CN105651732B - 外加电场和温度场协同作用下测量液体折射率的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种外加电场和温度场协同作用下测量液体折射率的方法，包括：包括：分别将样品槽底面的第一电极片和样品槽顶面的第二电极片与电源的正负极连接，调节电源的电压，使第一电极片和第二电极片之间的电场达到待测电场强度；通过贴附在样品槽三个侧面的加热板加热样品槽内的液体，使液体的温度达到待测温度；在待测电场强度和待测温度条件下，利用最小偏向角法测量液体的折射率。本发明通过在样品槽的底面和顶面设置电极片能够为待测液体施加均匀的电场，通过在样品槽的三个侧面贴附加热板能够为液体提供均匀的温度场，从而准确测量外加电场和温度场协同作用下液体折射率发生的变化。

Description

外加电场和温度场协同作用下测量液体折射率的方法

技术领域

本发明涉及物性参数测量领域，尤其涉及一种外加电场和温度场协同作用下测量液体折射率的方法。

背景技术

以下对本发明的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本发明的现有技术。

软性液体电光材料的电光调控在光通信领域的电光调制器、电光开关、光波导、以及液体显示器、光通信领域的电光调制器、电光开关、光波导等、液晶显示器、微结构内填充电光软材料的光子晶体光纤、电控液体微透镜阵列、电控空间光调制器、大功率固体激光泵浦及电光调Q、基于电致变色原理的智能玻璃、基于手性向列型液晶与手性离子液复合而成的电纸(E-paper)等等领域均有广泛的应用。而在上述应用中，软性液体电光材料折射率随外电场的变化规律是一个必须了解的因素。

由于软性液体电光材料同普通液体材料一样具有流动性和可塑性这些液体的共性特点，目前实验室用于测量液体折射率的方法如CCD测量液体折射率、玻璃毛细管焦点测量法、共焦球面F-P干涉仪测量法、迈克尔逊干涉仪测量法、最小偏向角测量法等方法也基本可以用来对其折射率进行测量。

但采用以上方法测量液体折射率的所有报道中，尚未见到针对软性电光材料折射率在电场/温度场协同作用下的研究报道。针对这一问题的测量已有的测试方案中均存在一定缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提出一种外加电场和温度场协同作用下测量液体折射率的装置，能够准确获得不同外加电场下电流变液或离子液体的折射率。

根据本发明的外加电场和温度场协同作用下测量液体折射率的方法，包括：

S1、分别将样品槽底面的第一电极片和样品槽顶面的第二电极片与电源的正负极连接，调节电源的电压，使第一电极片和第二电极片之间的电场达到待测电场强度；

S2、通过贴附在样品槽三个侧面的加热板加热样品槽内的液体，使所述液体的温度达到待测温度；

S3、在所述待测电场强度和待测温度条件下，利用最小偏向角法测量液体的折射率；

其中，样品槽为由三片玻璃组成的横截面为等腰三角形的空心三棱镜，第一电极片、第二电极片以及样品槽之间形成密封结构；样品槽两个侧腰面为透光玻璃，样品槽的第三侧面为毛玻璃，两片透光玻璃的光程均为1/60，λ为入射光线的波长；样品槽的高度h与等腰三角形的最大边长l之间满足如下关系：h＝(0.5～1.35)×l；

