溶液浓度测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及溶液浓度检测技术领域，尤其涉及一种溶液浓度测量系统及测量方法。

背景技术

太赫兹波(terahertz，THz)是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波，介于微波和红外之间，具有高透性、低能性、瞬时性、敏锐性、高信噪比等特点。太赫兹波不会对生物组织产生有害的电离辐射，相较于可见光与红外光谱，其穿透能力更强，且不易受瑞利散射的影响。

溶液浓度是一个重要物理量，在化工、冶金、造纸、酿酒、制糖、环保行业及科研等领域都常常需要对溶液浓度进行测量。化学滴定、分光法、光谱分析法等是常用的浓度测定方法。化学滴定法是在待测浓度的溶液中滴定确定浓度的溶液，直到待测溶液发生变化，但是配置溶液比较复杂，而且精度不高。光谱分析法是将待测样品放入光谱分析仪当中，根据光谱来分析样品含量，精度很高，可以分析的种类更全面，但是光谱仪价格昂贵，成本很高。其他的浓度检测方法并不是很成熟。

发明内容

本发明实施例提供了一种溶液浓度测量系统及测量方法，以解决相关技术中对溶液浓度测量的精度低以及经济成本高的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种溶液浓度测量系统，包括：第一端口、第二端口、谐振单元、溶液导管和太赫兹矢量网络分析仪；

所述第一端口和所述第二端口，设置于衬底上；所述第一端口和所述第二端口均与所述谐振单元连接；

所述谐振单元为环状结构，设置于衬底上；所述环状结构内的衬底上设有通孔；

所述溶液导管穿过所述通孔，用于存放待测溶液；

所述太赫兹矢量网络分析仪的第一端用于与所述第一端口连接，第二端用于与所述第二端口连接，或者，所述太赫兹矢量网络分析仪的第一端用于与所述第二端口连接，第二端用于与所述第一端口连接。

在一种可能的实现方式中，所述太赫兹矢量网络分析仪用于对所述谐振单元和待测溶液进行实时扫频并测量所述待测溶液的S

在一种可能的实现方式中，第一信号处理单元和第二信号处理单元；

所述第一信号处理单元和所述第二信号处理单元均设置于所述衬底上；

所述第一信号处理单元的第一端与所述第一端口连接，所述第一信号处理单元的第二端与所述谐振单元连接；

所述第一信号处理单元的第一端与所述第二端口连接，所述第一信号处理单元的第二端与所述谐振单元连接。

在一种可能的实现方式中，所述第一信号处理单元和所述第二信号处理单元包括微带电路、放大器电路和衰减器电路中的至少一种。

在一种可能的实现方式中，所述第一端口和第二端口包括波导-微带转换端口、共面波导端口、微带-同轴转换端口中的至少一种。

在一种可能的实现方式中，所述溶液导管的材料为低介电常数材料；所述溶液导管的横截面的最大直径小于通孔的最小直径。

在一种可能的实现方式中，所述衬底的材料采用绝缘或半绝缘材料。

在一种可能的实现方式中，所述溶液浓度测量系统为对称结构。

第二方面，本发明实施例提供了一种溶液浓度测量方法，应用于上述所述的溶液浓度测量系统中；

所述方法包括：

控制所述太赫兹矢量网络分析仪对所述待测溶液进行实时扫频，并获取所述待测溶液的多个S

将所述待测溶液的多个S

将所述待测溶液的S

根据目标溶液类型的溶液溶度和谐振频率的对应关系和所述待测溶液的谐振频率，确定所述待测溶液的浓度，其中，所述目标溶液类型为所述待测溶液所属的溶液类型。

在一种可能的实现方式中，所述目标溶液类型的溶液溶度和谐振频率的对应关系的建立过程如下：

获取多个预设浓度的溶液样本；所述溶液样本与所述待测溶液为同一种溶液；

对于每个预设浓度，将所述预设浓度的溶液样本灌入所述溶液导管中，控制所述太赫兹矢量网络分析仪对所述预设浓度的溶液样本进行实时扫频，并获取所述预设溶度的溶液样本的多个S

