CN113267469A - 一种透明液体折射率的测量方法和系统 - Google Patents

一种透明液体折射率的测量方法和系统 Download PDF

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CN113267469A CN202110501785.0A CN202110501785A CN113267469A CN 113267469 A CN113267469 A CN 113267469A CN 202110501785 A CN202110501785 A CN 202110501785A CN 113267469 A CN113267469 A CN 113267469A
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Abstract

本发明公开了一种透明液体折射率的测量方法和系统。首先将透明槽置于光速测定仪的远程光路上；调节远程光路，使近程光与远程光的波形重合；在透明槽内注入待测液体；调节移动光速测定仪上远程光路上可移动全反射棱镜，使远程光波再次与近程光波重合，得出光程差，然后计算待测液体的折射率。或者不移动光速测定仪上远程光路上可移动全反射棱镜，通过测量远程光的偏移距离，光速测定仪中超声波信号的频率、单个波形的长度；计算近程光和远程光的相位差以及光程差对应的相位差；再计算待测透明液体的折射率。本发明通过改进光速测定仪的光路，达到测量透明液体折射率的目的，本发明操作简单、测量误差小。

Description

一种透明液体折射率的测量方法和系统
技术领域
本发明涉及光学测量领域，更具体的，涉及一种透明液体折射率的测量方法和系统。
背景技术
折射率是光学介质的一个重要的物理参数，反映了物质的光学基本性质，与介质本身的性质息息相关。在外界条件一定而折射率发生变化时，快速、准确的测量透明介质的折射率有助于有效的发挥这些介质的作用。现如今，测量透明介质折射率的方法和仪器很多，通常采用的是分光计法，但分光计的调整过于复杂，也因操作不便，在实验结果中往往产生较大的操作引起的较大误差。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种透明液体折射率的测量方法和系统，能够减小透明液体折射率测量的误差，从而提高透明液体折射率测量的准确性。
本发明第一方面提供了一种透明液体折射率的测量方法，包括以下步骤：
将透明槽放置在光速测定仪的远程光路上；
调节远程光路，使近程光与远程光的波形重合；
在透明槽内注入待测液体；
测量远程光的偏移距离，光速测定仪中超声波信号的频率、单个波形的长度；
计算近程光和远程光的相位差，以及光程差对应的相位差；
根据近程光和远程光的相位差和光程差对应的相位差相等，计算待测透明液体的折射率。
本方案中，所述近程光和远程光的相位差
Figure BDA0003056671600000021
的计算公式为：
Figure BDA0003056671600000022
其中，r0为单个波形长度，r为远程光波形的偏移距离。
本方案中，所述光程差对应的相位差的计算公式为：
Figure BDA0003056671600000023
其中，Δx为光程差，Λ为光拍波长，d为透明槽内壁沿光路方向的长度，n为待测透明液体的折射率。
本方案中，所述光程差对应的相位差的计算公式为：
Figure BDA0003056671600000024
其中，c为光速，F为超声波信号频率。
本发明第二方面还提供了一种透明液体折射率的测量方法，包括以下步骤：
将透明槽放置在光速测定仪的远程光路上；
调节远程光路，使近程光与远程光的波形重合；
在透明槽内注入待测液体；
移动光速测定仪上远程光路上可移动全反射棱镜，使远程光波再次与近程光波重合，可移动全反射棱镜平移距离的两倍即为光程差，然后根据光程差计算待测液体的折射率。
