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关键词：光学检测；糖度测量;差动技术;位置测量
随着经济的发展和人们生活水平的提高，人们对生活质量，包括食品的质量要求越来越高。糖浓度的测量是研究人员日益关注的一个问题。在化工、制药、轻工、食品饮料、环保等各个行业部门以及日常生活的各个领域，都有对液体含糖量进行测量的需求，而且许多场合下要求现场快速测量。以前大多数糖浓度检测仪是采用手持式目视结构，其主要的不足有：1)读数误差大、因人而异;2)读数环境要求光线明亮；3)无温度自动补偿，为了得到正确读数，必须查阅修正表进行计算，使用不便。一般每小时取样一次，送检验室检定，如糖度指标不合格，这一小时内生产的数万瓶产品将全部报废。因此，迫切需要一种适用于生产现场的高精度实时监测仪器。
轻工部甘蔗糖业研究所曾主持研制“AR-L自动折光仪”用于糖浓度测量精度可达到0．3％；萧璋等基于线阵电荷耦合器件(charge-coupleddevic,CCD)为传感器，提出的糖浓度自动测量仪在O～20％的测量范围内，测量精度达到了O．1％。张伟刚等基于强度调制型光纤传感技术实现了对盐度和糖浓度的检测，在1％～26％的测量范围内，测量分辨率达到2．67×10-4，属于便携式仪器。以上测量方法测量范围比较小，而且很难实现在线实时测量的需要。本文基于光学测量原理，提出了一种具有光学参考差动测量方法和基于位置敏感器件(PSD)测量技术的结构方法，具有成本低，精度高等特点。在O～35％的测量范围内，测量重复性好于±0．1％，测量分辨率可到10-5数量级。
1 测量结构与原理
测量原理是基于光线折射理论：当一束光以一定的入射角通过不同介质的分界面时，光线将发生偏折。其折射角度的改变量将与被测介质的折射率相关。如果被测介质是一定浓度的糖溶液，光线通过被测液体后，折射角度的改变几乎与糖浓度呈线性关系。如果用一个位置敏感器件(PSD)去探测光线的偏移量，就可以测量出被测液体糖浓度的大小。基本测量原理及光线传播情况如图l所示，在装有被测液体的水槽中，加入一个具有一定倾斜角度的楔形参考水槽，其中装有蒸馏水，目的是使得光线先后分别经过参考蒸馏水和被测液体，这样光线的偏移量将与两种液体的折射率差值呈一定的比例关系，这样的差动测量方法有利于减小温度对液体浓度测量的影响。光源发出的光经过参考蒸馏水和被测液体的界面后，光线发生折射，然后由一正三棱镜反射后，由光接收器接收，识别光线偏移量的大小。
图2给出了实验测量系统的结构框图。He-Ne激光器发出中心波长为632．8nm的红光，分别经过装有蒸馏水的参考水槽，装有待测液体的测量水槽，两水槽之间通过倾斜放置的光学透射窗隔开。这个光学透射窗同时对水平入射的光线在进入待测盐水区域时产生一个入射角。选用He-Ne激光器作为光源的原因是综合考虑了水的吸收及散射引起对光的衰减作用，同时，系统具有很好的可观性。在测量水槽装有一个直角反射棱镜，光线经过棱镜的反射后，通过带宽为1．4 nm的窄带滤光片透射在位置敏感器件(PSD)的光敏面上，当被测液体中糖浓度发生变化，透射到PSD光敏面上的光斑位置也会发生变化，PSD的输出就会线性地对应这一变化，从而实现糖浓度的测量。加入滤光片的目的是为了滤除大部分环境杂散光对测量的影响。水槽是用有机玻璃材料做成的。
PSD的光敏面的尺寸为2mm×20mm，分辨率为0．3 μm，经测量得到的暗电流为几十nA。由于PSD的输出只与光点打在PSD光敏面上的位置有关，而与光强无关，因此基本上避免了光源功率波动对测量的影响，同时由于PSD检测的是光斑的移动量，因此光斑的大小对实验的结果几乎没有影响。
由图1中的光路图可以分析得出，PSD所接收到的光线偏移量d与被测液体的折射率n存在下列关系：
其中：a为光线入射角，no为参考蒸馏水的折射率，ng为棱镜的折射率，s1、s2、s3依次分别为光线进入被测液体中光程、光线在正三棱镜中的光程和光线经棱镜反射后再次进入被测液体的光程，d0=d2-d3。
由于液体的折射率总是与液体成分中的浓度满足一定的线性关系：n=k·ω+1．333，其中k为与液体成分有关的常数，ω代表液体中成分的浓度。这样，通过读取PSD检测的光点偏移量，就可以得到被测液体的浓度。从式(1)可以看出，测量范围和测量灵敏度等与测量结构的几何参数以及PSD探测器的位置分辨能力有关。
2 试验结果及讨论
为了验证测量系统测量糖浓度的特性，分别进行了理论计算和实验测试。用纯净的蔗糖和蒸馏水通过天平分别配置不同浓度的糖溶液后利用图2所示的实验装置进行实验测试。图3为在窒温条件下得到的PSD测得的光线偏移量与糖浓度之间特性关系的理论计算曲线和实测曲线。其中，试验系统的结构参数为：光线入射角a=45°，蒸馏水的折射率no=1.333，正三棱镜的折射率，ng=1．49，s1=40mm，s2=40mm，s3=55mm。从图3中可以看到测量
