第52卷第3期202丨年3月
上i
分夂♦
Safety in Coal Mines
Vol.52 No.3
Mar. 2021
移动扫码阅读
DOI : 10.13347/j ki .mkaq . 2021 .03.028
骆铁楠.乳化液浓度光学折射检测方法[J ].煤矿安全，2021,52(3): 156-158,164.
LLJO Tienan. Optical refraction detection melliod for emulsion concentration[ J ]. Safety in Coal Mines, 2021, 52(3): 156-158, 164.
乳化液浓度光学折射检测方法
路铁楠
(安标国家矿用产品安全标志中心有限公司，北京100013)
摘要：介绍了基于光学折射的3种乳化液浓度检测方案，选择棱镜内反射法作为检测方案。配
制了几种浓度的乳化液，对其折射率进行了精密试验测量，获得了各种乳化液折射率基础数据；设计了棱镜反射法检测方案的光学系统结构及元件，计算分析了该测量系统的分辨率3
关键
词：乳化液；浓度检测；光学折射；折射率；分辨率
中图分类号：TD 679 文献标志码：B 文章编号：1003-496X (2021)03-0156-03
Optical refraction detection method for emulsion concentration
LUO Tienan
{Mining Products Safety Approval and Certification Center Co., Ltd., Beijing 100013, China)
A b s tra c t ： This paper introduced three kinds of emulsion concentration detection schemes bad on optical refraction, and the
prism internal reflection method is chon as the detection method. Several kinds of emulsions were prepared, their refractive indexes were measured by preci experiment, and the basic data of refractive index were obtained. Hie optical system structure and cnmponenls of the prism reflection method are designed, and the resolution of the measuring system is calculated and analyzed.
Key w o rds: emulsion; concentration detecting; rrfractivity; refraction index; iesolution
目前，乳化液浓度的检测方法己经由破乳法、折 光仪法，向自动检测的方向发展。随着科学技术的 进步，各种乳化液浓度检测技术不断出现，主要有：光吸收法1〃、光学浑浊度法、电容法121、超声波法|W1和
其它方法|6_71等4类。现存的乳化液浓度检测方法都 存在不同方面、不同程度的问题为此，提出了一种 基于光折射检测乳化液浓度的检测原理，对各种实 现方案进行分析，选择最佳方案，并进行系统设计1检测原理及方案选择
基于乳化液的光学折射特性来测M 其浓度的方 法称为折光法|S |。折光法在结构上有3种方案：
丨）掠人射法。全角度光线(〇°~90°)从光疏介质 进人光密介质发生折射，通过检测掠人射光线的折 射位置（亮暗分界线）来检测折射率，从而得出浓 度。此方案亮暗区为绝对亮暗，分界线是有折射与 无折射区域的临界线。掠人射法示意图如图I 。
2) 透射法。特定角度光线从光密介质进人光疏
介质然后再进人光密介质，光路结构对称，通过检测 出射光线的位置、落点来检测折射率，从得出浓度。
3)
棱镜内反射法。部分角度光线(包含浓度变化
范围内各临界角度）从光密介质射人光密与光疏界 面，后返回光密介质，通过检测不同浓度液体的全
反 射临界光线位置(亮暗分界线）来测定折射率，从而 得出浓度此方案亮暗区为相对亮暗，分界线是部分 反射区域与全反射区域临界。棱镜内反射法示意图
•
156-
第52卷第3期
2021年3月
Safety in Coal Mines V«1.52 No.3 Mar. 2021
如图2。
