CN103335980A - 液体折射率测量装置 - Google Patents

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王怀军
俞友宾
王卓扬
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Abstract

本发明公开了一种液体折射率测量装置，包括光源，样品池，固定设置在所述样品池内的光栅，图像采集和处理系统。其中，所述的光栅为透射式位相光栅，没有刻痕的一面与样品池的某一内壁紧贴在一起；所述的光源产生某一波长的可见平行光；把待测液体注入样品池中，平行光垂直入射到光栅上，图像采集装置会记录透镜后的衍射图样，图像处理系统分析各级衍射图像的灰度级，把此灰度级与由标量衍射理论确定的理论值进行比较即可得出待测液体的折射率。此装置采用光机电一体化结构，排除主观因素对测量结果的影响，精确度高，响应快，操作方便，不受液体折射率大小的限制，有利于该装置的推广和使用。

Description

液体折射率测量装置
技术领域
本发明是关于折射率测量技术，特别是关于一种折射率测量装置。
背景技术
介质的折射率等于光在真空中的速度跟光在介质中的相速度之比。折射率是物质的重要物理常数之一，它能精确而方便地测定出来，作为衡量物质纯度的标准。同样众多场合下也需要对一些混合液体的折射率进行测量，如化石燃料井中的液体等。
中国专利CN102645418A公开了一种基于二维光子晶体负折射效应的流体折射率探测器，该流体折射率探测器使探测光经过其所承载的待测流体而只发生一次负折射效应，在其外表面上产生负折射光的光子晶体，根据负折射功率计算出待测流体的折射率，但是该装置对待测流体的折射率的范围为1.33～1.50，严重限制了其使用范围。
发明内容
本发明提供一种液体折射率精确测量装置，以精确的测量折射率。
为了实现上述目的，本发明提供一种液体折射率测量装置，包括：光源，样品池，固定设置在所述样品池内的光栅，透镜，图像采集系统和图像处理系统、外框和窗口；其中，
所述的外框把包括光源、样品池、透镜和图像采集系统与外界光线隔开；所述的窗口设置在所述外框上部靠近所述样品池的位置；
所述光源输出的光入射到所述光栅上发生衍射，生成不同级次的衍射光，所述的衍射光经过所述透镜折射后依次经过所述图像采集系统及图像处理系统，所述的图像采集系统记录所述衍射光的图像，所述的图像处理系统用于分析计算各个衍射级次光亮度的灰度级。
在一实施例中，所述光源输出的光为某一波长的可见平行光。
在一实施例中，所述的光栅为透射式位相光栅。
在一实施例中，所述的样品池与透射式位相光栅为同种材料制成，光栅尺寸与样品池内壁尺寸相匹配，所述透射式位相光栅没有刻痕的一面与样品池的某一内壁紧贴在一起，所述的样品池中注入待测液体。
在一实施例中，所述透镜的口径与透射式位相光栅尺寸相匹配，所述透镜的焦距与图像采集系统的感光器件相匹配。
在一实施例中，所述的图像采集系统和图像处理系统是一种嵌入式结构，由电荷耦合元件采集和记录光栅的衍射图样并计算分析各级衍射几次的灰度级，将计算结果与存储在系统中由标量衍射理论得出的理论值相比较和匹配，给出待测液体的折射率；标量理论依据为：
Figure BSA00000900020700021
其中k表示衍射级次，ng代表光栅和样品池相对入射波长的折射率，nl为待测液体的折射率，h为光栅高度，λ为入射波长。
本发明实施例的有益技术效果在于：此装置采用光机电一体化结构，排除主观因素对测量结果的影响，精确度高，响应快，操作方便，不受液体折射率大小的限制，有利于该装置的推广和使用。
附图说明
图是本发明的液体折射率测量装置结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图所示，本发明的液体折射率测量装置包括光源1，透射式位相光栅2，样品池3，透镜4，图像采集系统5，图像处理系统6，外框7，窗口8。其中，所述的透射式位相光栅2和样品池3由石英等抗腐蚀性材料制成；外框7由金属材料或其他不透明材料制成，把包括光源1、样品池3、透镜4和图像采集系统5与外界光线隔开，免受外界光线的干扰，可以增加测量可靠性和精确度；透射式位相光栅2，透镜4，图像采集系统5的电荷耦合器件在垂直于光源1的光轴方向放置。
