CN100575928C - 低透明度液体折射率测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种低透明度液体的折射率的测量装置与方法。它包括激光器在内的与壳体中的扩束镜，凸透镜和柱面透镜产生的条形光束的共轴光学系统、处在柱面透镜焦平面上的毛细管及其后的半透明屏以及CCD照相机和导线相连的含有软件程序的计算机，其特征在于它还包括至少为三维精细调节架上装有的显微物镜与微孔，和置于毛细管前的光栏，该显微物镜的前焦点与微孔重合，微孔和凸透镜的后焦点重合，毛细管竖直安放在五维精细调节架上，且使条形光束照射在毛细管中间段上。在方法上能够使用已有折射率公式n＝(sin(b-c))/(sin(θ/2-c))。本发明不仅能测量透明液体折射率，也能够测量低透明液体的折射率，而且装置简单，成本低，易调节，精度高的特点。

Description

低透明度液体折射率测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种低透明度液体折射率的测量装置与方法。

背景技术

折射率是物质的一个很重要的物理参数，物质的一些性质必须通过它来区分，因此折射率的测量在工业应用和科学研究中极为重要。比如在腈纶厂和酒厂需要测量透明、半透明液体的折射率以及平均色散，在化肥厂要运用折射率来测定土壤中的石油类、动植物油及总含油量，还有在化妆品行业测定原料与产品的水分含量，以定性或定量地分析原料及半成品的含量等。

通常透明液体的折射率可用阿贝折射仪直接测量，对低透明液体则难以测量已有的测量原油折射率的专利(ZH200420052820.7)虽然能够测量低透明液体的折射率，但存在不足，如毛细管壁反射的光会被柱面透镜再次反射而叠加在样品的干涉图样上，从而导致干涉条纹对比度降低；另外由干涉条纹反演折射率的算法要求所有条纹都要清晰，但对于较低透明度的液体，只有干涉图样外侧的几条条纹是清晰的，中间的条纹往往是模糊的，这就给计算机图像处理造成相当大的困难，也使测量精度不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种低透明度液体的折射率的测量装置与方法，以弥补现有技术的不足。

本发明是在已有专利的基础上，对装置进行了改进，并采用了新的依据干射图样反演折射率的方法，该方法仅与干射图样最左与最右的两条也是最清晰的两条条纹有关，与中间的条纹是否清晰无关。

本发明包括激光器在内的与壳体中的扩束镜，凸透镜和柱面透镜产生的条形光束的共轴光学系统、处在柱面透镜焦平面上的毛细管及其后的半透明屏以及高精度CCD照相机和导线电连接的含有软件程序的计算机，其特征在于它还包括至少为三维调节架上装有的显微物镜、微孔，和置于毛细管前的光栏，该显微物镜的前焦点与微孔重合，微孔和凸透镜的后焦点重合，毛细管竖直安放在五维精细调节架上，毛细管一半注有液体,另一半为空气，且使条形光束照射在毛细管中间段上并分别形成清晰的干涉图样。

从已有的几何光学得到待测液体的折射率公式为：

$n=\frac{\sin (b-c)}{\sin (\frac{\mathrm{\θ}}{2}-c)}---\left(1\right)$

θ为干涉图样最左或最右条纹(也是最亮最清晰的两条条纹)对应光线相对于光轴的偏折角，通过测量此条条纹相对于光轴的距离EF/2及毛细管轴线到半透明屏的距离DC就可以确定这个角度。b为毛细管中空气产生的条纹(仅有一条)相对于毛细管中心所成的角度，是一个很小的常数。通过测量空气条纹的宽度AB及毛细管中心到半透明屏的距离就可以确定这个常数，b＝AB/2DC。c可以通过已知折射率的一组标准液体(折射率范围为1.33-1.80)确定，测出每一标准液体干涉图样对应的θ，建立标准液体的n与θ的标准曲线，同时通过最小二乘法可获得c的值.对于未知折射率的低透明液体，只要测出其干涉图样最左或最右干涉条纹所对应的θ′，将b、c及θ′代入(1)式即可计算出折射率，或直接从标准曲线上读出折射率。

