非接触式酒精浓度测量方法和装置

技术领域

本发明属于酒精浓度测量技术领域，尤其是一种非接触式酒精浓度测量方法和装置。

背景技术

酒精是乙醇和水的混合溶液。作为一种常用的有机溶剂，酒精在日常生活、医疗卫生、食品工业、工农业生产中都有广泛的用途。生活中，食用酒精可以用来勾兑白酒；在医疗领域，70％～75％的乙醇溶液常用于医疗消毒、40％～50％的酒精可预防褥疮、25％～50％的酒精可用于物理退热；在工农业领域，酒精是清漆、化妆品、油墨、脱漆剂等的溶剂以及农药、医药、橡胶、塑料、人造纤维、洗涤剂等的制造原料。浓度可以说是确定酒精溶液用途的决定性因素，因此，实现酒精浓度准确、快速、便捷的测量具有重要意义。

酒精浓度的测量方式可以大致分为接触式测量和非接触式测量两类，目前接触式测量方案已经较为成熟，在市场上应用广泛，典型的有密度计法、折光计法以及酒精比重计法。

酒精密度计法基于乙醇和水的密度差异进行设计：乙醇的密度小于水的密度，酒精浓度越高，密度越小，酒精溶液中酒精密度计所受的浮力就越小，通过读取密度计上的提前标定好的刻度就可以实现酒精浓度的测量。但是，酒精密度计法操作繁琐，需人工读数，且消耗的酒精溶液多。

酒精折光计法基于不同浓度酒精溶液的折射率差异进行设计：通过测量透过酒精溶液后光线偏折的角度，转化为溶液的折射率，进而测出酒精的浓度。但是酒精折光计法也需要人工读数，且对于高浓度酒精溶液测量误差较大。

酒精比重计法通过测量标准玻璃砝码在酒精溶液中所受浮力，计算出酒精溶液的密度从而实现酒精浓度的测量。该方法操作步骤繁琐、测量误差较大，且装置成本较高。

以上接触式测量装置均存在体积笨重、操作复杂、成本较高等问题。在一些需要少量取样和快速测量的场合并不适用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种非接触式酒精浓度测量方法和装置，实现高效率、高精度、低成本的非接触酒精浓度测量。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：

非接触式酒精浓度测量方法，包括以下步骤：

波长为λ的红外激光二极管直接照射红外光电探测器，红外光电探测器测量得到前向光强为I

波长为λ的红外激光二极管透过待测酒精溶液后照射红外光电探测器，红外光电探测器测量得到前向光强为I

基于标定得到的酒精溶液的波长为λ的激光透过率和酒精溶液浓度的函数关系，计算得到待测酒精溶液的浓度。

进一步地，本发明一优选方案中，所述激光波长λ为1310nm。

进一步地，本发明采用已知浓度的酒精溶液进行波长为λ的激光透过率标定，标定得到酒精溶液的波长为λ的激光透过率和酒精溶液浓度的函数关系，其中所述酒精溶液的波长为λ的激光透过率和酒精溶液浓度的函数关系采用e指数模型进行拟合得到。

另一方面，本发明提供一种非接触式酒精浓度测量装置，包括：

比色皿，用于盛装待测酒精溶液；

红外激光二极管，用于发射波长为λ的激光；

红外光电探测器，所述红外激光二极管发射的波长为λ的激光直接照射红外光电探测器时，红外光电探测器测得的前向光强为I

数据处理单元，用于计算待测酒精溶液的波长为λ的激光透过率T，

进一步地，作为本发明的优选方案，所述激光波长λ为1310nm，所述比色皿的光程为10mm。基于酒精溶液的1310nm激光透过率和酒精溶液浓度的函数关系，计算得到待测酒精溶液的浓度c＝81.103×ln(T)-268.691。

相对于现有技术，本发明能够产生的有益技术效果是：

针对现有测量酒精溶液浓度装置存在体积笨重、操作复杂、成本较高，在一些需要少量取样和快速测量的场合并不适用等问题，本发明提供一种高效率、高精度、低成本的非接触式酒精浓度测量方案，且该测量方案可以大大减小测量装置的体积，且测量结果准确可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的结构示意图；

