CN108195799B - 一种基于全反射原理的液体透过率测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种长距离液体透过率的测量装置以及测量方法，所述测量装置顺次包括光源，第一异形光学棱镜，样品管，第二异形光学棱镜，所述测量装置还包括用于移动第一异形光学棱镜的第一精密位移台，用于移动第二异形光学棱镜的第二精密位移台，探测系统，运动控制系统，计算机；其中，计算机通过运动控制系统控制第二精密位移台，计算机还用于控制探测系统。本发明系统结构紧凑，能实现长距离系统液体透过率测试；实现不同长度距离的快速，精准变化；光路传输方向不改变，易于系统安装定位及测试；一次测量，快速出结果，不需要分别测量样品管装入样品前和装入样品后的光强。
Description
技术领域
本发明涉及液体透过率光学测量装置，具体是，针对长距离传输的液体透过率测量装置。
背景技术
近年来，一些透明液体，由于其折射率高于空气，或一些特殊的电离特性，越来越多的替代空气，成为实验设备的载体，进行科学研究及实验。
在粒子或射线探测的物理实验中，采用一些透明液体作为长距离传输的载体，当光子，带电粒子，或者射线照射后，液体中原子或分子激发或者产生电离，在这些原子或分子退激的过程中会产生光子，通常称为荧光，利用探测设备对荧光进行探测，从而间接探测入射粒子或射线的某些特性。系统长度二十米以上，由于透明液体的衰减系数比较大，经过长距离传输后，其透过率变化比较大，因此，需要对其透过率进行测量，同时，由于液体不是单一液体，其配比会根据实验需求变化，因此其衰减不是线性变化，要求对不同距离传输后的透过率进行测量。
目前，对于该长距离系统实验装置，装置搭建后，不具备实验过程中测量液体透过率的实验条件，而在系统搭建之前，由于空间限制，很难搭建二十米长的样品测试系统，仅通过搭建几米长度的试验装置，模拟测量透过率。但由于随着系统长度的增加，液体衰减长度增加，液体配比的变化，试验装置模拟测量的透过率与实际实验系统的透过率有较大差异。
然而当前，对于液体透过率的测量通常采用分光光度计的光学测量方法，选取两个相同规格的透明样品池，其中一个为空样品池，另一个装满透明样品，采用市场通用的分光光度计作为测量设备，首先测量空样品池中空气透过率，归一化后作为参考结果，然后置换装满样品的样品池于光路中，测量液体样品池透过率，作为测量结果，测量结果与参考结果值相比，即为液体透过率。
在专利CN04880426A中，仍采用光度学，对于分光光度计测量液体透过率时引入的误差进行修正，消除了透明样品池本身的吸收及界面反射导致的结果误差。但是，该系统无法对大体积，长距离，衰减系数较大且随传输距离非线性变化的液体，如本实验系统的液体透过率进行测量，具有测量局限性。
发明内容
针对现有技术对于长距离，衰减系数较大且随传输距离非线性变化的液体透过率测量的局限性，本发明基于全反射原理，采用异形光学棱镜实现长距离光路系统模拟，且入射光线和出射光线方向一致，即不改变光路传输方向，能够实现对于液体透过率测量，同时，通过高精密运动控制系统，精确控制光学棱镜的垂轴方向相对位置，实现系统光路的距离可变，能够适应不同长度传输距离的要求。该系统结构紧凑，精度较高，成本低廉，适用于各种不同距离的液体透过率光路测试，且光路传输方向不改变，易于系统安装定位及实验测试。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种长距离液体透过率的测量装置，所述测量装置顺次包括光源(1)，第一异形光学棱镜(7)，样品管(8)，第二异形光学棱镜(9)，所述测量装置还包括用于移动第一异形光学棱镜(7)的第一精密位移台(2)，用于移动第二异形光学棱镜(9)的第二精密位移台(3)，探测系统(4)，运动控制系统(5)，计算机(6)；其中，计算机(6)通过运动控制系统(5)控制第二精密位移台(3)，计算机(6)还用于控制探测系统(4)。