对于每个预设浓度，将所述预设溶度的溶液样本的多个S

根据所述多个预设浓度的溶液样本的溶液浓度以及相应的谐振频率建立所述溶液样本所属溶液类型的溶液浓度和谐振频率的对应关系。

本发明实施例提供一种溶液浓度测量系统及测量方法，溶液浓度测量系统包括第一端口、第二端口、谐振单元、溶液导管和太赫兹矢量网络分析仪；第一端口和第二端口，设置于衬底上；第一端口和第二端口均与谐振单元连接；谐振单元为环状结构，设置于衬底上；环状结构内的衬底上设有通孔；溶液导管穿过通孔，用于存放待测溶液；太赫兹矢量网络分析仪的第一端用于与第一端口连接，第二端用于与第二端口连接，或者，太赫兹矢量网络分析仪的第一端用于与第二端口连接，第二端用于与第一端口连接。本发明实施例通过使用太赫兹频段的信号作为输入信号，经过对信号的处理，进一步实现了对溶液导管内部的溶液浓度的测量。由于太赫兹频段输入的信号频率高，品质因子高，波长短，可以实现更小浓度梯度溶液的测量，提高溶液浓度的检测精度和速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种溶液浓度测量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种溶液浓度测量系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供一种浓度测量方法的流程示意图；

图4是本发明实施例提供的一种不同浓度的NaCl溶液的S

图5是本发明实施例提供的一种NaCl溶液的浓度与谐振频率的相关关系图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本方案保护的范围。

本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述：

图1为本发明实施例提供的一种溶液浓度测量系统的结构示意图。参照图1，该溶液浓度测量系统包括：第一端口110、第二端口120、谐振单元130、溶液导管140和太赫兹矢量网络分析仪150。

第一端口110和第二端口120，设置于衬底160上；第一端口110和第二端口120均与谐振单元130连接。

谐振单元130为环状结构，设置于衬底160上；环状结构内的衬底160上设有通孔。

溶液导管140穿过通孔170，用于存放待测溶液。

太赫兹矢量网络分析仪150的第一端用于与第一端口110连接，第二端用于与第二端口120连接，或者，太赫兹矢量网络分析仪150的第一端用于与第二端口120连接，第二端用于与第一端口110连接。

在本实施例中，当第一端口110用于接收输入信号时，第二端口120用于输出信号。太赫兹矢量网络分析仪150的第一端用于与第一端口110连接，第二端用于与第二端口120连接。在溶液导管140灌入待测溶液。

在本实施例中，当第二端口120用于接收输入信号时，第一端口110用于输出信号。太赫兹矢量网络分析仪150的第一端用于与第二端口120连接，第二端用于与第一端口110连接。在溶液导管140灌入待测溶液。

在本实施例中，采用太赫兹信号作为该溶液浓度测量系统的输入信号，由于太赫兹频段频率高，品质因子高，波长短，可以实现更小浓度梯度溶液的测量。同时可以实现极性溶液和非极性溶液的浓度测量。

具体地，谐振单元130为环状结构，环外部可制作其他电路用于提高系统的品质因数。谐振单元包括多个电容、多个电阻或多个电感。在环状内部设置通孔170(如图1中谐振单元130内部)，即将环状内部的衬底160材料打通。示例性的，通孔形状包括但不限于圆形、椭圆形和矩形。

在一些实施例中，太赫兹矢量网络分析仪150用于对谐振单元130和待测溶液进行实时扫频并测量待测溶液的S

在本实施例中，太赫兹矢量网络分析仪150受控制用于对待测溶液进行实时扫频，并实时监测待测溶液的S

综上，本发明通过使用太赫兹频段的信号作为输入信号，经过对信号的处理，进一步实现了对溶液导管140内部的溶液浓度的测量。由于太赫兹频段输入的信号频率高，品质因子高，波长短，可以实现更小浓度梯度溶液的测量，提高溶液浓度的检测精度和速度。

参考图2，图2是本发明实施例提供的另一种溶液浓度测量系统。在一些实施例中，溶液浓度测量系统还包括：第一信号处理单元180和第二信号处理单元190。

第一信号处理单元180和第二信号处理单元190均设置于衬底160上。

第一信号处理单元180的第一端与第一端口110连接，第一信号处理单元180的第二端与谐振单元130连接。

第一信号处理单元180的第一端与第二端口120连接，第一信号处理单元180的第二端与谐振单元130连接。

在本实施例中，第一信号处理单元180和第二信号处理单元190分别连接至谐振单元130的环形结构外部，通过增强/减弱输入信号的传输功率，以提高/降低信号的插损，达到改善系统的品质因数，同时实现更小浓度梯度溶液的测量，提供溶液测量的准确性。

在一些实施例中，第一信号处理单元180和第二信号处理单元190包括微带电路、放大器电路和衰减器电路中的至少一种。

在本实施例中，微带电路用于使第一端口110和第二端口120与谐振电路实现最佳匹配，使输入/输出信号实现最佳传输。放大器电路用于放大谐振频率处的信号，使谐振频率更容易分辨。衰减器电路用于衰减以谐振频率为中心，带宽2GHz之外的频带，去除干扰。

