CN112161952B - 一种基于干涉滤光片的液体折射率测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于干涉滤光片的液体折射率测量方法及装置，所述方法包括如下步骤：将待测液体注入两片玻璃基片之间的空气夹层；将连续光谱光源垂直入射待测液体；检测穿过待测液体的透射光，获取透射光的中心波长分布；调节两片玻璃基片之间的距离，使两个不同的中心波长移至对准波长，获取不同中心波长对应的位置读数；根据不同的位置读数和多层介质膜干涉滤光片原理推导公式计算得到待测液体的折射率；两片玻璃基片相对设置的一面均蒸镀有高反射膜系。本发明基于多层介质膜干涉滤光片原理，技术成熟，测量所需样本量少，测量精度高。

Description

一种基于干涉滤光片的液体折射率测量方法及装置
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种基于干涉滤光片的液体折射率测量方法及装置。
背景技术
折射率是光学领域的一个基本参数，折射率除了能反映材料的光学性能以外还能反映材料的介电常数、纯度、浓度以及色散等特性。
在化学分析、环境监测、医疗诊断、食品检测等领域内经常需要对液体浓度进行精确的测量。利用折射率来测量液体的浓度已经成为一种比较理想的方法。同其他方法相比既简单又廉价，并且不改变溶液本身性质。
测量液体折射率的方法很多，按测量原理可以分为折射法，干涉法，全反射法，椭圆偏光法。折射法原理简单，但测量精度有限。干涉法方法很多，但没有形成通用的标准。全反射法具有测量方便快捷，对环境要求不高，不需要单色光源等特点。根据全反射原理设计的阿贝折射计，是成熟的产品，可以直接读出待测液体折射率的数值。但由于材料的限制，当液体折射率大于棱镜折射率时，无法测量。椭圆偏光法主要针对固体薄膜材料，对液体测量相对困难。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于干涉滤光片的液体折射率测量方法及装置，以解决现有技术中存在的测量精度有限的问题。
为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于干涉滤光片的液体折射率测量方法，包括如下步骤：
将待测液体注入两片玻璃基片之间的空气夹层；
将连续光谱光源垂直入射待测液体；
检测穿过待测液体的透射光，获取透射光的中心波长分布；
调节两片玻璃基片之间的距离，使两个不同的中心波长移至对准波长，获取不同中心波长对应的位置读数；
根据不同的位置读数和多层介质膜干涉滤光片原理推导公式计算得到待测液体的折射率；
两片玻璃基片相对设置的一面均蒸镀有高反射膜系。
进一步的，两片玻璃基片的底部通过弹性膜粘连接，使两片玻璃基片的中间形成空气夹层。
进一步的，所述多层介质膜干涉滤光片原理推导公式为：
其中，n为折射率； x 1 、 x 2 分别为两个不同的中心波长对应的位置读数；为对准波长；为对准波长对应的干涉级次变化。
进一步的，所述对准波长为玻璃基片及待测液体组成的多层介质膜反射峰值波长。
一种基于干涉滤光片的液体折射率测量装置，包括导轨；所述导轨依次设置有光谱光源、平行光管、两片玻璃基片和光谱仪；所述光谱光源、平行光管、两片玻璃基片和光谱仪在同一轴线上；所述两片玻璃基片相对设置；两片玻璃基片相对设置的一面均蒸镀有高反射膜系。
进一步的，靠近平行光管一侧的所述玻璃基片安装在导轨上；靠近光谱仪一侧的所述玻璃基片通过拖板安装在导轨上。
进一步的，所述高反射膜系结构为(HL)3H。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明通过调节玻璃基片之间的距离，根据对准波长测量相应的始末导轨位置，以及干涉级次得变化，干涉级次无测量误差，始末导轨位置测量的精度由导轨的机械装置精确测量，本发明测量值少，但精度高。
将多层介质膜反射峰值波长作为对准波长，可有效降低干涉滤光片透射中心波长半宽度，使不同干涉级次中心波长区分明显，波长对准更加精确。
附图说明
图1 为本发明所述多层介质膜干涉滤光片结构示意图。
图2 为本发明所述液体折射率测量装置示意图。
图3为本发明所述干涉滤光片透射光初始光谱图。
图4为本发明所述干涉滤光片透射光终了光谱图。
附图标记：1-玻璃基片；2-高反射膜系；3-弹性膜粘；4-连续光谱光源；5-平行光管；6-光谱仪；7-计算机；8-导轨旋钮；9-拖板；10-干涉滤光片。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐释本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
一种基于干涉滤光片的液体折射率测量方法，包括如下步骤：
将待测液体注入两片玻璃基片之间的空气夹层；
将连续光谱光源垂直入射待测液体；
检测穿过待测液体的透射光，获取透射光的中心波长分布；
调节两片玻璃基片之间的距离，使两个不同的中心波长移至对准波长，获取不同中心波长对应的位置读数；
根据不同的位置读数和多层介质膜干涉滤光片原理推导公式计算得到待测液体的折射率；
两片玻璃基片相对设置的一面均蒸镀有高反射膜系。
具体包括如下步骤：
如图1所示，在两片玻璃基片1上分别镀一组高反射膜系2，高反射膜系2的结构为(HL)3H，高反射膜系2由高折射率材料和低折射率材料周期排布而成。高折射率材料为硫化锌，低折射率材料为氟化镁。高反峰值波长；
两片玻璃基片1的高反射膜系2平行相对，用弹性膜粘3连接两片玻璃基片1的下侧边缘，两片玻璃基片1的上侧留空，作为注入口。使两片玻璃基片1的中间形成厚度可调节的空气夹层。
如图2所示，将其中一片玻璃基片1用支架固定于导轨上，另一片玻璃基片1用支架固定于导轨上的拖板9。
将少量待测液体通过注入口注入空气夹层，形成以待测液体为介质的多层介质膜干涉滤光片10。
将连续光谱光源4经平行光管5准直，垂直入射干涉滤光片10。
通过光谱仪6检测穿过干涉滤光片10的透射光，光谱仪6连接计算机7，计算机7监视器显示透射光的光谱分布，若干不连续的窄带尖峰，即中心波长分布。
根据干涉滤光片原理，透射中心波长满足
     (1)
其中， n为待测液体的折射率， h为待测液体层厚度， m为干涉级次。若λ为确定值，则 h与 m成正比，显然有：
      (2)
其中，为待测液体层厚度变化，为干涉级次变化。
单向调节导轨旋钮8，拖板上的玻璃基片产生微小位移，从而改变两片玻璃基片之间的距离，即干涉滤光片液体层厚度，由（1）式可知，对应的中心波长发生偏移。使此时的中心波长对准，为对准波长，光谱如图3所示。记录此时导轨的初始位置读数；
继续单向调节导轨旋钮8，使连续49个中心波长移过，让第50个中心波长对准，光谱如图4所示。显然，对准波长对应的干涉级次变化：
记录此时导轨位置读数，过程中液体厚度的变化：
将，，的值带入（4）式可得待测液体得折射率
本发明还公开了一种基于干涉滤光片的液体折射率测量装置，包括导轨；所述导轨依次设置有光谱光源、平行光管、两片玻璃基片和光谱仪；所述光谱光源、平行光管、两片玻璃基片和光谱仪在同一轴线上；所述两片玻璃基片相对设置；两片玻璃基片相对设置的一面均蒸镀有高反射膜系。
本发明技术成熟，测量使用现有成熟设备，可靠性高，测量值少，但精度高。本方法只测量始末导轨位置，以及干涉级次得变化。干涉级次变化的计数无测量误差，始末导轨位置测量的精度由导轨的机械装置精度确定，常见精密导轨分辨率可到，精度足够。选择多层介质膜反射峰值波长为对准波长，可有效降低干涉滤光片透射中心波长半宽度，使不同干涉级次中心波长区分明显，波长对准更加精确。为了进一步提高测量精度，可以尽量提高的值，即让更多的中心波长经过对准波长，提高的值，减小测量误差。空气夹层容量小，只需少量样品，即能满足测量要求。本发明不仅可以测量液体折射率，还可测量微小厚度变化，应用具有很强扩展性。
本发明中未做特别说明的均为现有技术或者通过现有技术即可实现，而且本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (5)