本方案中，待测液体的折射率的计算具体为：
Figure BDA0003056671600000025
其中，Δx为光程差，d为透明槽内壁沿光路方向的长度。
本发明第三方面还提供一种基于光拍法测量透明液体折射率的系统，所述系统包括光速测定仪、示波器、数字频率计、透明槽、处理器；
所述透明槽设置于光速测定仪的远程光路上，用来装待测液体；
示波器用来测量光速测定仪中声光信号的波形；
数字频率计用来测量光速测定仪中声光信号的频率；
所述处理器用来计算程光和远程光的相位差、计算光程差对应的相位差、以及计算待测透明液体的折射率；
或者，用来根据光程差计算待测液体的折射率。
本方案中，所述透明槽为玻璃槽。
本方案中，所述光速测定仪为CG-Ⅲ型光速测定仪或CG-V型光速测定仪；所述示波器为ST-16型示波器。
本发明公开了一种透明液体折射率的测量方法和系统。首先将透明槽放置在光速测定仪的远程光路上；调节远程光路，使近程光与远程光的波形重合；在透明槽内注入待测液体；通过调节移动光速测定仪上远程光路上可移动全反射棱镜，使远程光波再次与近程光波重合，得出光程差，然后根据光程差计算待测液体的折射率。或者不移动光速测定仪上远程光路上可移动全反射棱镜，通过测量远程光的偏移距离，光速测定仪中超声波信号的频率、单个波形的长度；计算近程光和远程光的相位差，以及光程差对应的相位差；再根据近程光和远程光的相位差和光程差对应的相位差相等，计算待测透明液体的折射率。本发明通过改进光速测定仪的光路，达到测量透明液体折射率的目的，本发明操作简单、测量误差小。
附图说明
图1示出了实施例1所示一种透明液体折射率的测量方法流程图；
图2示出了CG-V型光速测定仪光路示意图。
图3示出了拍频波场在某一时刻t的空间分布图。
图4示出了拍频波场形成的光电流空间分布图。
图5示出了示波器图像原理图。
图6示出了示波器显示的波形相位差示意图。
图7示出了本发明一种透明液体折射率的测量方法流程图。
图8示出了本发明一种基于光拍法测量透明液体折射率的系统框图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1：
图1示出了本申请一种透明液体折射率的测量方法流程图。
如图1所示，本申请公开了一种透明液体折射率的测量方法，包括以下步骤：
S102：将透明槽放置在光速测定仪的远程光路上；
S104：调节远程光路，使近程光与远程光的波形重合；
S106：在透明槽内注入待测液体；
S108：测量远程光的偏移距离，光速测定仪中超声波信号的频率、单个波形的长度；
S110：计算近程光和远程光的相位差，以及光程差对应的相位差；
S112：根据近程光和远程光的相位差和光程差对应的相位差相等，计算待测透明液体的折射率。
需要说明的是，光拍的形成：根据振动叠加原理，频差较小，速度相同的两列同向传播的简谐波叠加即形成拍。若有振幅相同为E0、圆频率分别为ω1和ω2的二光束，则：
E1＝E0COS(ω1t-k1x+φ1)
若这两列光波的偏振方向相同，则叠加后的总场为：
Figure BDA0003056671600000051
E的振幅是时间和空间的函数，以频率Δf周期性地变化，称这种低频的行波为光拍频波，简称拍频。
需要说明的是，所述透明槽为玻璃槽，所述玻璃槽用来装待测液体，本实施例所述透明槽为玻璃槽，但不局限于玻璃槽，例如透明塑料槽、透明树脂槽等可以实现光线投射的槽皆在本发明保护范围内。
需要说明的是，所述光速测定仪为CG-Ⅲ型光速测定仪或CG-V型光速测定仪。
其中，本实施例所采用的是CG-V型光速测定仪，如图2所示，所述CG-V型光速测定仪包括he-he激光器1、声光转换器2、光栏3、第一全反射镜4、第一半透镜5、斩光器6、第一全反镜7、第二全反镜7、第三全反镜8、第一可移动滑块9、第二可移动滑块10、全反棱镜11、第二半透镜12、光电接收盒13。