液体通过设置在第三侧面上的注入孔注入样品槽内。

优选地，电极片的形状与样品槽的底面和顶面的形状相同，电极片上焊接由导线，通过该导线与电源连接；

或者，电极片的形状为箭头状，电极片的三角形箭头与样品槽的底面和顶面的形状相同，电极片的箭头尾部上设置有小孔；导线的一端缠绕在所述小孔上，导线的另一端与电源连接。

优选地，电极片为铂片；或者，电极片以钛作为基底，所述基底上镀铂。

优选地，电极片的厚度H满足：

式中，l₁为等腰三角形两个侧腰的长度，单位为：mm；l₂为等腰三角形的底边长度，单位为：mm；ρ为样品槽内液体的密度，单位为：g/cm³。

优选地，加热板上设置有水软管，用于加热的供热液体在水泵的驱动下从所述水软管的一端流入、从所述水软管的另一端流出。

优选地，为了保证均匀加热，步骤S2包括：

获取样品槽内的液体温度，根据样品槽内的液体种类、液体体积、液体温度和待测温度，确定将液体加热至待测温度所需的加热热量；

根据加热板上的水软管数量、所述加热热量、以及加热板的传热效率，确定供热液体的第一温度以及水软管中供热液体的第一流量；

基于供热液体的第一温度以及水软管中供热液体的第一流量，对样品槽内的液体进行加热。

优选地，供热液体的流量q满足如下关系：

式中，q第一流量，单位为：cm³/s；Q为将液体加热至待测温度所需的加热热量，单位为：J；n为加热板上的水软管数量，单位为：根；η为加热板的传热效率，单位为：％；c₀为供热液体的比热容，单位为：J/(kg·℃)；ρ₀为供热液体的密度，单位为：g/cm³；Δt为供热液体的温度与样品槽内液体温度之间的差值，单位为：℃。

优选地，步骤S2进一步包括：

分别获取水软管进水端和出水端的供热液体温度，确定水软管进水端和出水端的供热液体的温度差；

当所述温度差大于预设的温差阈值时，基于所述温度差查询预设的映射关系表，确定供热液体的第二温度以及第二流量；

基于供热液体的第二温度以及第二流量，对样品槽内的液体进行加热。

优选地供热液体的第二温度与第二流量之间满足：

(5～15)q′×|t₁-t₂|＝A×L×Δt′

式中，t₁为供热液体的第二温度，单位为：℃；t₂为样品槽内的液体温度，单位为：℃；q′为供热液体的第二流量，单位为：cm³/s；A为水软管的内截面面积，单位为：cm²；L为水软管的长度，单位为：cm；Δt′为水软管进水端和出水端的供热液体的温度差，单位为：℃。

优选地，加热板的背对于玻璃片的一面设置有绝热材料；加热板的粘附于玻璃片的一侧为导热材料。

根据本发明的外加电场和温度场协同作用下测量液体折射率的方法，包括：包括：分别将样品槽底面的第一电极片和样品槽顶面的第二电极片与电源的正负极连接，调节电源的电压，使第一电极片和第二电极片之间的电场达到待测电场强度；通过贴附在样品槽三个侧面的加热板加热样品槽内的液体，使液体的温度达到待测温度；在待测电场强度和待测温度条件下，利用最小偏向角法测量液体的折射率。本发明通过在样品槽的底面和顶面设置电极片能够为待测液体施加均匀的电场，通过在样品槽的三个侧面贴附加热板能够为液体提供均匀的温度场，从而准确测量外加电场和温度场协同作用下液体折射率发生的变化。

附图说明

通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：

图1是根据本发明优选实施例的外加电场和温度场协同作用下测量液体折射率的装置的示意图；

图2是根据本发明优选实施例的电极片主视图；

图3是根据本发明优选实施例的电极片俯视图；

图4是根据本发明优选实施例的电极片左视图；

图5是根据本发明优选实施例的用于加热样品槽内液体的保温组件的原理图；

图6示出了根据本发明优选实施例中，水软管在样品槽第三侧面上的加热板上的分布示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。

本发明基于最小偏向角测量法设计外加电场和温度场协同作用下测量液体折射率的方法，通过在样品槽的底面和顶面设置电极片能够为待测液体施加均匀的电场，通过在样品槽的三个侧面贴附加热板能够为液体提供均匀的温度场，从而准确测量外加电场和温度场协同作用下液体折射率发生的变化。

根据本发明的外加电场和温度场协同作用下测量液体折射率的方法，包括：S1、分别将样品槽底面的第一电极片和样品槽顶面的第二电极片与电源的正负极连接，调节电源的电压，使第一电极片和第二电极片之间的电场达到待测电场强度。

