CN106770041B - 一种基于干涉法的液体折射率检测装置及检测方法 - Google Patents

一种基于干涉法的液体折射率检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于干涉法的液体折射率检测装置及检测方法，属于液体折射率高精度测量领域，为了解决现有技术的折射率测量装置对待测物质的状态有要求，测量范围有限制，稳定性较差，不能对测量精度和测量范围进行灵活调节的缺点，而提出一种基于干涉法的液体折射率检测装置及检测方法。检测方法包括：向第1透明容器中倒入已知折射率的溶液；启动双折射电调节装置，用于对激光器所发射的光束的两个垂直偏振的光信号的相位差进行周期性调制，并使光电探测装置接收到的光信号发生同步起伏；将透明容器中的溶液替换为待测溶液；光电探测装置同一峰值点对应的时刻发生相对位移；通过公式计算待测溶液的折射率。

Description

一种基于干涉法的液体折射率检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及一种基于干涉法的液体折射率检测装置及检测方法，属于液体折射率高精度测量领域。
背景技术
折射率是表征物质光学特性的重要物理参量之一，在生产实践中有重要作用，液体的折射率的测量可帮助人们定量研究液体浓度、温度等参量随环境的变化规律。而对于不同的测量需求，测量精度和测量范围均有所不同。因此，需要设计一种测量精度和测量范围灵活可变的装置，以满足生产实践需求。
目前，测量折射率的方法有很多，如阿贝折射计法、分光计法、干涉法等。其中，阿贝折射计法对待测物质的折射率范围有限制，分光计法限定了待测物质只能为固态。而干涉仪法对待测物质没有特殊要求。因此，近年涌现出了大量有关干涉法测折射率的装置。其中最典型的就是马赫曾德尔干涉仪、光纤折射率传感装置。
但传统的马赫曾德尔干涉仪稳定性较差，信号漂移对测量准确性造成影响，后续的研究工作者为提高系统稳定性，用光纤结构替换了自由空间光路结构，但这也提高了系统安装的成本，且降低了系统灵活性，不能对测量精度和测量范围进行灵活调节。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的折射率测量装置对待测物质的状态有要求，测量范围有限制，稳定性较差，不能对测量精度和测量范围进行灵活调节的缺点，而提出一种一种基于干涉法的液体折射率检测装置及检测方法。
一种基于干涉法的液体折射率检测装置，包括：激光器、双折射调制装置、偏振分束镜、基准非偏振分束镜、基准光电探测装置、N组测量单元以及N组扩展光电探测装置，N为正整数，其中：
第i组测量单元包括第i非偏振分束镜A、第i非偏振分束镜B、第i非偏振分束镜C、第i光学补偿板以及长度为Li的第i透明容器；其中i为从1到N-1的正整数；
其中，所述激光器用于发射激光，所述激光通过所述双折射调制装置的调制功能入射至基准非偏振分束镜并发生折射和反射，其中反射光由所述基准光电探测装置接收，折射光进入偏振分束镜，并发生折射和反射，其中折射光进入第1组测量单元的第1非偏振分束镜C，反射光进入第1组测量单元的第1非偏振分束镜A；
第i非偏振分束镜A用于将入射光折射后进入第i+1非偏振分束镜A，还用于将入射光反射后再经过第i透明容器进入第i非偏振分束镜C并发生折射；第i非偏振分束镜B用于使入射光折射后进入第i+1非偏振分束镜B，还用于使入射光反射后再经过第i光学补偿板进入第i非偏振分束镜C并发生反射；第i透明容器用于呈装已知折射率的液体或待测液体；经过第i非偏振分束镜C反射和折射的光被第i测量单元接收；
第N组测量单元的第N非偏振分束镜A以及第N非偏振分束镜B仅发生反射，不发生折射，其余部件的工作原理与第i组测量单元相同。
本发明的有益效果为：结构简单，所采用的自由空间光路便于更换不同长度的透明容器；可通过变换透明容器长度，实现对折射率测量精度和测量范围的灵活变更，变更范围不受限制。
附图说明
图1为本发明的基于干涉法的液体折射率检测装置的结构图；
图2(a)～图2(d)分别为当N＝3时，扩展光电探测装置接收到的光信号示意图；
图3(a)～图3(d)分别为当N＝3时，将透明容器中的溶液替换为待测溶液后，光信号的同一峰值点发生相对位移的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种基于干涉法的液体折射率检测装置，包括：激光器1、双折射调制装置2、偏振分束镜3、基准非偏振分束镜4、基准光电探测装置、N组测量单元以及N组扩展光电探测装置，N为正整数，其中：
