CN104807758B - 一种在线测量高温熔体和液体折射率的装置与方法 - Google Patents

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Abstract

一种在线测量高温熔体和液体折射率的装置，包括四个顶点依次为ABCD的菱形框架，菱形框架的顶点A通过滑动装置设置于带有长度刻度值的Y向立柱上，菱形框架的顶点C固定于与Y向立柱垂直的X向水平轴上，且顶点C位于顶点A的正下方，在顶点C下方设置有用于盛放待测量熔体的坩埚，坩埚的顶盖上沿中心开有一条缝隙，菱形框架的BC边上设置有激光光源，菱形框架的CD边上设置有检偏器和光电探测器，其中检偏器与顶点C之间的距离比光电探测器与顶点C之间的距离小，本发明还提供了利用所述装置在线测量高温熔体和液体折射率的方法，与现有技术相比，本发明采用非接触式测量，不会污染仪器，且测量范围宽，测量过程及数据处理简便快捷。

Description

一种在线测量高温熔体和液体折射率的装置与方法
技术领域
本发明属于物理测量技术、材料、化工等领域，特别涉及一种在线测量高温熔体和液体折射率的装置与方法。
背景技术
折射率是物质的重要物理参数，它反映了物质内部的许多信息，在生产和科研领域，往往需要测定折射率。
目前，可用于测量折射率的仪器有阿贝折射仪、V棱镜折射仪、分光计、各种干涉仪(如迈克尔逊干涉仪、法布里-珀罗干涉仪、马赫-曾德干涉仪以及牛顿环等)和椭圆偏振光折射仪(简称“椭偏仪”)等。但是这些仪器因为各种各样的原因,并不适合对高温熔体的折射率进行快速简便地在线测量。它们有的测量范围受限制，如阿贝折射仪和V棱镜折射仪对液体的测量范围为1.3～1.7；有的对被测样品加工要求高，如V棱镜折射仪和分光计所测固体材料要制成要求较高的棱镜,各种干涉仪对样品尺寸要求也较为苛刻；有的仪器装置复杂，调节和计算工作量大,如椭偏仪根据消光现象设计，可以测薄膜的厚度和复折射率，经过改造后也可以测熔体折射率，但数据处理过程需要通过计算机编程来实现，运算复杂。另外，以上方法都是通过光的透射进行测量，对于不透明物质的折射率测量问题束手无策。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种在线测量高温熔体和液体折射率的装置与方法，可精确简便地快速在线测量出熔体(可至1500℃高温)和液体的折射率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种在线测量高温熔体和液体折射率的装置，包括四个顶点依次为ABCD的菱形框架1，菱形框架1的顶点A通过滑动装置设置于带有长度刻度值的Y向立柱2上，菱形框架1的顶点C固定于与Y向立柱2垂直的X向水平轴上，且顶点C位于顶点A的正下方，在顶点C下方设置有用于盛放待测量熔体的坩埚3，坩埚3的顶盖上沿中心开有一条缝隙，菱形框架1的BC边上设置有激光光源4，菱形框架1的CD边上设置有检偏器5和光电探测器6，其中检偏器5与顶点C之间的距离比光电探测器6与顶点C之间的距离小。
所述菱形框架1的边长为210mm，菱形框架1的顶点A的有效行程为500mm，所述Y向立柱2上长度刻度值的精度为0.01mm，所述激光光源4发射波长范围为620nm～700nm的红光，所述坩埚3的深度为30mm，内径30mm。
本发明还提供了利用所述装置在线测量高温熔体和液体折射率的方法，包括如下步骤：
步骤1，用阿贝折射仪测出常温下水的折射率，并计算出自然光从空气入射到水的基准布儒斯特角；
步骤2，将同样的水放于坩埚3内，上下滑动所述滑动装置使得菱形ABCD的BC边与Y向立柱2的夹角为基准布儒斯特角，记录此时的顶点A的坐标，令入射光沿BC边从坩埚3上的缝隙射入空气与水的分界面；
步骤3，以反射光为轴，旋转检偏器5的偏振片，观察光电探测器6测得的反射光功率，当功率值最小时，固定检偏器5的偏振片，不再旋转，此时检偏器5的偏振化方向平行于入射面，只允许P偏振分量通过；
步骤4，倒出坩埚3内的水，放入待测高温熔体或液体，当放入高温熔体时，加热使其熔化；
步骤5，上下滑动所述滑动装置使得入射角i为45°，记录此时的顶点A的坐标，向下滑动所述滑动装置使得入射角i从45°开始逐渐增大，同时观察反射光功率值，当功率值≤0.2μW时，顶点A的位置每改变0.01mm记录一次功率值，直到功率值呈现先减小后增大的趋势；
步骤6，从所记录的反射光功率值中找出极小值以及对应的顶点A的坐标值，由几何关系计算出光从空气入射到待测高温熔体或液体的布儒斯特角ib，空气的折射率n1＝1，由公式得到待测高温熔体或液体的折射率n2＝tan ib。
