CN100494984C - 精确测量微量液体折射率的一种方法 - Google Patents

Abstract

精确测量微量液体折射率的一种方法，属于用可见光作光源测量透明、半透明液体或固体折射率的方法。本发明旨在测量透明和半透明液体以及固体介质的折射率。它根据共轴球面光学系统成像原理，对吸入待测液体后的毛细管焦点位置进行测量，计算得到待测液体的折射率。根据待测介质的折射率测量范围，选取适当的毛细管参数可获得需要的测量精度。实施例中，测量折射率在1.33＜n＜1.48范围内的多种液体介质，实测结果的标准偏差在0.0002和0.001之间，样品需要量仅0.004ml、样品封闭在毛细管内、利于测量微量、有毒、刺激性、易挥发、易吸水液体的折射率，也可用于溶液的浓度测定。本发明设备简单，测量方便可靠，可广泛应用于化工、医药、食品、石油行业的科研和生产部门。

Description

精确测量微量液体折射率的一种方法

所属技术领域

本发明属于用可见光作光源测量透明、半透明液体或固体折射率的方法。

背景技术

在化工、医药、食品、石油等工业部门及高校实验中，经常要测定一些液体和固体的折射率。现行常用测量物体折射率的方法有以下几类：

几何光学方法。根据折射率定律、全反射定律，通过准确测量有关角度及距离来求解折射率。如最小偏向角法、全反射法、掠入射法、位移法等。其中代表为应用广泛、技术较为成熟的阿贝折射仪。阿贝折射仪能快速准确的测量物质折射率，但由于其基本原理所局限，折射率的测量范围为

至n_s(n_s是直角棱镜的折射率)。因为用阿贝折射仪测量是一种半开放式测量，所以在测量有毒、有刺激性气味的物质时不便操作，污染较大，在测量易挥发性或易吸水性液体折射率时，存在操作不方便和观察到的现象不稳定的问题；测量固体介质折射率时须将待测固体制成有两个互成90角的抛光面的制件，这增加了工艺难度。

波动光学方法。根据光通过介质后其位相的变化或偏振状态的变化与介质折射率有关的原理来测定介质折射率。如布儒斯特角法、干涉法、衍射法等。使用这类方法能提高测量精度，却存在所需仪器不常用且精度要求较高，测量过程中不方便操作、计算过程复杂的问题，不利于推广普及使用。如用干涉法测液体折射率不但要测距离还要进行条纹记数，所使用的高精度的长度测量仪和高精度的可逆电子条纹计数器对最终的测量结果起到至关重要的作用，同时也增加了测量成本。

几何光学与光电探测技术结合的方法。该类方法基本原理与几何光学法相同，在数据采集上避开传统的直接测角或测距，使用了光电探测仪器进行数据采集从而提高测量精度，但存在受限于光探头复杂结构及抗干扰能力差，且所涉及测量系统复杂，测量过程过分依赖于计算机的问题。

现行所用的测量透明、半透明液体和固体折射率的方法很多，普遍存在简单的测量仪器和较高的测量精度不可兼得的问题。从实用性角度来说以几何光学法为优，用现行几何光学方法不利于测量某些特殊液体的折射率，如微量、有毒、有刺激性气味、易挥发性、易吸水性液体，在测量固体介质时，制件不便宜制作，折射率的测量范围受限等问题。

发明内容

为了克服现行液体折射率测量方法中待测样品需要量大，不利于测量有毒、有刺激性气味、易挥发性、易吸水性液体的折射率，特别是简单的测量仪器和较高的测量精度不能兼顾的问题，本发明旨在提供一种仅使用玻璃毛细管和常规的读数显微镜来精确测量微量透明、半透明液体或圆柱光纤型固体折射率的方法。

本发明通过以下方式实现：将放大倍数为10×10、焦深为0.006mm的显微镜的镜筒3固定在位移最小分度值为0.01mm的一维微动位移平台6上，让镜筒3的光轴和位移平台6一维微动方向平行，二者组成在本发明中的读数显微镜。