第i组测量单元包括第i非偏振分束镜A、第i非偏振分束镜B、第i非偏振分束镜C、第i光学补偿板以及长度为Li的第i透明容器；其中i为从1到N-1的正整数；
其中，激光器用于发射激光，激光通过双折射调制装置的调制功能入射至基准非偏振分束镜并发生折射和反射，其中反射光由基准光电探测装置接收，折射光进入偏振分束镜，并发生折射和反射，其中折射光进入第1组测量单元的第1折射非偏振分束镜，反射光进入第1组测量单元的第1反射非偏振分束镜；
第i非偏振分束镜A用于将入射光折射后进入第i+1非偏振分束镜A，还用于将入射光反射后再经过第i透明容器进入第i非偏振分束镜C并发生折射；第i非偏振分束镜B用于使入射光折射后进入第i+1非偏振分束镜B，还用于使入射光反射后再经过第i光学补偿板进入第i非偏振分束镜C并发生反射；第i透明容器用于呈装已知折射率的液体或待测液体；经过第i非偏振分束镜C反射和折射的光被第i测量单元接收；
第N组测量单元的第N非偏振分束镜A以及第N非偏振分束镜B仅发生反射，不发生折射，其余部件的工作原理与第i组测量单元相同。
如图1所示，当N＝3时，第1组测量单元包括第1非偏振分束镜A，第1非偏振分束镜B和第1非偏振分束镜C，即41A，41B和41C，还包括第1透明容器51，第1光学补偿版61，和第i测量单元71。同理，第2组测量单元与第3组测量单元的形式也与第1组形式相同。其区别在于第i透明容器的高度不同，并且通过设置不同高度的透明容器，可以调节折射率的测量精度和测量范围。设置的测量单元越多，则测量范围越大，且测量精度越高。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：
基准光电探测装置包括基准四分之一玻片9以及基准光电探测器10，入射光经过基准四分之一玻片9后被基准光电探测器10接收；以及扩展光电探测装置包括第i四分之一玻片以及第i光电探测器，入射光经过第i四分之一玻片后被第i光电探测器接收。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：第1透明容器、第2透明容器……第N透明容器依次连通。
这样设置的好处是，相互连通的透明容器仅需要通过一个管道进行注入就可以使所有容器中都注有液体，节省了测量的操作步骤。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：
本实施方式提供了一种基于具体实施方式一至三中任意一项的基于干涉法的液体折射率检测装置的检测方法，其中激光器的波长为λ，第1透明容器、第2透明容器……第N明容器的高度分别为L1,L2,…LN，已知折射率的液体的折射率为n0，双折射电调制装置的相位差调制精度为调制周期为T，包括如下步骤：
步骤1)向第1透明容器中倒入折射率为n0的溶液；
步骤2)启动双折射点调节装置，用于对激光器所发射的光束的两个垂直偏振的光信号的相位差进行周期性调制，并使基准光电探测装置、第1组扩展光电探测装置至第N组扩展光电探测装置接收到的光信号发生同步起伏；
当N＝3时，扩展光电探测装置接收到的光信号如图2所示。
步骤4)将透明容器中的溶液替换为待测溶液；此时光信号的同一峰值点发生相对位移。基准光电探测装置、第1组扩展光电探测装置、第2组扩展光电探测装置……第N组扩展光电探测装置同一峰值点对应的时刻分别为t0、t1、t2……tN；
当N＝3时，将透明容器中的溶液替换为待测溶液后，光信号的同一峰值点发生相对位移的示意图如图3所示。
步骤5)通过如下公式计算待测溶液的折射率n：
其中，i＝0,1,2,…N，j＝0,1,2,…N；且i≠j；L0＝0；[]表示十进制取整。
该计算公式是针对Li与Lj组合的折射率测量公式，不同的组合具有不同的测量精度和测量范围。公式最后一项为根据测量精度进行四舍五入产生的结果。
可以使用多个组合进行联合测量，以获得更高的测量精度和更大的测量范围。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：
激光器的波长λ为532纳米；双折射电调制装置的相位差调制精度为0.2π，调制周期时间为1秒；L1,L2,L3分别为0.089米、0.09米、0.1米，则所述待测溶液的折射率n为：
通过上述公式可以看出，在本实施方式中我们使用了如下三种测量组合来提高测量精度：
第一个组合：L2与L1组合测量精度为3.343×10-4，测量范围为n0-3.343×10-3到n0+3.343×10-3；
第二个组合：L3与L2组合测量精度为3.343×10-5，测量范围为n0-3.343×10-4到n0+3.343×10-4，超过该测量范围后第二个组合的信号周期变化；