优选地，光源(1)发出的光束从第一异形光学棱镜(7)的左端射入系统，经过样品管(8)中的液体，入射到第二异形光学棱镜(9)的右侧内壁，发生一次全反射，反射射到第二异形光学棱镜(9)的左侧内壁，再次发生全反射，返回样品管(8)，经过液体后入射到第一异形光学棱镜(7)的左侧反射壁，第三次发生全反射，然后入射到第一光学棱镜(7)的右侧反射壁，第四次全反射，完成一次的光路循环；当光束进行多于一次的上述光路循环后，光束在第一异形光学棱镜(7)上的位置从边缘区域逐步循环到达中心区域，从第一异形光学棱镜(7)的右侧反射壁射出，经过样品管中的液体到达第二异形光学棱镜(9))时，不再打到反射壁处进行反射，而是打到第二异形光学棱镜(9)的出射面，射出后到达探测系统(4)。
优选地，光源(1)为403nm、532nm、633nm或者1064nm波段，光源(1)为固体线偏振激光器或气体线偏振激光器。
优选地，样品管(8)采用铝合金、不锈钢或根据液体样品特性选择不发生反应的材料；样品管(8)两端有窗片的转接口，并且在其中一端设置阀门。
优选地，探测系统(4)为光电探测器。
一种采用上述装置的长距离液体透过率测量方法，包括：
将探测系统(4)移动至光源出口位置；
测量初始光强I0；
待测液体装入样品管(8)中；
第二精密位移台(3)精确移动第二异形光学棱镜(9)的垂轴位置，导致光路中反射次数变化，从而实现不同长度传输距离的测量，探测系统(4)测量液体光强I1；
将所测量的液体光强与进入样品管(8)之前的初始光强进行比较，从而获得液体透过率T。
优选地，其中，样品管(8)内全反射次数为n，光线出射后，探测系统(4)所探测到的能量I1为：
样品透过率T为：
其中，I0为所探测到的初始光强，I1为所探测到的光强，样品管(8)两端各有一个窗片，T1为两个窗片的透过率，R1为第一异形光学棱镜及第二异形光学棱镜反射壁的反射率，Tout为第二异形光学棱镜的出射面透过率。
本发明的优点在于：系统结构紧凑，能实现长距离系统液体透过率测试；实现不同长度距离的快速，精准变化；光路传输方向不改变，易于系统安装定位及测试；一次测量，快速出结果，不需要分别测量样品管装入样品前和装入样品后的光强。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明中液体透过率测量装置示意图；
图2为本发明中异形光学棱镜示意图；
图3为本发明中全反射原理光路图；
图4为本发明中样品管及转接口结构图；
图5为本发明中距离变化原理图；
图6为本发明中测量步骤框图；
图7为本发明实施例中距离变化数据。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明提出了一种长距离液体透过率的测试方法及装置，装置由光源(1)，两块异形光学棱镜(7、9)，样品管，精密位移台(2、3)，探测系统(4)，运动控制系统(5)，计算机(6)组成，如图1所示。其中实线为光线，虚线为系统控制。其中，两块异形光学棱镜(7、9)，形成对称循环的光路，基于全反射原理，实现长距离光路传输。利用有限空间，通过加入光学系统使透过率测量系统缩短，实现二十米长度的系统距离测量。
光源(1)可以为403nm、532nm、633nm或者1064nm等多种波段，为固体线偏振激光器或气体线偏振激光器。由于光路长距离传输，激光光斑初始形状及光束发散角会对后端棱镜尺寸及探测系统尺寸影响较大，为了便于棱镜加工及选取探测器，选取激光器出射光斑尺寸小于3.5mm,激光发散角小于0.32mrad。