1.一种基于干涉滤光片的液体折射率测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
将待测液体注入两片玻璃基片之间的空气夹层；
将连续光谱光源垂直入射待测液体；
检测穿过待测液体的透射光，获取透射光的中心波长分布；
调节两片玻璃基片之间的距离，使两个不同的中心波长移至对准波长，获取不同中心波长对应的位置读数；
根据不同的位置读数和多层介质膜干涉滤光片原理推导公式计算得到待测液体的折射率；
两片玻璃基片相对设置的一面均蒸镀有高反射膜系；
所述多层介质膜干涉滤光片原理推导公式为：
其中，n为折射率；x1、x2分别为两个不同的中心波长对应的位置读数；λ0为对准波长；Δm为对准波长对应的干涉级次变化。
2.根据权利要求1所述的一种基于干涉滤光片的液体折射率测量方法，其特征在于：两片玻璃基片的底部通过弹性膜粘连接，使两片玻璃基片的中间形成空气夹层。
3.一种如权利要求1-2任一项所述基于干涉滤光片的液体折射率测量方法采用的测量装置，其特征在于：包括导轨；所述导轨依次设置有光谱光源、平行光管、两片玻璃基片和光谱仪；所述光谱光源、平行光管、两片玻璃基片和光谱仪在同一轴线上；所述两片玻璃基片相对设置；两片玻璃基片相对设置的一面均蒸镀有高反射膜系。
4.根据权利要求2所述的一种基于干涉滤光片的液体折射率测量装置，其特征在于：靠近平行光管一侧的所述玻璃基片安装在导轨上；靠近光谱仪一侧的所述玻璃基片通过拖板安装在导轨上。
5.根据权利要求2所述的一种基于干涉滤光片的液体折射率测量装置，其特征在于：所述高反射膜系结构为(HL)3H。
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