〇l
(h))低浓度
神奇的声音參
(a)0,：是黑液浓度的函数（<•)高浓度
图2棱镜内反射法示意图
Fig.2 Sketch of reflection method
上述3种方案都采用光电检测器件检测出射光 线，但掠入射法和透射法都需要光线穿过被测液体，即光通路中含有液体部分，使得传感检测的光路部 分结构设计较复杂，制造封装密封面多，不利于检测 传感器小型化，且透射法要求单色准平行光或准细 光束，对光源方向性要求较高。因此，采用棱镜内反 射法。该方法的光通路不穿过被测液体，被测液体 在与棱镜接触界面处对光通路进行调制，检测系统 所有的元件都布置在接触界面一侧，这样仅在接触 界面处有1个密封面，有利于检测系统的结构设计 和传感器的小型化，是最佳的方案。
2棱镜内反射法检测系统
2.1测量原理
根据光的折射定律，光线从棱镜进人被测溶液 时，满足如下关系：
sina；_nT⑴
sinar n\
式中:a，为光线人射角（在棱镜一侧）;a，.为光线 折射角（在液体一侧）；《，为人射侧介质(棱镜)折射 率；〃，为出射侧介质(被测液体)折射率。
根据式（1)，当人射角增大到某一角度时，折射 角％=90°，sinc^1。这时人射光线的出射光线在接触 界面掠出，当人射角继续增大时，折射光线消失，入 射光线全部反射回入射侧棱镜中，这种现象叫做全 反射，使队=90°的入射角称为全反射临界角。显然，当人射角小于临界角时，人射光线在接触界面上同 时发生折射和反射；当入射角大于临界角时，人射光 线会全部返回人射侧。这样，在返回入射侧的反射 光线所形成的区域中，一部分亮，一部分暗，亮暗区 域的分界就是临界角光线。人射角的表达式为arcsin(^s in a j，当处在临界状态时，叫=90° ，则临界U i
角af.=arcsin i。乳化液浓度C与其折射率〃i之间存在函数关系，即〃,.=/(c)，则临界角 a‘.=a rcsin U~，艮[J
rii
c f U s i n a,.)。可以看出，当浓变化时，临界角
就随之变化，亮暗分界也在变化。因此，通过光电
器件检测亮暗分界的位置，就可以反推出浓度c。这
就是棱镜反射法检测浓度的原理。
2.2光学系统及元件
1) 光源及光电检测器件。为了获得稳定清晰的 亮暗分界，系统的光源采用激光二极管(LD)。采用 CCD作为光电检测器件'检测亮暗分界线的位置,
可以降低亮暗对比度和亮度变化带来的测量误差，
提高测量精度。
2) 量程及相关参数。根据煤矿生产对乳化液的 浓度要求（3%~5%)，据此设定测量系统的量程为
0.5%〜8%。各浓度乳化液的折射率见表1。
表1各浓度乳化液的折射率
Table 1Refractivity of different concentrations
型号
折射率
0.5%乳化液 4.0%乳化液8.0%乳化液
MS10-5G 1.332 1 1.334 5 1.336 7
M SI 0-5 Y 1.332 0 1.333 8 1.336 5
ME10-2 1.332 4 1.337 0 1.341 9
MK10-4 1.331 9 1.333 7 1.336 1
ME10-5 1.332 2 1.336 2 1.340 5
M E 15-5 1.332 4 1.337 8 1.343 7
ME40-5 1.332 0 1.335 1 1.338 5
3)特征角。采用F3光学玻璃做棱镜材料，其折
射率为1.616 4。选取MS10-5G，0.5%的临界角
39.5。，8.0%的临界角 £^.8=39.6。，光锥角 Ac^c w-
a,<,.5=〇.l°，平均临界角=39.6°。
2.3检测棱镜
检测棱镜是该光学测量系统的核心元件，其直
接接触乳化液，因此要选用具有耐磨、耐高温、抗腐
蚀等物理化学性能的光学材料，选择F3光学玻璃作
为棱镜材料。
根据乳化液的浓度范围和光学系统w的结构，
检测棱镜需设计成一定的几何形状，特别是对它的
出射面与乳化液接触面（测量面）之间的夹角有一
定的要求。在系统测量范围内，形成的临界角光线
必须在出射面对称于该面法线上。棱镜的几何结构诗大全100首
如图3。
1)角参数。根据棱镜的几何结构关系和反射定
律，可以推导出棱镜的各角参数。
• 157
-
第52卷第3期2021年3月
i i i r k i r
Safety in Coal Mines
Vol.52 No.3Mar. 2021
图3
棱镜几何结构图
Fig.3 Geometry structural of prism
梯形棱镜上梯角乙/w :
乙 Z
乙/I £
C
=
2
梯形棱镜下梯角乙/)6C :