如图2所示，两块异形光学棱镜(7、9)，其组合形成对称循环的光路，基于全反射原理，实现长距离光路传输，如图3所示为光路系统俯视图。光束从第一异形光学棱镜(7)的右端射入系统，经过样品管中的液体，入射到第二异形光学棱镜(9)的右侧内壁，发生一次全反射，反射射到第二异形光学棱镜(9)的左侧内壁，再次发生全反射，返回样品管，经过液体后入射到第一异形光学棱镜(7)的左侧反射壁，第三次发生全反射，然后入射到第一异形光学棱镜(7)的右侧反射壁，第四次全反射，完成一次循环的光路。经过一次光路循环，光束在系统中两次经过样品管中的测量液体，从而实现系统光路的距离延长一倍。随后，进行第二次循环。当光束进行六次循环后，即二十四次全反射后，光束在第一异形光学棱镜(7)上的位置从边缘区域逐步循环到达中心区域，从第一异形光学棱镜(7)的右侧反射壁射出，经过样品管(8)中的液体到达第二异形光学棱镜(9)时，不再打到反射壁处进行反射，而是刚好打到第二异形光学棱镜(9)的出射面，射出后到达探测系统(4)。
如图4所示，样品管(8)可采用1.5米长圆管，管两端加带有窗片的转接口，并且在其中一端设置阀门，方便样品液体流入管内。样品管(8)可采用铝合金、不锈钢或根据液体样品特性选择不发生反应的材料。样品管(8)两端加带有窗片的转接口，并且在其中一端设置阀门，方便样品液体流入管内。
探测系统(4)的选择，可以选择光电二极管，光电倍增管，四象限探测器等光电探测器，将接收到的光信号转化为电信号，从而获得光强，探测器谱段的选择，与光源响应波段一致。
在本发明所述的装置中，不同探测距离的变化，主要依靠光学棱镜(7、9)相对位置变化导致反射次数变化，从而改变光路几何长度的传输。在一个具体实施例中，如图5a所示，两个光学棱镜(7、9)当相对位置为零时，光束在样品管(8)中往返13次，全反射24次，光束通过长度为19.5米。当第二异形光学棱镜(9)通过精密位移台(3)实现位置移动时，光路中反射次数变化，从而实现不同长度的变化，系统可以输出不同的测量长度。如图5b所示，光束在样品管(8)中往返9次，全反射16次，光束通过长度为13.5米。如图5c所示，光束在样品管中往返5次，全反射8次，光束通过长度为7.5米。本发明的装置可能够实现的测量长度参见图7。精密位移台(3)为精密电动位移台，带动第二异形光学棱镜(9)沿Z方向，即图4中垂直纸面方向移动。
根据本发明的一种液体透过率测量，测量步骤如图6所示：
第一步，探测系统(4)放置在光源(1)出口位置处，测量初始光强I0；第二步，待测液体装入样品管(8)中；第三步，精密位移台(3)精确移动第二异形光学棱镜(9)的垂轴位置；第四步，探测系统(4)测量经过液体之后光强I1；第五步，计算机软件根据公式(5)以及所测得的初始光强I0与光强I1，获得液体透过率T。
透过率计算原理如下：
基于光的电磁理论，光波分为两个互相垂直的分量S波和P波，采用菲涅尔公式描述S波及P波的反射系数r及透射系数t，光线正入射时，如下式(1-a/b/c/d)所示：
其反射比R，透射比T分别定义为反射系数和透射系数的平方，见公式(2-a/b/c/d/e/f)：
Rs+Ts＝1 (2-e)
Rp+Tp＝1 (2-f)
本系统中，选用P方向线偏振激光光源，S方向不用考虑。
在具体实施方式中，样品管(8)两端各有一个窗片，在测试过程中，光束通过窗片从样品管中传输出来，进入第一异形光学棱镜和第二异形光学棱镜。由于样品的测试距离远远大于窗片厚度，所以可以忽略掉窗片的吸收，窗片两面镀增透膜，透过率为T1。第一异形光学棱镜(7)及第二异形光学棱镜(9)的反射壁镀高反膜，其反射率为R1。第二异形光学棱镜(9)的出射面镀增透膜，透过率为Tout。
激光器(1)初始能量为I0，样品透过率为T，激光在样品中传递4.5米时，其在腔内全反射4次(n＝4)，通过窗片6次，然后经过第二异形光学棱镜(9)的出射面,射出到探测系统上，所探测到的能量I1为：