图2为本发明另一实施例的结构示意图；

图3为本发明一实施例的红外波段激光二极管驱动电路以及光电探测器信号放大电路图；

图4为酒精溶液的激光透过率和酒精溶液浓度的关系图(采用10mm光程比色皿进行测量)，其中(a)为不同浓度酒精溶液的红外吸收光谱图；(b)为1280nm-1380nm波长范围的激光透过率随酒精溶液浓度变化曲线图；

图5为一实施例中不同浓度酒精溶液的1310nm激光透过率拟合曲线图(采用10mm光程比色皿进行测量)；

图中标号：

1、数据处理单元；2、红外激光二极管；3、比色皿；4、红外光电探测器；5、高精度AD采样模块；6、无线通讯模块；7、显示模块；8、供电模块；9、电源转化模块，10、客户端。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方法

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

一实施例，提供一种非接触式酒精浓度测量方法，包括以下步骤：

波长为λ的红外激光二极管直接照射红外光电探测器，红外光电探测器测量得到前向光强为I

波长为λ的红外激光二极管透过待测酒精溶液后照射红外光电探测器，红外光电探测器测量得到前向光强为I

基于标定得到的酒精溶液的波长为λ的激光透过率和酒精溶液浓度的函数关系，计算得到待测酒精溶液的浓度。选择合适波长激光能够较大地提高测量精度。本发明提出不同浓度的酒精溶液在红外波段具有不同的吸收率，可以通过测量酒精对红外光的透过率计算酒精溶液的浓度。为确定测量的最佳红外波段，同时验证本发明所提出方案的可行性，首先对酒精溶液在900nm～1700nm的红外波段激光透过率进行了测量。

选择10mm光程的比色皿进行测试，利用超连续谱光源输出900nm～1700nm的红外波段照射不同浓度的酒精溶液。图4为酒精溶液的激光透过率和酒精溶液浓度的关系图，其中图4的(a)中展示了为不同浓度酒精溶液的900nm～1700nm红外吸收光谱图，将图中不同的红外波段划分为“吸收随浓度无显著变化区”、“吸收随浓度显著变化区”以及“饱和吸收区”。在“吸收随浓度无显著变化光谱区”，不同浓度的酒精溶液激光透过率没有明显变化，不适用于实际测量；在“饱和吸收区”，不同浓度的酒精溶液均产生了明显的吸收，亦不适用于测试；但在“吸收随浓度显著变化区”，不同浓度酒精的透过率有明显差异，适合用于酒精浓度的测量。考虑到1310nm位于“吸收随浓度显著变化区”，且其透过率变化范围(酒精浓度0-100％vol)相较其他波长更大，如图4(b)所示。此外，1310nm是典型的通信波段，相应的激光二极管(LD)也较为成熟，综合以上考量择优选用1310nm的激光。

下面对酒精溶液的1310nm激光透过率进行分析。假设乙醇在1310nm波段的吸收率为α

I

＝I

上式说明酒精溶液的浓度c和透过率应满足指数关系。

采用光程为10mm的比色皿，对不同浓度酒精溶液的1310nm激光透过率进行测量标定，并用e指数函数的数学模型进行拟合，得到如图5所示的结果，可以看出，数据拟合情况良好。

通过数据拟合，得到了酒精溶液的1310nm激光透过率和酒精溶液浓度的函数关系。基于上述关系，先测得待测酒精溶液的1310nm激光透过率，即可计算得到待测酒精溶液的浓度c＝81.103×ln(T)-268.691。

参照图1，一实施例，提供一种非接触式酒精浓度测量装置，包括：

比色皿3，用于盛装待测酒精溶液；红外激光二极管2作为光源，用于发射波长为λ的激光照射盛装有待测酒精溶液的比色皿3，所述激光在直接照射光电探测器时测得的前向光强为I

红外光电探测器4，从比色皿3的另一侧接收透过所述待测酒精溶液的透射光光强I

高精度AD采样模块5，对红外光电探测器4输出的信号进行采样，并将采样信号传递给数据处理单元进行处理；

数据处理单元1，用于计算待测酒精溶液的波长为λ的激光透过率T，

一实施例中采用1310nm的红外激光二极管2作为光源。先测得待测酒精溶液的1310nm激光透过率，基于酒精溶液的1310nm激光透过率和酒精溶液浓度的函数关系，即可计算得到待测酒精溶液的浓度c＝81.103×ln(T)-268.691。