测量透明或半透明液体介质折射率时，利用毛细现象将待测液体2吸入内、外半径及管壁折射率分别为r、R和n₀的毛细管1中。毛细管1竖直放置，用一束平行白光或准直后的单色光从一侧正入射毛细管1。毛细管1的四个界面共同构成一个由四个共轴柱面组成的光学系统，由光学成像原理可知，用显微镜在毛细管1另一侧可观察到平行光线通过毛细管1后所成的像，为一条平行于毛细管1的亮线，成像的位置由毛细管1的参数和待测介质2的折射率共同决定。通过读数显微镜可分别测量出明亮亮线的位置和毛细管1外轮廓(轴线位)清晰像的位置，移动位移平台6测量出这两个清晰像间的距离，带入由光线追迹法或高斯成像公式推导得出的折射率计算公式可算出待测液体的折射率n。在毛细管1位置固定后，测量时只需读出明亮亮线的位置，将待测量减少到一个，提高了所测液体折射率的测量精度。我们推导出的用玻璃毛细管测量液体折射率的计算公式为：

$n=\frac{{2n}_0\mathrm{Rd}}{2d(R-r)+{2n}_0\mathrm{dr}-n_0\mathrm{Rr}},---\left(1\right)$

对应的标准偏差为：

${\mathrm{\σ}}_n=\frac{{{2n}_0}^2{R}^{2}r}{{[2d(R-r)+{2n}_0\mathrm{dr}-n_0\mathrm{Rr}]}^2}\left|{\mathrm{\σ}}_d\right|.---\left(2\right)$

(2)式中，σ_d是测量d值的标准偏差。

测量圆柱光纤型固体介质折射率时，将待测固体介质熔融后拉制成圆柱型光纤制件，直接用平行白光束或准直后的单色光正入射到光纤1上，与测液体折射率一样，用读数显微镜在光纤1另一侧可观察到光纤1外轮廓和亮线清晰的像，测出这两个清晰像间的距离d，带入折射率计算公式可算出待测固体的折射率n₀。折射率计算公式可由液体折射率计算公式(1)导出：

$d=\frac{{\mathrm{nn}}_0\mathrm{Rr}}{2(n-n_0)R+2\mathrm{nr}(n_0-1)},---\left(3\right)$

再令r→0，n→n0，则有：

$d=\underset{r\→0}{\lim }\underset{n\→n_0}{\lim }\frac{{\mathrm{nn}}_0\mathrm{Rr}}{2(n-n_0)R+2\mathrm{nr}(n_0-1)}=\frac{n_{0}R}{2(n_0-1)},---\left(4\right)$

由(4)式导出： $n_0=\frac{2d}{2d-R}.---\left(5\right)$

(5)式中n₀即为待测“圆柱型光纤”固体介质的折射率。对应的标准测量偏差为：

${\mathrm{\σ}}_{n_0}=\frac{2R}{{(2d-R)}^2}\left|{\mathrm{\σ}}_d\right|.---\left(6\right)$

拉制直径适当的光纤、配置数值孔径较大的显微镜物镜和选用更高精度的测距工具可获得理想的标准偏差和测量范围。

本发明方法根据共轴球面光学系统成像原理，使用读数显微镜测量吸入待测液体后的光学系统的焦点位置，从而精确地获得待测液体的折射率。与现有技术比较，具有如下积极效果：

1.本发明使用内外径和折射率已知的玻璃毛细管、最小分度值为0.01mm的一维微动位移平台、放大倍数为10×10的显微镜镜筒这些简单的仪器，装置固定后只需测量平行光的聚焦亮线一个位置参数，即可得到透明、半透明液体和固体介质的折射率。要求的测量仪器简单，测量精度高，兼顾了简单的测量仪器和较高的测量精度。