较佳地，光源1输出的光为某一波长的可见平行光；光栅2可以为透射式位相光栅；样品池3与光栅2为同种材料制成，光栅2的尺寸与样品池3的内壁尺寸的相匹配，光栅2没有刻痕的一面与注入待测液体的样品池3的某一内壁紧贴在一起。
具体安装时，外框7把包括光源、样品池、透镜和图像采集系统与外界光线隔开，窗口8需要设置在外框上部靠近样品池的位置，方便样品池中待测液体的更换。光栅周期和光栅高度由标量理论推导确定，且与光源1的波长相匹配，光栅2刻在石英或其他材料的基片上，基片要求对平行光具有较高透过率且具有较强的抗腐蚀性。透镜4的口径与光栅2的尺寸相匹配，并且透镜的焦距与图像采集系统5的感光器件相匹配。
具体实施时，将待测液体装入样品池中，关闭窗口，打开光源1、图像采集系统5和图像处理系统6的电源开关，平行光入射到透射式位相光栅2上发生衍射，不同级次的衍射光经透镜折射后进入图像采集系统5的电荷耦合器件，并被记录下来，图像处理系统6会分析计算各个衍射级次光亮度的灰度级，将此结果与存储在图像处理系统6中的由标量衍射理论计算的理论结果进行比较，从而确定待测液体的折射率。
作为上述装置由图像采集系统5和图像处理系统6的嵌入式结构的具体实施方式，可以通过单片机、数字信号处理(DSP)芯片等实现，通过对衍射图像计算得出待测液体折射率的目的。
所述的图像采集系统和图像处理系统是一种嵌入式结构，由电荷耦合元件采集和记录光栅的衍射图样并计算分析各级衍射几次的灰度级，将计算结果与存储在系统中由标量衍射理论得出的理论值相比较和匹配，给出待测液体的折射率；标量理论依据为：
Figure BSA00000900020700041
其中k表示衍射级次，ng代表光栅和样品池相对入射波长的折射率，nl为待测液体的折射率，h为光栅高度，λ为入射波长。
由以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种液体折射率测量装置，其特征在于，包括：光源，样品池，固定设置在所述样品池内的光栅，透镜，图像采集系统和图像处理系统、外框和窗口；其中，
所述的外框把包括光源、样品池、透镜和图像采集系统与外界光线隔开；所述的窗口设置在所述外框上部靠近所述样品池的位置；
所述光源输出的光入射到所述光栅上发生衍射，生成不同级次的衍射光，所述的衍射光经过所述透镜折射后依次经过所述图像采集系统及图像处理系统，所述的图像采集系统记录所述衍射光的图像，所述的图像处理系统用于分析计算各个衍射级次光亮度的灰度级。
2.如权利要求1所述的液体折射率测量装置，其特征在于，所述光源输出的光为某一波长的可见平行光。
3.如权利要求1所述的液体折射率测量装置，其特征在于，所述的光栅为透射式位相光栅。
4.如权利要求3所述的液体折射率测量装置，其特征在于，所述的样品池与透射式位相光栅为同种材料制成，光栅尺寸与样品池内壁尺寸相匹配，所述透射式位相光栅没有刻痕的一面与样品池的某一内壁紧贴在一起，所述的样品池中注入待测液体。
5.如权利要求4所述的液体折射率测量装置，其特征在于：所述透镜的口径与透射式位相光栅尺寸相匹配，所述透镜的焦距与图像采集系统的感光器件相匹配。
6.如权利要求1至5中任一项所述的液体折射率测量装置，其特征在于：所述的图像采集系统和图像处理系统是一种嵌入式结构，由电荷耦合元件采集和记录光栅的衍射图样并计算分析各级衍射几次的灰度级，将计算结果与存储在系统中由标量衍射理论得出的理论值相比较和匹配，给出待测液体的折射率；标量理论依据为：
其中k表示衍射级次，ng代表光栅和样品池相对入射波长的折射率，nl为待测液体的折射率，h为光栅高度，λ为入射波长。
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