参见图1，样品槽22为由三片玻璃组成的等腰空心三棱镜。若样品槽22的三条底边边长不相等、即组成样品槽22的三片玻璃的尺寸不相等，则增加了三片玻璃的加工复杂程度，不利于降低样品槽22的加工成本。本发明中，为了简化样品槽的结构，样品槽可以为等边空心三棱镜。当样品槽22高度与底边之间的比值过大时会增大样品槽22的塔差，而当样品槽22的高度与底边边长之间的比值过小时容易因为三片玻璃胶合导致三棱镜表面变形，进而影响样品槽22的整体光圈精度，增大了测量误差。为了尽量减小样品槽22的塔差、提高样品槽22的光圈精度，样品槽22的高度h与等腰三角形的最大边长l之间可以满足如下关系：h＝(0.5～1.35)×l，优选地，样品槽的高度与底边边长相等。

本发明采用最小偏向角法测量待测液体的折射率，入射光线从样品槽22的一个侧腰入射、从另一个侧腰出射。为了增强探测组件采集到的光信号，样品槽22的侧腰可以由透光玻璃构成、样品槽22的第三侧边可以由毛玻璃构成，并且两片透光玻璃的光程相等，两片透光玻璃的光程均为1/60，λ为入射光线的波长。液体通过设置在第三侧面上的注入孔注入样品槽内。

由于电场对液体折射率的影响有可能很小，为了准确测量电场对液体折射率的微小影响，测量装置的精确度必须非常高。优选地，三片玻璃通过光学冷胶胶合在一起，样品槽22的塔差在1'以内、样品槽22的光圈在2个圈以内。进一步地，为了减少由于入射光线在样品槽内反射、折射和衍射而导致的光强减弱，增强探测单元的接收信号，三片玻璃的胶合边缘采用毛化处理。

样品槽22底面的第一电极片和顶面的第二电极片分别与电源的正负极连接，使得第一电极片与第二电极片之间产生电场。若电极片23未完全覆盖样品槽22的底面或顶面，则样品槽22内的部分待测液体未处于两片电极片之间产生的电场内、或者样品槽22内的待测液体内的电场分布不均匀，导致较大测量误差。为了避免这种情况的发生，电极片23与样品槽22形成密封结构，即电极片完全覆盖样品槽22的底面和顶面，从而能够保证样品槽22内的待测液体处于均匀的电场内。

电极片23的形状可以与样品槽22的底面和顶面的形状相同，例如：本发明中样品槽22的底面和顶面均为三角形，因此，电极片23也可以设置成三角形。电极片23通过导线与电源连接，导线可以直接焊接在电极片23上。为了便于与电源11正负极之间连接起来，电极片23的形状也可以设置为箭头状，参见图2-4。其中，电极片23的三角形箭头与样品槽22的底面和顶面的形状相同，电极片23的箭头尾部与导线的一端连接，导线的另一端与电源连接。导线的一端可以缠绕在箭头尾部；或者，箭头尾部上设置有小孔，导线的一端缠绕在小孔上。

为了减小导线的电阻、并避免测量过程中由于操作不当导致导线遮蔽探测器通光孔，因此应尽量选择较细的导线，比如选用多股镀银导线。为提高待测样品中电场的均匀性，将两片电极片于电源连接起来的两根导线的电阻差距应小于导线的阻值的1/10，例如：导线的电阻小于0.05欧姆，两根导线之间的电阻差距小于0.005欧姆。

电极片23应不与待测液体之间发生反应，并且在电场作用下的物理化学参数稳定。由于铂为惰性金属，在外加电压作用下很难和液体发生反应，因此可以采用等厚度且两面平行的铂片作为电极片23。当然，电极片23也可以钛作为基底，基底上镀铂，如图2-4所示。

电极片23的厚度若太厚，位于样品槽22顶面的电极片23容易由于重量过大而压迫样品槽22，影响样品槽22的精度；电极片23的厚度太薄，则容易在外力作用下发生变形，影响电极片23的精度。根据本发明的优选实施例，电极片23的厚度H满足：

式中，l₁为等腰三角形两个侧腰的长度，单位为：mm；l₂为等腰三角形的底边长度，单位为：mm；ρ为样品槽内液体的密度，单位为：g/cm³。优选地，电极片23的厚度为3mm。