第三个组合：L3与L0组合测量精度为3.343×10-6，测量范围为n0-3.343×10-5到n0+3.343×10-5，超过该测量范围后第三个组合的信号周期变化；
以上三个组合联合测量，测量范围为n0-3.343×10-4到n0+3.343×10-4，测量精度为3.343×10-6。该过程可以理解为：利用第二组和第三组测量信号的周期性，后一个测量组合在前一个测量组合的精度上以更高精度进行测量。上述公式的最后一项为联合测量的测量精度进行四舍五入产生的结果。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：
激光器的波长λ为532纳米；所述双折射电调制装置的相位差调制精度为0.2π，调制周期时间为1秒；L1,L2,L3分别为0.89米、0.9米、1米，则所述待测溶液的折射率n为：
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于干涉法的液体折射率检测装置，其特征在于，包括：激光器、双折射调制装置、偏振分束镜、基准非偏振分束镜、基准光电探测装置、N组测量单元以及N组扩展光电探测装置，N为不小于2的正整数，其中：
第i组测量单元包括第i非偏振分束镜A、第i非偏振分束镜B、第i非偏振分束镜C、第i光学补偿板以及高度为Li的第i透明容器；其中i为从1到N-1的正整数；
其中，所述激光器用于发射激光，所述激光通过所述双折射调制装置的调制功能入射至基准非偏振分束镜并发生折射和反射，其中反射光由所述基准光电探测装置接收，折射光进入偏振分束镜，并发生折射和反射，其中折射光进入第1组测量单元的第1非偏振分束镜C，反射光进入第1组测量单元的第1非偏振分束镜A；
第i非偏振分束镜A用于将入射光折射后进入第i+1非偏振分束镜A，还用于将入射光反射后再经过第i透明容器进入第i非偏振分束镜C并发生折射；第i非偏振分束镜B用于使入射光折射后进入第i+1非偏振分束镜B，还用于使入射光反射后再经过第i光学补偿板进入第i非偏振分束镜C并发生反射；第i透明容器用于呈装已知折射率的液体或待测液体；经过第i非偏振分束镜C反射和折射的光被第i测量单元接收。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基准光电探测装置包括基准四分之一玻片以及基准光电探测器，入射光经过所述基准四分之一玻片后被所述基准光电探测器接收；以及
所述扩展光电探测装置包括第i四分之一玻片以及第i光电探测器，入射光经过所述第i四分之一玻片后被所述第i光电探测器接收。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第1透明容器、第2透明容器……第N透明容器依次连通。
4.一种基于权利要求1至3中任意一项所述基于干涉法的液体折射率检测装置的检测方法，其中所述激光器的波长为λ，第1透明容器、第2透明容器……第N明容器的高度分别为L1,L2,…LN，所述已知折射率的液体的折射率为n0，所述双折射电调制装置的相位差调制精度为调制周期为T，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)向所述第1透明容器中倒入折射率为n0的溶液；
步骤2)启动双折射点调节装置，用于对激光器所发射的光束的两个垂直偏振的光信号的相位差进行周期性调制，并使基准光电探测装置、第1组扩展光电探测装置至第N组扩展光电探测装置接收到的光信号发生同步起伏；
步骤4)将透明容器中的溶液替换为待测溶液；此时光信号的同一峰值点发生相对位移，所述基准光电探测装置、第1组扩展光电探测装置、第2组扩展光电探测装置……第N组扩展光电探测装置同一峰值点对应的时刻分别为t0、t1、t2……tN；
步骤5)通过如下公式计算待测溶液的折射率n：
其中，i＝0,1,2,…N，j＝0,1,2,…N；且i≠j；L0＝0；[]表示十进制取整。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，N＝3，所述激光器的波长λ为532纳米；所述双折射电调制装置的相位差调制精度为0.2π，调制周期时间为1秒；L1,L2,L3分别为0.089米、0.09米、0.1米，则所述待测溶液的折射率n为：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，N＝3，所述激光器的波长λ为532纳米；所述双折射电调制装置的相位差调制精度为0.2π，调制周期时间为1秒；L1,L2,L3分别为0.89米、0.9米、1米，则所述待测溶液的折射率n为：
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