2.测量液体折射率时，采用实施例中的毛细管参数，只需要样品约0.004ml，待测液体的样品需要量极少。

3.本发明采用封闭式测量，便于测量有毒、有刺激性气味、易挥发性、易吸水性液体的折射率。测量一般液体折射率可避免阿贝折射仪对液膜均匀、视场无气泡等要求。该发明还方便于测量“圆柱型光纤”固体介质折射率，即将待测固体介质熔融后拉制成“圆柱型光纤”制件，使待测固体制件得到简化。

4.本发明所涉及到的设备及工艺过程简单，成本低廉，容易实现。不仅可用于折射率测量，还可用于溶液的浓度测定和介质色散研究，在化工、医药、食品、石油等工业部门和高校实验中可得到广泛应用。

附图说明

图1是本发明的一种装置的示意图。其中，玻璃毛细管1、待测液体或固体介质2、镜筒3、通光狭缝4、光源5、位移平台6。

图2是本发明实施中在旋动位移平台旋钮时，毛细管外轮廓像由模糊逐渐清晰，最亮的衍射条纹逐渐靠近毛细管外轮廓边缘的成像示意图，对应位移平台读数为d₂。

图3是本发明实施中平行光经毛细管会聚成亮线时的清晰成像位置示意图，对应位移平台读数为d₁。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的说明，但本发明方法和装置不受实施例的限制。

(一)用本发明测量纯水、乙醇、乙二醇和丙三醇液体的折射率

如图1所示，将放大倍数为10×10的显微镜镜筒3固定在位移最小分度值为0.01mm的一维微动位移平台6上，让镜筒3光轴和位移平台一维微动方向平行，组成读数显微镜。采用波长为594.1nm的氦氖激光做光源5，对应所用玻璃毛细管1参数为n₀＝1.5153，R＝0.768mm，r＝0.345mm，待测液体分别是纯水、乙醇、乙二醇和丙三醇溶液。氦氖激光从左向右水平入射读数显微镜镜筒3，保持镜筒3光轴与氦氖激光的光束平行。在靠近物镜处竖直放入装有待测液体的毛细管1。毛细管1外壁无待测液体残留，装有待测液体部分正对物镜，固定不动。旋动位移平台6旋钮，使物镜逐渐远离毛细管1，通过目镜能观察到毛细管1的外轮廓边缘像由模糊逐渐清晰，如图2所示最亮的衍射条纹逐渐靠近毛细管1外轮廓边缘，当衍射条纹与毛细管1外轮廓边缘重合，此时毛细管1外轮廓清晰成像，对应位移平台6读数为d₂；继续旋动位移平台6旋钮，毛细管1外轮廓又逐渐模糊，一条平行于毛细管1的亮线在视场中渐渐形成，为减少非近轴光线对亮线成像位置带来的影响，此时可在光路中加入方向与毛细管1平行、宽度约小于毛细管内径的通光狭缝4，从而达到限制非近轴光线的目的。继续旋动位移平台6旋钮，得如图3所示亮线最亮最窄时的清晰成像位置，对应位移平台6读数为d₁。两清晰像间距离d＝d₂-d₁。因为在整个装置固定后毛细管1位置不变，可通过多次测量得到的平均值代替d₂，再测量时只用测量d₁就能得到两清晰像间距离d。对纯水、乙醇、乙二醇和丙三醇样品，分别测得d＝2.756±0.005mm，d＝2.198±0.005mm，d＝1.513±0.005mm，d＝1.293±0.005mm。将如上数据分别代入折射率计算公式(1)式和折射率的标准偏差公式(2)式，计算得到纯水、乙醇、乙二醇和丙三醇测量样品的折射率分别为：n(纯水)＝1.3334±0.0002；n(乙醇)＝1.3615±0.0003；n(乙二醇)＝1.4308±0.0008，n(丙三醇)＝1.472±0.001。完成上述实施例时室温为20C，约需各种样品量0.004ml。