S2、通过贴附在样品槽22三个侧面的加热板加热样品槽22内的液体，使液体的温度达到待测温度。

加热板27上可以设置有水软管26，通过水软管26中的供热液体为样品槽22内的液体加热，水软管26的进水端和出水端分别设置两个热电偶28，用于采集水软管26进水端和出水端的温度。图5示出了根据本发明一个优选实施例的用于加热样品槽22内液体的保温组件的原理图，图中，恒温水箱24置于恒温水箱支架241上，用于加热供热液体，恒温水箱24、水泵25以及水软管26组成一个回路，供热液体在水泵25的驱动下从水软管26的一端流入、从水软管26的另一端流出。

当加热样品槽22内的液体时，若水软管26较长，随着水软管26中的供热液体不断与样品槽22内的液体进行热交换，水软管26中供热液体的温度不断降低，使得水软管26中供热液体的加热能力不断下降，即靠近水软管26出水端的供热液体的加热效果低于靠近水软管26进水端的供热液体的加热效果，从而容易导致水软管26出水端附近的样品槽内液体的温度低于待测温度。当对样品槽22内的液体进行降温时，若水软管26较长，随着水软管26中的供热液体不断与样品槽22内的液体进行热交换，水软管26中供热液体的温度不断降低，使得水软管26中供热液体的降温能力不断下降，即靠近水软管26出水端的供热液体的降温效果低于靠近水软管26进水端的供热液体的降温效果，从而容易导致水软管26出水端附近的样品槽内液体的温度高于待测温度。为了避免这种情况的发生，可以在加热板27上设置多根或多组水软管、并且使不同水软管之间交错分布，比如：可以将一根或一组水软管的进水端设置在另一根或另一组水软管的出水端。图6示出了根据本发明一个优选实施例中，水软管26在样品槽22第三侧面上的加热板271上的分布示意图，图中第一组水软管261从第三侧面上的加热板271的一端流入、从另一端流出，第二组水软管262从第一组水软管261的出水端流入，从第一组水软管261的进水端流出。由于样品槽22第三侧面上设置有用于注入液体的注入孔28，因此水软管经过该注入孔28时需要绕过该注入孔。在样品槽22的两个侧腰面上，由于分别对应有通光区域，因此，侧腰面上贴附的加热板上的水软管也需要绕过该通光区域。

根据本发明的优选实施例，为了保证均匀加热，步骤S2包括：

S21、获取样品槽内的液体温度，根据样品槽内的液体种类、液体体积、液体温度和待测温度，确定将液体加热至待测温度所需的加热热量。

样品槽内的液体种类不同，其比热容也不同，因此升高至待测温度时所需要的热量也就不同。当样品槽22内的液体温度低于待测温度时，液体体积越大、样品槽内的液体温度越低，升高为待测温度所需的热量越大。当样品槽22内的液体温度高于待测温度时，在其他条件相同的情况下，液体体积越大、样品槽内的液体温度越高，降低至待测温度所需散失的热量越大。

S22、根据加热板上的水软管数量、加热热量、以及加热板的传热效率，确定供热液体的第一温度以及水软管中供热液体的第一流量。

供热液体的第一温度越高、第一流量越大，提供的热量越大。当样品槽22内的液体温度低于待测温度时，供热液体的第一流量越大，单位时间内供热液体提供的热量越大，将样品槽22内的液体加热至待测温度所需的时间越短。当样品槽22内的液体温度高于待测温度时，供热液体的第一流量越大，单位时间内供热液体从样品槽22内的液体中带走的热量越多，将样品槽22内的液体降温至待测温度所需的时间越短。优选地，供热液体的流量q满足如下关系：

式中，q第一流量，单位为：cm³/s；Q为将液体加热至待测温度所需的加热热量，单位为：J；n为加热板上的水软管数量，单位为：根；η为加热板的传热效率，单位为：％；c₀为供热液体的比热容，单位为：J/(kg·℃)；ρ₀为供热液体的密度，单位为：g/cm³；Δt为供热液体的温度与样品槽内液体温度之间的差值，单位为：℃。

