)是一定濃度的糖溶液，光線通過(guò)被測(cè)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(gè)位置敏感器件(PSD)去探測(cè)光線的偏移量，就可以測(cè)量出被測(cè)液體糖濃度的大小�；�本測(cè)量原理及光線傳播情況如圖l所示，在裝有被測(cè)液體的水槽中，加入一個(gè)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(guò)參考蒸餾水和被測(cè)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(dòng)測(cè)量方法有利于減小溫度對(duì)液體濃度測(cè)量的影響。光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)參考蒸餾水和被測(cè)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(shí)別光線偏移量的大小。

    圖2給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。He-Ne激光器發(fā)出中心波長(zhǎng)為632．8nm的紅光，分別經(jīng)過(guò)裝有蒸餾水的參考水槽，裝有待測(cè)液體的測(cè)量水槽，兩水槽之間通過(guò)傾斜放置的光學(xué)透射窗隔開。這個(gè)光學(xué)透射窗同時(shí)對(duì)水平入射的光線在進(jìn)入待測(cè)鹽水區(qū)域時(shí)產(chǎn)生一個(gè)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(duì)光的衰減作用，同時(shí)，系統(tǒng)具有很好的可觀性。在測(cè)量水槽裝有一個(gè)直角反射棱鏡，光線經(jīng)過(guò)棱鏡的反射后，通過(guò)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(cè)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(huì)發(fā)生變化，PSD的輸出就會(huì)線性地對(duì)應(yīng)這一變化，從而實(shí)現(xiàn)糖濃度的測(cè)量。加入濾光片的目的是為了濾除大部分環(huán)境雜散光對(duì)測(cè)量的影響。水槽是用有機(jī)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(cè)量得到的暗電流為幾十nA。由于PSD的輸出只與光點(diǎn)打在PSD光敏面上的位置有關(guān)，而與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，因此基本上避免了光源功率波動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響，同時(shí)由于PSD檢測(cè)的是光斑的移動(dòng)量，因此光斑的大小對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果幾乎沒(méi)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(cè)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(cè)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(cè)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(guò)讀取PSD檢測(cè)的光點(diǎn)偏移量，就可以得到被測(cè)液體的濃度。從式(1)可以看出，測(cè)量范圍和測(cè)量靈敏度等與測(cè)量結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)以及PSD探測(cè)器的位置分辨能力有關(guān)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論
    為了驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量糖濃度的特性，分別進(jìn)行了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。用純凈的蔗糖和蒸餾水通過(guò)天平分別配置不同濃度的糖溶液后利用圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。圖3為在窒溫條件下得到的PSD測(cè)得的光線偏移量與糖濃度之間特性關(guān)系的理論計(jì)算曲線和實(shí)測(cè)曲線。其中，試驗(yàn)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(cè)量