本发明不仅能测量透明液体的折射率，也能够测量低透明液体的折射率，具有结构简单，成本低，易调节，精度高的特点。

附图说明

图1本发明的总体结构示意图。

图2确定常数b的示意图.其中AB为空气条纹的宽度，C为AB的中点，D为毛细管轴线与光轴的交点，CD为毛细管轴线到半透明屏的距离。

图3标准液体的折射率n与最左或最右干涉条纹偏折角θ的标准曲线。

其中*为已知折射率的标准液体，□为未知折射率的液体。

图4本发明的测量流程示意图。

图5用CCD照相机拍摄的柴油的干涉图样。

图6干涉图样最左与最右条纹的细化示意图。

其中，1激光器  2显微物镜  3微孔  4三维调节架  5凸透镜  6柱面透镜7毛细管  8光栏  9调节架  10液体  11半透明屏  12壳体  13CCD照相机14计算机。

具体实施方式

如图1，本发明包括激光器1在内的与壳体12中的扩束镜，凸透镜5和柱面透镜6产生的条形光束的共轴光学系统、处在柱面透镜6焦平面上的毛细管7及其后的半透明屏11以及高精度CCD照相机13和导线相连的含有软件程序的计算机14，其特征在于它还包括三维调节架4上装有的显微物镜2、微孔3，和置于毛细管7前的光栏8，该显微物镜2的前焦点与微孔3重合，微孔3和凸透镜5的后焦点重合，毛细管7竖直安放在五维精细调节架9上，毛细管7一半盛有液体10，另一半为空气，且使条形光束照射在毛细管7中间段上并分别形成清晰的干涉图样。

上述显微物镜2的放大倍数为20倍，用于扩展激光束，微孔3的孔径为10-15微米，放置在显微物镜的前焦点上，用于滤波，以便得到光强均匀分布的光斑，以在技术上保证干涉图样具有高的条纹可见度，显微物镜与微孔安放在一个三维精细调节架上，微孔相对于显微物镜的位置可在空间三个方向上可调.凸透镜的后焦点与微孔重合，扩束后的激光束经由凸透镜变为平行光，平行光经由柱面透镜聚焦变为条形光束.毛细管竖直地放置在五维毛细管支架上，并使毛细管的轴处于柱面透镜的焦平面上.通常选用毛细管内径2-3mm，外径3-4mm，长10cm。

对于低透明度液体，由于毛细管较细，如内径2mm，透过毛细管的相干的两光束的光强基本相等，因而即使光强较弱，条纹的对比度也会很好.考虑到毛细管管壁的反射光被柱面透镜再次反射而叠加到半透明屏上，降低条纹的对比度，因而在毛细管前方设置一光栏8，以遮挡这部分反射光，从而提高条纹的对比度。

低透明度液体的折射率的测量方法：①取已知折射率n的标准液体样品，注入毛细管7中，使毛细管7一半盛有液体10，另一半为空气，同时产生空气与标准样品的干涉图样于半透明屏11上；记录毛细管轴线到半透明屏11的距离DC，以便在计算中使用；②用CCD照相机拍摄干涉图样(如图5)，并存储在计算机中；如果半透明屏周边无坐标刻度，可在拍摄完干涉图样后，在半透明屏后紧附一张坐标纸，在不改变CCD照相机的位置及焦距的条件下，拍摄坐标纸并将图像存储在计算机中；③读取坐标图像的每厘米的象素值，读取空气干涉条纹的宽度AB，计算出常数b＝tg(AB/2DC)(如图2)，细化标准液体干涉图样最左侧与最右侧的两条干涉条纹(如图6)，并读取其间的距离EF，计算偏折角θ＝tg(EF/2DC)；以同样的方法用至少9个折射率范围在1.33-1.80的标准液体样品，建立标准液体折射率n与偏折角θ的标准曲线(如图3)，通过最小二乘法得到常数c；④再将未知折射率的低透明液体注入相同材质与规格的毛细管中，用CCD照相机拍摄半透明屏上的干涉图样，以上述同样的步骤得出未知折射率的液体的偏折角θ′，将b、c及θ′代入(1)式算出折射率，或与标准曲线对比即可读取未知液体的折射率。