S23、基于供热液体的第一温度以及水软管中供热液体的第一流量，对样品槽内的液体进行加热。

在进行液体折射率测量的过程中，样品槽22内的液体温度可能会产生波动，进而影响液体折射率测量结果的准确性和精确性。根据本发明的优选实施例，步骤S2进一步包括：

分别获取水软管26进水端和出水端的供热液体温度，确定水软管26进水端和出水端的供热液体的温度差；

当水软管26进水端和出水端的温度差大于预设的温差阈值时，基于该温度差查询预设的映射关系表，确定供热液体的第二温度以及第二流量；

基于供热液体的第二温度以及第二流量，对样品槽22内的液体进行加热。

优选地，供热液体的第二温度与第二流量之间满足：

(5～15)q′×|t₁-t₂|＝A×L×Δt′

式中，t₁为供热液体的第二温度，单位为：℃；t₂为样品槽内的液体温度，单位为：℃；q′为供热液体的第二流量，单位为：cm³/s；A为水软管的内截面面积，单位为：cm²；L为水软管的长度，单位为：cm；Δt′为水软管进水端和出水端的供热液体的温度差，单位为：℃。

为了提高加热板与样品槽22内液体的热交换效率，可以在加热板的背对于玻璃片的一面设置绝热材料、加热板的粘附于玻璃片的一侧为导热材料。

S3、在待测电场强度和待测温度条件下，利用最小偏向角法测量液体的折射率。

图1示出了根据本发明优选实施例的外加电场条件下测量液体折射率测量装置的示意图，图1中未示出保温组件。其中，光源组件可以包括：光谱灯1、转塔2、镜面3、光谱灯电源4、聚光镜5、斩波器6、斩波器控制器7、滤色镜转化器8、狭缝9。光源组件与样品槽22之间还可以设置有准直器10，以对入射光线进行准直处理。转塔2主要用于在不同的光谱灯电源4之间实现转换，斩波器6主要用于提取特定频率的光谱信号，以便锁相放大器放大。滤色镜转化器8主要用于在光谱灯电源4为不同波长时选取不同的滤波片，以便削弱杂散光信号。狭缝9可用于调节进入样品槽22的光通量的大小，其大小的调节可以根据样品槽22中液体的吸收系数来确定。探测组件可以与样品槽一起设置在样品台12上，探测组件可以包括：望远镜15、红外探测器16、光电倍增管17、锁相放大器控制器18、锁相放大器19、CCD相机20。为了便于探测结果的显示和输出，CCD相机20与锁相放大器19之后还可以连接输出终端21。望远镜15有利于接收距离红外探测器16和CCD相机20较远处的待测信号。实际测量时根据不同的待测波长可分别选用红外探测器或CCD相机。由于红外信号一般较弱且难以捕捉，若选用红外探测器16，可以在红外探测器16之后连接光电倍增管17，从而对红外信号进行放大，然后通过锁相放大器19对特定频率的红外信号进行放大并输出波形随位置的变化。为了便于样品槽22的转动和平行移动，样品台12可拆卸地固定值在压电驱动平台12上，使得样品台12可以在360°范围内转动，也可使样品台12平行移动。测量过程中，根据波形的峰值位置和样品槽22的摆放情况可以分别确定样品槽22左右两侧的最小偏向角。在测试开始前，需要对样品台12调水平，以保证样品槽22内待测液体的左右前后液面等高、样品槽22的底边与经准直器准直处理的入射光线垂直，从而保证由于左右两侧的最小偏向角不等造成的误差对实验测量精度的影响减到最小。

与现有技术相比，本发明基于最小偏向角测量法设计外加电场和温度场协同作用下测量液体折射率的方法，通过在样品槽的底面和顶面设置电极片能够为待测液体施加均匀的电场，通过在样品槽的三个侧面贴附加热板能够为液体提供均匀的温度场，从而准确测量外加电场和温度场协同作用下液体折射率发生的变化。

虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。

Claims (9)