在本实施例中，第一信号处理单元和第二信号处理单元在同一溶液浓度测量系统中为同一类型的端口，例如第一信号处理单元和第二信号处理单元均为微带电路。

在一些实施例中，第一端口110和第二端口120包括波导-微带转换端口、共面波导端口、微带-同轴转换端口中的至少一种。

在本实施例中，第一端口与第二端口在同一溶液测量系统中为一致类型的端口。例如，第一端口和第二端口均为波导-微带转换端口。

在一些实施例中，溶液导管140的材料为低介电常数材料；溶液导管140的横截面的最大直径小于通孔的最小直径。

在本实施例中，低介电常数材料的介电常数小于4，溶液导管140的材料包括但不限于石英、聚四氟乙烯。溶液导管140横截面小于通孔尺寸，保证能够顺利穿过。

在一些实施例中，衬底160的材料采用绝缘或半绝缘材料。

在本实施例中，采用的衬底160材料包括但不限于硅、氮化镓、砷化镓、磷化铟、石英、氮化铝等绝缘和半绝缘材料。第一端口110、第二端口120、第一信号处理单元180、第二信号处理单元190和谐振单元130均设置衬底160上，起到支撑该溶液浓度测量系统的作用。

在一些实施例中，溶液浓度测量系统为对称结构。

在本实施例中，溶液浓度测量系统采用对称结构，系统的第一端口110和第二端口120均可以作为信号输入端口和信号输出端口，因此，将该系统设置为对称结构便于操作。

在本实施例中，第一端口110、第二端口120、谐振单元130、溶液导管140、第一信号处理单元180和第二信号处理单元190以溶液导管为中心呈中心对称结构。

本发明实施例还提供了一种溶液浓度测量方法，如图3所示，图3是本发明实施例提供一种浓度测量方法的流程示意图。该溶液溶度测量方法包括：

步骤301、控制太赫兹矢量网络分析仪150对待测溶液进行实时扫频，并获取待测溶液的多个S

步骤302、将待测溶液的多个S

步骤303、将待测溶液的S

步骤304、根据目标溶液类型的溶液溶度和谐振频率的对应关系和待测溶液的谐振频率，确定待测溶液的浓度，其中，目标溶液类型为待测溶液所属的溶液类型。

在本实施例中，利用太赫兹矢量网络分析仪150对待测溶液进行实时扫频。示例性的，如图4所示，图4是本发明实施例提供的一种不同浓度的NaCl溶液的S

在本实施例中，不同的溶液的溶液浓度和谐振频率一定的对应关系。通过溶液浓度系统计算未知浓度已知类型的溶液的谐振频率，按照对应的关系和谐振频率计算该溶液对应的浓度。示例性的，待测溶液为NaCl溶液，已知NaCl溶液的浓度和谐振频率满足线性关系为y＝0.01x+221.4(y为溶液的谐振频率，x为溶液的浓度值)。根据溶液浓度系统检测到的未知溶液的谐振频率为221.433GHz，则可根据上述线性关系计算得到该未知溶液的浓度为3mmol。

在本实施例中，诸如KCl、葡萄糖、果糖等极性溶液和非极性溶液，均可用溶液测量系统及测量方法实现溶液浓度的测量。

在一些实施例中，目标溶液类型的溶液溶度和谐振频率的对应关系的建立过程如下：

获取多个预设浓度的溶液样本；溶液样本与待测溶液为同一种溶液。

对于每个预设浓度，将预设浓度的溶液样本灌入溶液导管140中，控制太赫兹矢量网络分析仪150对预设浓度的溶液样本进行实时扫频，并获取预设溶度的溶液样本的多个S

对于每个预设浓度，将预设溶度的溶液样本的多个S

根据多个预设浓度的溶液样本的溶液浓度以及相应的谐振频率建立溶液样本所属溶液类型的溶液浓度和谐振频率的对应关系。

在本实施例中，溶液样本与待测溶液的类型一致。将不同已知浓度的溶液灌入溶液导管140中，太赫兹矢量网络分析仪150检测每个浓度溶液对应的S

具体的，参考图4，利用太赫兹矢量网络分析仪150检测了NaCl溶液五种浓度(1mmol、2mmol、3mmol、4mmol、5mmol)的S

表1 NaCl溶液浓度和与浓度对应的谐振频率

在一个具体的实施例中，该溶液测量方法具体包括：

(1)输入/输出端口外接太赫兹矢量网络分析仪150；

(2)配制目标溶液类型的不同浓度溶液；

(3)将不同浓度溶液灌入溶液导管140中，测试得到S

(4)根据不同浓度溶液的S

(5)处理步骤(4)中得到的溶液浓度与谐振频率的数据，得到二者的线性关系；

(6)测试该目标溶液类型的未知浓度溶液的S

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。