用2WA-J型阿贝折射仪以白光作为光源测得如上样品的折射率分别为n(纯水)＝1.3333；n(乙醇)＝1.3607；n(乙二醇)＝1.4315；n(丙三醇)＝1.4726。阿贝折射仪标定的标准偏差均为±0.0002。完成上述测量时室温为20℃，约需各种样品量0.2ml。

(二)本发明毛细管参数(R，r，n₀)的选取和测量精度之间的关系

根据待测介质的折射率测量范围，以(1)和(2)式为依据选取适当的毛细管参数(R，r,n₀)；采用精度更高的测距工具以减小d值测量的偏差；配置数值孔径较大的显微镜物镜以减小显微镜焦深，可以获得理想的测量精度。毛细管参数(R，r,n₀)的选取和测量精度之间的关系如下：

如果采用参数n₀＝1.7550，R＝0.768mm，r＝0.250mm的毛细管，和实施例中相同的读数显微镜结合，测量折射率在1.45000^-1.6000间的液体介质可得如下预期的测量精度(d值的标准偏差按σ_d＝0.005mm估算)：n＝1.4720±0.0001(d＝4.099mm)，n＝1.5000±0.0002(d＝2.895mm)，n＝1.5300±0.0003(d＝2.222mm)，n＝1.5600±0.0005(d＝1.816mm)，n＝1.6000±0.0009(d＝1.474mm)。样品的需要量约为0.002ml。如上参数设置适用于折射率适中的液体介质测量。

如果采用参数n₀＝2.0000，R＝0.768mm，r＝0.250mm的毛细管，和实施例中相同的读数显微镜结合，测量折射率在1.6000^-1.7500间的液体介质可得如下预期的测量精度(d值的标准偏差按σ_d＝0.005mm估算)：n＝1.6000±0.0001(d＝3.310mm)，n＝1.6300±0.0002(d＝2.537mm)，n＝1.6600±0.0004(d＝2.071mm)，n＝1.7000±0.0006(d＝1.677mm)，n＝1.750±0.001(d＝1.369mm)。样品的需要量约为0.002ml。如上参数设置适用于高折射率的液体介质测量。

Claims (3)

1.精确测量微量液体折射率的一种方法，其特征是：

通过测量吸入待测液体介质后的玻璃毛细管的轴线到其焦点的距离d，用公式

$n=\frac{{2n}_0\mathrm{Rd}}{2d(R-r)+{2n}_0\mathrm{dr}-n_0\mathrm{Rr}}.........1$

计算待测液体介质的折射率，式中，n是待测液体介质的折射率，r、R和n₀分别是毛细管的内、外半径及管壁折射率。

2.根据权利要求1所述的精确测量微量液体折射率的一种方法，其特征是步骤依次为：

a.将放大倍数为10×10、焦深为0.006mm的显微镜的镜筒(3)固定在位移最小分度值为0.01mm的一维微动位移平台(6)上，让镜筒(3)的光轴和位移平台(6)一维微动方向平行，组成读数显微镜；

b.将待测液体(2)吸入毛细管(1)内，毛细管(1)置于入射光与镜筒(3)之间的光路中，毛细管(1)轴线与光路垂直，镜筒(3)与平行白光束或准直后的单色光(5)平行对准，用平行白光束或准直后的单色光(5)正入射到毛细管(1)上；

c.移动位移平台(6)，通过读数显微镜分别测量毛细管外轮廓清晰像对应的位移平台(6)读数位置d₂和平行光经毛细管(1)清晰成像后对应的位移平台(6)读数位置d₁，该两清晰像间的距离d＝d₂-d₁，带入折射率计算公式1算出待测液体的折射率n。

3.根据权利要求1所述的精确测量微量液体折射率的一种方法，其特征是在光路中加入方向与待测液体介质轴线平行、宽度约小于介质直径的通光狭缝(4)，减小非近轴光线对成像位置带来的不利影响。

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