^ DBC = A ECB =a ,+
DB
2) 外形尺寸参数。在满足检测光学系统要求的
条件下，并考虑测量系统机械结构的要求。
梯形棱镜高
式中：F ，为聚光镜在棱镜介质中的焦距。梯形棱镜上底边长
sina ,
梯形棱镜下底边长/>=^^
tana ,
梯形棱镜宽度c :c =10 mm 。3) 聚光透镜。
聚光透镜焦距r ,: r ,=—^―-2tan 争
式中：办为原始平行光束直径；A (/为光锥在空 气中的锥角。
4)
系统测量分辨率。CCD 感光面设计实际使用
长度2y >13 mm (2y ：为CCD 敏感面尺寸），包含的感光单元数m =^"=928.57(S '为CCD 感光单元
〇
分辨率，A tm )，取m =928(因量程设计为0.5%~10%)， 取M =9.5%，则平均浓度分辨率为f =M /m =9.5%/ 928 « 0.01 %03
试验及结果
根据上述设计参数，搭建了试验平台，并在此基
础上测量了 ME 10-2牌号乳化液浓度，ME 10-2不 同浓度乳化液折射率见表2。
测量结果表明，设计的乳化液浓度检测系统能 够检测不同浓度的乳化液，平均误差为5.525%，可
表2 M E 10-2不同浓度乳化液折射率
Table 2 Refractivity of different concentration
乳化液 浓度/%
标准折射率
测量折射率
测量
浓度m
误差值/%误差/%
0.5 1.332 4 1.332 30.440.0612.004.0 1.337 0 1.336 8 3.820.18 4.508.0
1.341 9
1.341 77.28
0.729.00100(油） 1.460 3
1.460 0
99.55
快乐体操
0.45
0.45
以满足测M 要求。4
结语
研究了各种基于折射的乳化液浓度检测方案，
通过对比分析，选择了棱镜反射式测量方案。用各种 牌号的乳化油配制了各种浓度的乳化液，利用阿贝
折光仪对其折射率参数进行了大量精密测量，获得 了各样乳化液的折射率数据。详细设计了棱镜反射 式乳化液浓度检测系统，计算了分辨率，并通过试验 证明设计的乳化液浓度检测系统是符合要求的参考文献（K ef 'e renc.es ):
[1 ]顾德英，刘万军，朱华，等.采用红外透光技术的乳化 液浓度自动监测系统[J ].电测与仪表，1998(2 ):41.[2 ]
王正良，赵大庆，唐兵.乳化液浓度自动检测配比系统 [J ].中国矿业大学学报，丨994,23( 1 ):9-15.
WANG Zhengliang, ZHAO Daqing, TANG Bing. An automatic system for supervision and proportioning of emulsion ud in hydraulic supports[j]. Journal of China University of Mining & Technology ，1994, 23(3): 9-15.[3] 颜丽娜.基于声速法的乳化液浓度检测系统研究[D ].
西安：西安科技大学,2008.[4]
柴光远，颜丽娜，黄楠.基于单片机的乳化液浓度超声
检测系统设计[J ].矿山机械，2008( 11): 10-12.CHAI Guangyuan, YAN Lina, HUANG Nan. Design of the ultrasonic testing system of emulsion concentration bad on SCM [ J ]. Mining & Processing Equipment, 2008( 11 ): 10-12.
[5 ]
王东，王兵，李昌禧.超声波技术检测乳化液浓度的仿 真与实验[J ].武汉科技学院学报，2004(6) :34-37. WANG Dnng, WANG Bing, LI Changxi. Simulation and experiment of inspecting emulsion concentration with
ultrasonic technique [j . Journal of Wuhan University nf Science and Engineering, 2004(6): 34-37.
[6]赵四海，王琦，刘志强.国内乳化液浓度检测与自动配
比技术研究进展[J ].工矿自动化，2012( 8): 30-35.
(下转第164页)
•
158-
第52卷第3期国家动漫园
2021年3月
[4]王剑光.煤矿瓦斯综合抽采技术及应用[J].中国煤炭，
2014,40(3)：1I1-115.