与现有技术相比，本发明采用非接触式测量，不会污染仪器，且测量范围宽，测量过程及数据处理简便快捷。
附图说明
图1是本发明所基于的布儒斯特定律原理图，光线上的圆点代表光矢量垂直于入射面振动的成分，小垂直线代表光矢量平行于入射面振动的成分。
图2是本发明装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明所基于的原理为布儒斯特定律，布儒斯特定律如图1所示，图中符号·代表光矢量垂直于入射面振动(s偏振分量)的成分，符号︱代表光矢量平行于入射面振动(p偏振分量)的成分。光在两种介质(设折射率分别为n1,n2，如图1)的分界面处发生反射时，反射光R中一般包含s偏振分量和p偏振分量两种成分，这两种成分的比例随入射角的变化而变化。只有当入射角为布儒斯特角ib时，反射光是线偏振光，只包含s偏振分量，而p偏振分量强度为零，且反射光R与折射光T垂直，则有
若ib和n1已知，可由(1)式计算出n2.
n1和n2分别是分界面上下两种介质的折射率，熔体或液体上方为空气时，n1便是空气的折射率，其值为n1＝1，而n2是待测熔体或液体的折射率，实验测出布儒斯特角ib后，用布儒斯特定律可求出n2。
根据上述布儒斯特定律所给出的反射光的偏振特性，本发明设计了一种在线测量高温熔体和液体折射率的装置。如图2所示，装置包括四个顶点依次为ABCD的边长为210mm的菱形框架1，各个顶点处均以转动轴相接，从而使各边可转。菱形框架1的顶点A通过滑动装置设置于带有精度为0.01mm的长度刻度值的Y向立柱2上，顶点A可通过滑轨沿Y向立柱2上下移动，有效行程为500mm，位置坐标可直接读出。菱形框架1的顶点C固定于与Y向立柱2垂直的X向水平轴上，且顶点C位于顶点A的正下方，当顶点A上下移动时，菱形ABCD的BC边和CD边绕Z向水平轴做相应的转动。
在顶点C下方通过升降装置设置有用于盛放待测量熔体的坩埚3，其轴线平行于Y向立柱2，可以进行升降调节其高度，以保证熔体与空气的分界面始终与顶点C处于同一水平面。坩埚3的顶盖上沿中心开有一条缝隙，菱形框架1的BC边上设置有激光光源4(波长范围为620nm～700nm)，菱形框架1的CD边上设置有检偏器5和光电探测器6，其中检偏器5与顶点C之间的距离比光电探测器6与顶点C之间的距离小。通过调试，可使入射面过坩埚3的竖直轴线，且平行于菱形框架1的平面，目的是当顶点A沿Y向立柱2上下运动时，入射角i随边BC的转动而连续变化，反射角总能随着边CD的转动而同步变化，从而使光电探测器6可以实时监测到反射光强。其中，将顶点C定为Y向立柱2的坐标原点，当顶点A位置坐标确定时，由几何关系可方便地知道入射角i的取值。为使入射角i取到84.9°，坩埚3深度30mm，内径30mm。根据布儒斯特定律可知，折射率测量范围为1～11.2，顶点A坐标读数精度为0.01mm时，折射率n2的数值在常规仪器的普遍测量范围1～1.9内，在0.0001位的变化可以明显得到体现。
入射面通过坩埚3的顶盖上的缝隙，且垂直于熔体和空气的分界面，反射光路上的检偏器5和光电探测器6，分别用于检验反射光的偏振状态及强度，以便快速找到布儒斯特角，通过布儒斯特定律测得熔体的折射率。
具体地，利用本装置进行测量的方法是：
1、用阿贝折射仪测出常温下水的折射率为n＝1.3337，依此计算出自然光从空气入射到水的布儒斯特角ib＝53.14°。将同样的水放于坩埚3内，调整仪器使入射光以53.14°的入射角(由几何关系可知，此时对应的A点坐标值为251.942mm，)射入空气与水的分界面，以反射光为轴，旋转检偏器5的偏振片(检偏器5固定在菱形框架1的CD边上，其轴线与反射光重合，但是检偏器5的偏振片可以在垂直于反射光的平面内绕光轴旋转)，观察光电探测器6测得的反射光功率，当功率值最小时，固定检偏器5的偏振片，不再旋转，此时检偏器5的偏振化方向平行于入射面，只允许P偏振分量通过。
2、将样品放于坩埚3内，对坩埚3进行加热，样品熔化后即得待测熔体。熔体在坩埚3内可避免污染仪器。
3、通过步进电机控制顶点A沿Y向立柱2向下运动，使入射角从45°开始(此时A点坐标值为296.985mm)逐渐增大。A点位置改变的同时观察反射光功率值，当功率值接近0时(≤0.2μW)，A点位置每改变0.01mm记录一次功率值，直到功率值呈现先减小后增大的趋势。
4、从所记录的反射光功率值中找出极小值以及对应的A点坐标值，由几何关系可算出光从空气入射到待测熔体的布儒斯特角ib，由(1)式可得待测熔体折射率n2＝tanib。
该装置可使入射角在45°～84.9°之间变化，根据布儒斯特定律可知，折射率测量范围为1～11.2。与其它测量装置相比，该方案采用非接触式测量，不会污染仪器，且测量范围宽，测量过程及数据处理简便快捷。