所述已知折射率n的标准液体可选用蒸馏水丙酮，无水乙醇，冰乙酸，乳酸，乙二醇，三氯甲烷，四氯化碳，液体石蜡，丙三醇，二硫化碳及二硫化碳与无水乙醇的混合物，其折射率范围在1.33-1.62之间，折射率n与偏折角θ的标准曲线如图3所示.其中未知折射率样品为车辆齿轮油和石脑油，实测偏折角θ′分别为0.2351，0.2031，由标准曲线可得折射率分别是1.4851和1.3904。

Claims (5)

1.一种低透明度液体的折射率的测量装置，该测量装置包括激光器(1)；在壳体(12)中的显微物镜(2)、微孔(3)、三维调节架(4)、凸透镜(5)、柱面透镜(6)、毛细管(7)、光栏(8)、五维调节架(9)和半透明屏(11)；含有软件程序的计算机(14)，以及与之通过导线相连的高精度CCD照相机(13)；其特征在于：显微物镜(2)和微孔(3)安装在三维调节架(4)上，显微物镜(2)的像方焦点与微孔(3)重合，微孔(3)和凸透镜(5)的物方焦点重合，从激光器(1)产生的光束经显微物镜(2)扩束、微孔(3)滤波后得到光强均匀分布的光斑，光斑通过凸透镜(5)后变为平行光，平行光经柱面透镜(6)聚焦后变为条形光束，且使条形光束照射在毛细管(7)中间段上并分别在半透明屏(11)上形成清晰的干涉图样，竖直安放在五维调节架(9)上的毛细管(7)的一半注有液体(10)。

2.如权利要求1所述的低透明度液体的折射率的测量装置，其特征在于上述毛细管(7)内径为2-3mm，外径为3-4mm，长8-10cm。

3.如权利要求1所述的低透明度液体的折射率的测量装置，其特征在于半透明屏(11)的周边上有最小刻度为1mm的坐标刻度尺。

4.如权利要求1所述的低透明度液体的折射率的测量装置，其特征在于上述激光器(1)是连续功率输出的绿光或红光激光器，激光器(1)的输出功率大于40mW。

5.利用权利要求1的测量装置进行低透明度液体的折射率的测量方法：①取已知折射率n的标准液体样品，注入毛细管(7)中，使毛细管(7)一半盛有液体(10)，另一半为空气，同时产生空气与标准样品的干涉图样于半透明屏(11)上；记录毛细管轴线到半透明屏(11)的距离DC，以便在计算中使用；②用CCD照相机拍摄干涉图样和半透明屏周边上的坐标刻度尺，并存储在计算机中；③读取坐标图像的每厘米的象素值，读取空气干涉条纹的宽度AB，计算出常数 $b=\mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{AB}}{2\mathrm{DC}}\right),$ 细化标准液体干涉图样最左侧与最右侧的两条干涉条纹，并读取其间的距离EF，计算偏折角 $\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{EF}}{2\mathrm{DC}}\right);$ 以同样的方法用至少9个折射率范围在1.33-1.80的标准液体样品，建立标准液体折射率n与偏折角θ的标准曲线，即n-θ曲线，依据公式 $n=\frac{\sin (b-c)}{\sin (\frac{\mathrm{\θ}}{2}-c)}$ 进行最小二乘法得到常数c；④再将未知折射率的低透明液体注入相同材质与规格的毛细管中，用CCD照相机拍摄半透明屏上的干涉图样，以上述同样的步骤得出未知折射率的液体的偏折角θ′，将b、c及θ′代入公式 $n=\frac{\sin (b-c)}{\sin (\frac{\mathrm{\θ}}{2}-c)}$ 算出折射率，或与n-θ曲线对比即可读取未知液体的折射率。

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