WANG Jianguang. Comprehensive gas drainage technol
ogy and its application in coal m in es[j]. China Coal.
2014. 40(3): 111-115.
郑重其事是什么意思
[5]侯少杰，程远平，王海锋，等.单一松软强突出煤层瓦
斯抽采技术[J].煤矿安全,2010,41(2) :_25-27.
HOU Shaojie, CHENG Yuanping, WANG Haifeng. et
al. Gas drainage technology in single soft outburst coal
an i[j]. Safety in Coal Mines, 2010, 41(2): 25-27. [6]国家安全生产监督管理总局.煤矿瓦斯抽采达标暂行
规定[Z].2011-10-6.
[7] AQ 1026—2006煤矿瓦斯抽采基本指标[S].
[8]刘杰，程远平，侯少杰，等.单一突出煤层瓦斯治理辅
助设计系统[J].煤矿安全，20丨1,42(2):67-70.
[9]唐孝先.智慧煤矿综合信息移动平台软件的设计与实
现[D].太原：太原理工大学,2017.
[10]程远平，王海锋，侯少杰.煤矿瓦斯治理过程控制方
(上接第158页）
ZHAO Siliai，WANG Qi, LIU Zhiqiang. Rearch
progress of detection and automatic matching technique
for emulsion concentration [ J ]. Intlustn and Mine Au
tomation, 2012(8): 30-35.
[7] 丁恩杰，陈桂珍，刘云霞.一种新颖的乳化液浓度的检
测方法[J].仪器仪表学报，2002( S1 ): 333-334.
DING Enjie, CHEN Guizhen, LIU Yunxia. A novel de
tecting algorithm of consistence of emulsification liquid
[J」. Chine Journal of Scientific Instrument, 2002(SI ):lbj
333-334.
[8]吕利强，李文英.矿用乳化液浓度自动检测方法的研
究[J].流体传动与控制,2009(7):55-58.
LV Liqiang, LI Wenying. Automatic measurement of
mine emulsion concentration[ J ]. Fluid Power Transmis
sion an<l Control, 2009(7): 55-58.
[9]张全法，郭茂田，杨海彬，等.利用C CD测量液体折射
V〇1.52 No.3
Mar. 2021
法研究[J].中国煤炭，2010,36(8): 15-19.
CHENG Yuanping, WANG Haifeng, HOU Shaojie.
Gas control technology and process management [ J ] •
舞蹈主题
China Coal, 2010, 36(8): 15-19.
[1丨]邢存恩.煤矿采掘工程动态可视化管理理论与应用研究[D ].太原：太原理工大学，2009.
[12]王思鹏，李德海，尹士献.六节点三角形单元预计异
常煤厚区研究[J].中国煤炭，2009,35( 10):39-43.
WANG Sipeng, LI Dehai, YIN Shixian. Forecasting the
abnormal thickness of coal ams by triangular ele
ments with six nodes: a study [j].China Coal, 2009.
乃记之而去
35(10): 39-43.
作者简介：陈睿（1986—)，山西大同人，工程师，硕 士，主要从事矿井瓦斯灾害治理研究和技术咨询工作。
(收稿日期：2020-05-14；责任编辑：兰莹）
率[J ].半导体光电，2000，21 (3 ): 229-232.
ZHANG Quanfa, GUO Maotian, YANG Haibin, et al.
Measurement of the refractive index for liquid using
CCD[.| 1. Semicondurtor Optoelectronics, 2000. 21(3):
229-232.
[10]苏百顺，庞基铎，孟国营.基于光纤传感的乳化液浓
度检测仪的设计[J].现代制造工程，2012(3 ):93.
SU Baishun, PANG Jiduo, MENG Guoying. Design of
the optical fiber emulsion concentration detector l J J.
Modern Manufacturing Engineering, 2012(3): 93-95.
作者简介：骆铁楠（1984—），北京人，助理研究员，硕 士，2009年毕业于中国矿业大学（北京），主要从事矿用产品安全标志认证工作，
(收稿日期：2020-06-27；责任编辑：李力欣）
Safety in Coal Mines
• 164
•