腔内全反射次数为n(n＝4,8,12,16,20,24),探测系统所探测到的能量I1为：
样品透过率为T为：
根据系统测量步骤中所探测到的初始光强I0与光强I1，窗片透过率T1，第一异形光学棱镜及第一异形光学棱镜反射壁的反射率R1，第二异形光学棱镜的出射面透过率为Tout，获得液体透过率T。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种长距离液体透过率的测量装置，所述测量装置顺次包括光源(1)，第一异形光学棱镜(7)，样品管(8)，第二异形光学棱镜(9)，所述测量装置还包括用于移动第一异形光学棱镜(7)的第一精密位移台(2)，用于移动第二异形光学棱镜(9)的第二精密位移台(3)，探测系统(4)，运动控制系统(5)，计算机(6)；其中，计算机(6)通过运动控制系统(5)控制第二精密位移台(3)，计算机(6)还用于控制探测系统(4)；当所述第一异形光学棱镜(7)与所述第二异形光学棱镜(9)的相对位置为零时，光束在所述样品管(8)中往返13次，全反射24次，光束通过长度为19.5米；当所述第二精密位移台(3)带动所述第二异形光学棱镜(9)沿Z方向移动的过程中，光束在所述样品管(8)中往返9次时，全反射16次，光束通过长度为13.5米；光束在所述样品管中往返5次时，全反射8次，光束通过长度为7.5米；所述光源(1)为固体线偏振激光器或气体线偏振激光器，且所述光源(1)的波段为403nm、532nm、633nm或者1064nm；所述固体线偏振激光器或所述气体线偏振激光器的出射光斑尺寸小于3.5mm,激光发散角小于0.32mrad；
光源(1)发出的光束从第一异形光学棱镜(7)的左端射入系统，经过样品管(8)中的液体，入射到第二异形光学棱镜(9)的右侧内壁，发生一次全反射，反射射到第二异形光学棱镜(9)的左侧内壁，再次发生全反射，返回样品管(8)，经过液体后入射到第一异形光学棱镜(7)的左侧反射壁，第三次发生全反射，然后入射到第一异形光学棱镜(7)的右侧反射壁，第四次全反射，完成一次的光路循环；当光束进行多于一次的上述光路循环后，光束在第一异形光学棱镜(7)上的位置从边缘区域逐步循环到达中心区域，从第一异形光学棱镜(7)的右侧反射壁射出，经过样品管中的液体到达第二异形光学棱镜(9)时，不再打到反射壁处进行反射，而是打到第二异形光学棱镜(9)的出射面，射出后到达探测系统(4)；
所述探测系统(4)为光电探测器，用于测量光强。
2.根据权利要求1所述的一种长距离液体透过率的测量装置，样品管(8)采用铝合金、不锈钢或根据液体样品特性选择不发生反应的材料；样品管(8)两端有窗片的转接口，并且在其中一端设置阀门。
3.一种采用权利要求2所述装置的长距离液体透过率测量方法，包括：
将探测系统(4)移动至光源出口位置；
测量初始光强I0；
待测液体装入样品管(8)中；
第二精密位移台(3)精确移动第二异形光学棱镜(9)的垂轴位置，导致光路中反射次数变化，从而实现不同长度传输距离的测量，探测系统(4)测量液体光强I1；
将所测量的液体光强与进入样品管(8)之前的初始光强进行比较，从而获得液体透过率T；
其中，样品管(8)内全反射次数为n，光线出射后，探测系统(4)所探测到的能量I1为：
样品透过率T为：
其中，I0为所探测到的初始光强，I1为所探测到的光强，样品管(8)两端各有一个窗片，T1为两个窗片的透过率，R1为第一异形光学棱镜及第二异形光学棱镜反射壁的反射率，Tout为第二异形光学棱镜的出射面透过率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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