Claims (1)

1.一种在线测量高温熔体和液体折射率的方法，利用如下装置：装置包括四个顶点依次为ABCD的菱形框架(1)，菱形框架(1)的顶点A通过滑动装置设置于带有长度刻度值的Y向立柱(2)上，菱形框架(1)的顶点C固定于与Y向立柱(2)垂直的X向水平轴上，且顶点C位于顶点A的正下方，在顶点C下方设置有用于盛放待测量熔体的坩埚(3)，坩埚(3)的顶盖上沿中心开有一条缝隙，菱形框架(1)的BC边上设置有激光光源(4)，菱形框架(1)的CD边上设置有检偏器(5)和光电探测器(6)，其中检偏器(5)与顶点C之间的距离比光电探测器(6)与顶点C之间的距离小；
所述菱形框架(1)的边长为210mm，菱形框架(1)的顶点A的有效行程为500mm，所述Y向立柱(2)上长度刻度值的精度为0.01mm，所述激光光源(4)发射波长范围为620nm～700nm的红光，所述坩埚(3)的深度为30mm，内径30mm；
其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，用阿贝折射仪测出常温下水的折射率，并计算出自然光从空气入射到水的基准布儒斯特角；
步骤2，将同样的水放于坩埚(3)内，上下滑动所述滑动装置使得菱形ABCD的BC边与Y向立柱(2)的夹角为基准布儒斯特角，记录此时的顶点A的坐标，令入射光沿BC边从坩埚(3)上的缝隙射入空气与水的分界面；
步骤3，以反射光为轴，旋转检偏器(5)的偏振片，观察光电探测器(6)测得的反射光功率，当功率值最小时，固定检偏器(5)的偏振片，不再旋转，此时检偏器(5)的偏振化方向平行于入射面，只允许P偏振分量通过；
步骤4，倒出坩埚(3)内的水，放入待测高温熔体或液体，当放入高温熔体时，加热使其熔化；
步骤5，上下滑动所述滑动装置使得入射角i为45°，记录此时的顶点A的坐标，向下滑动所述滑动装置使得入射角i从45°开始逐渐增大，同时观察反射光功率值，当功率值≤0.2μW时，顶点A的位置每改变0.01mm记录一次功率值，直到功率值呈现先减小后增大的趋势；
步骤6，从所记录的反射光功率值中找出极小值以及对应的顶点A的坐标值，由几何关系计算出光从空气入射到待测高温熔体或液体的布儒斯特角ib，空气的折射率n1＝1，由公式得到待测高温熔体或液体的折射率n2＝tanib。
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