1.一种外加电场和温度场协同作用下测量液体折射率的方法，其特征在于包括：

S1、分别将样品槽底面的第一电极片和样品槽顶面的第二电极片与电源的正负极连接，调节电源的电压，使第一电极片和第二电极片之间的电场达到待测电场强度；

S2、通过贴附在样品槽三个侧面的加热板加热样品槽内的液体，使所述液体的温度达到待测温度；

S3、在所述待测电场强度和待测温度条件下，利用最小偏向角法测量液体的折射率；

其中，样品槽为由三片玻璃组成的横截面为等腰三角形的空心三棱镜，第一电极片、第二电极片以及样品槽之间形成密封结构；样品槽两个侧腰面为透光玻璃，样品槽的第三侧面为毛玻璃，两片透光玻璃的光程均为λ/60，λ为入射光线的波长；样品槽的高度h与等腰三角形的最大边长l之间满足如下关系：h＝(0.5～1.35)×l；

液体通过设置在第三侧面上的注入孔注入样品槽内；

其中，第一电极片和第二电极片各自的厚度H满足：

式中，l₁为等腰三角形两个侧腰的长度，单位为：mm；l₂为等腰三角形的底边长度，单位为：mm；ρ为样品槽内液体的密度，单位为：g/cm³。

2.如权利要求1所述的方法，其中，第一电极片和第二电极片的形状与样品槽的底面和顶面的形状相同，第一电极片和第二电极片上焊接有导线，通过该导线与电源连接；

或者，第一电极片和第二电极片的形状为箭头状，第一电极片和第二电极片的三角形箭头与样品槽的底面和顶面的形状相同，第一电极片和第二电极片的箭头尾部上设置有小孔；导线的一端缠绕在所述小孔上，导线的另一端与电源连接。

3.如权利要求2所述的方法，其中，第一电极片和第二电极片为铂片；或者，第一电极片和第二电极片以钛作为基底，所述基底上镀铂。

4.如权利要求1所述的方法，其中，加热板上设置有水软管，用于加热的供热液体在水泵的驱动下从所述水软管的一端流入、从所述水软管的另一端流出。

5.如权利要求4所述的方法，其中，为了保证均匀加热，步骤S2包括：

获取样品槽内的液体温度，根据样品槽内的液体种类、液体体积、液体温度和待测温度，确定将液体加热至待测温度所需的加热热量；

根据加热板上的水软管数量、所述加热热量、以及加热板的传热效率，确定供热液体的第一温度以及水软管中供热液体的第一流量；

基于供热液体的第一温度以及水软管中供热液体的第一流量，对样品槽内的液体进行加热。

6.如权利要求5所述的方法，其中，供热液体的第一流量q满足如下关系：

式中，q第一流量，单位为：cm³/s；Q为将液体加热至待测温度所需的加热热量，单位为：J；n为加热板上的水软管数量，单位为：根；η为加热板的传热效率，单位为：％；c₀为供热液体的比热容，单位为：J/(kg·℃)；ρ₀为供热液体的密度，单位为：g/cm³；Δt为供热液体的温度与样品槽内液体温度之间的差值，单位为：℃。

7.如权利要求5所述的方法，其中，步骤S2进一步包括：

分别获取水软管进水端和出水端的供热液体温度，确定水软管进水端和出水端的供热液体的温度差；

当所述温度差大于预设的温差阈值时，基于所述温度差查询预设的映射关系表，确定供热液体的第二温度以及第二流量；

基于供热液体的第二温度以及第二流量，对样品槽内的液体进行加热。

8.如权利要求7所述的方法，其中，供热液体的第二温度与第二流量之间满足：

(5～15)q′×|t₁-t₂|＝A×L×Δt′

式中，t₁为供热液体的第二温度，单位为：℃；t₂为样品槽内的液体温度，单位为：℃；q′为供热液体的第二流量，单位为：cm³/s；A为水软管的内截面面积，单位为：cm²；L为水软管的长度，单位为：cm；Δt′为水软管进水端和出水端的供热液体的温度差，单位为：℃。

9.如权利要求8所述的方法，其中，加热板的背对于玻璃片的一面设置有绝热材料；加热板的粘附于玻璃片的一侧为导热材料。