参照图2，一实施例，提供一种非接触式酒精浓度测量装置，包括数据处理单元1、红外激光二极管2、比色皿3、红外光电探测器4、高精度AD采样模块5、无线通讯模块6、显示模块7、供电模块8、电源转化模块9、客户端10。所述数据处理单元1与红外激光二极管2连接，用于对红外激光二极管2进行脉冲驱动。所述数据处理单元1连接有无线通讯模块6，通过无线通讯模块6与客户端10通讯连接，客户端10能够远程操控所述数据处理单元1，进而对整个测量过程进行控制，并实时获得测量结果。可以理解，本发明中(不限于本实施例)中包含的各用电器件是由电源供电，电源模块包括供电模块8和电源转换模块9，电源转换模块9将供电模块8的电压分转换为各用电器件的工作电压为各用电器件供电，维持各用电器件的正常工作。

所述数据处理单元连接有显示模块，实现对测量结果的实时显示。

比色皿3，用于盛装待测酒精溶液，比色皿光程为10mm。

1310nm的红外激光二极管2作为光源，用于发射波长为1310nm的激光照射盛装有待测酒精溶液的比色皿3，所述1310nm激光在直接照射红外光电探测器4时测得的前向光强为I

1310nm的红外激光二极管2发出的红外光透过盛有酒精溶液的比色皿3后被红外光电探测器4接收，红外光电探测器4探测到透过所述待测酒精溶液的透射光光强I

高精度AD采样模块5，对红外光电探测器4输出的信号进行采样，并将采样信号传递给数据处理单元进行处理。

数据处理单元1计算待测酒精溶液的透过率T，

一实施例中，采用图2所示结构，其中：

数据处理单元1采用的单片机开发板为Arduino Nano。

高精度AD采样模块为超小型ADS1115高精度采样芯片(16位)。

所述红外光电探测器选用波长响应范围在800nm～1700nm的InGaAs光电探测器。

无线通讯模块采用蓝牙模块，蓝牙模块为JDY-31型蓝牙。

客户端可以设计为手机客户端APP。

供电模块为两节3.7V的18650型可充电电池，电源转化模块为A0509S电压转化模块。显示模块采用0.96寸OLED显示屏，采用SSD1306控制芯片。

工作原理：首先在未放置比色皿时点击手机客户端APP的“测量”按钮，手机客户端APP通过蓝牙模块向单片机开发板发送控制字第一符如字符“a”，并等待接收单片机开发板返回数据。此时单片机开发板驱动1310nm的红外激光二极管LD产生一定数量的光脉冲，并通过高精度AD采样模块记录此时的相对光强I

该酒精浓度测量装置通过蓝牙模块与手机客户端APP进行通信，通过手机发送测量指令控制酒精浓度测量装置进行测量操作。当手机控制装置进行“调零”操作时，单片机记录一次未放置酒精溶液时的透过率；当手机控制测量装置进行“测量”操作时，单片机记录一次放置酒精溶液后的透过率，并计算出此时的酒精溶液浓度。酒精溶液测量值可在OLED显示屏和手机界面上显示。

参照图3，一实施例采用了一种简单的红外波段激光二极管驱动电路以及光电探测器信号放大电路图。

其中，红外激光二极管驱动电路采用简单的共射极驱动电路，三极管的基极通过一个电阻R

光电探测器信号放大电路包括前向光接收电路部分和背向光接收电路部分。其电路结构基本对称，因此就其中的前向光接收电路进行说明。红外光电探测器4对应设置有前向光接收电路，用于对红外光电探测器4输出的电信号进行放大，以提高红外光电探测器测量的灵敏度与精度。

当激光照射到红外光电探测器上，红外光电探测器PD1产生一个大小为I

红外激光二极管2内部光电探测器对应的设置有背向光接收电路，背向光接收电路的结构与前向光接收电路基本一致，只是背向光接收电路中的光电探测器PD0为红外激光二极管2内部集成的光电探测器，可用于监测红外激光二极管2的背向散射光。

将红外光电探测器4测量得到的前向光强与红外激光二极管2内部光电探测器监测到的的背向光强进行比值，可以计算得到相对光强，进而较大地消除红外激光二极管自身功率不稳定性对测量精度和稳定性的影响。

这种采集回光的方式可以避免分光监测输出功率，不需要引入分光镜等多余的光路结构，在消除激光二极管功率不稳定因素影响的同时也尽可能简化了系统结构。

本发明未尽事宜为公知技术。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。