he-he激光器1发出激光，经声光转换器2和光栏3后投射至第一全反镜4，第一全反镜4改变激光的光路，使得光线垂直传播，然后经第一半透镜5和斩光器6后分成近程光和远程光，近程光直接通过第二半透镜12后被光电接收盒13所接受；远程光首先通过第二全反镜7和第三全反镜8的配合，使得缩短远程光传播的空间距离，若以第一半透镜5至第一全反镜7之间的光线为a，第一全反镜7和第二全反镜7之间的光线为b，第三全反镜8反射后的光线为c，则a与c平行；第一可移动滑块9和第二可移动滑块10均为全反棱镜，即光线c经第一可移动滑块9之后反射出与其平行且相反的光线d，光线d经全反棱镜11之后反射出于光线d平行且反向的光线e，光线e经第二可移动滑块10后反射出与其平行且反向的光线f，光线f经第二半透镜12之后被光电接收盒13所接收。其中，光线c、光线d,光线e,光线f相互平行。
S102所述将透明槽放置在光速测定仪的远程光路上；即将透明槽放置于光线f上。
其中，发射部分具体为：长250mm的氦氖激光管输出激光的波长为632.8nm，功率大于1mw的激光束射入声光移频器中，同时高频信号源输出的频率为15MHZ左右、功率1w左右的正弦信号加在频移器的晶体换能器上，在声光介质中产生声驻波，使介质产生相应的疏密变化，形成一位相光栅，则出射光具有两种以上的光频，其产生的光拍信号为高频信号的倍频。
光电接收部分由光路系统出射的拍频光，经光电二极管接收并转化为频率为光拍频的电信号，输入至混频电路盒。该信号与本机振荡信号混频，选频放大，输出到ST-16示波器的Y输入端。与此同时，高频信号源的另一路输出信号与经过二分频后的本振信号混频。选频放大后作为ST-16示波器的外触发信号。需要指出的是，如果使用示波器内触发，将不能正确显示二路光波之间的位相差。
根据本发明实施例，所述近程光和远程光的相位差
Figure BDA0003056671600000061
的计算公式为：
Figure BDA0003056671600000071
其中，r0为单个波形长度，r为远程光波形的偏移距离。
波形相位差示意图中单个波形长度r0和远程光波形的偏移距离r的具体关系如图6所示。
根据本发明实施例，，所述光程差对应的相位差的计算公式为：
Figure BDA0003056671600000072
其中，Δx为光程差，Λ为光拍波长，d为透明槽内壁沿光路方向的长度，n为待测透明液体的折射率。
需要说明的是，光拍波长的求解可以根据光速公式进行求解，在光速测定仪中，用光电探测器接收光的拍频波，探测器光敏面上光照反应所产生的光电流与光强(即电场强度的平方)成正比。
如图3和图4所示
Figure BDA0003056671600000073
因为振幅以频率为Δf＝Δω/4π周期性的变化，所以E被称为拍频波，Δf称为拍频。如果将光拍信号一分为二，分为近程光和远程光两部分，如图5所示
近程光光程为①，远程光光程为②，光程差为ΔL，位相差为ΔΨ，根据上式应有
Figure BDA0003056671600000074
Figure BDA0003056671600000075
光拍频波通过不同的光程后入射同一光电探测器，则该探测器所输出的两个光拍信号的位相差与两路光的光程差之间的关系仍由上式确定。当Δψ＝2π时，ΔL＝Λ，即光程差恰为光拍波长，此时上式简化为
c＝Δf·Λ
故Λ＝Δf/c
根据本发明实施例，所述光程差对应的相位差的计算公式为：
Figure BDA0003056671600000081
其中，c为光速，F为超声波信号频率。
实施例2：
图7示出了本发明另一种透明液体折射率的测量方法的流程。
如图7所示，本申请公开了一种基于大数据分析的健康警示方法，包括以下步骤：
步骤702：将透明槽放置在光速测定仪的远程光路上；
步骤704：调节远程光路，使近程光与远程光的波形重合；
步骤706：在透明槽内注入待测液体；
步骤708：移动光速测定仪上远程光路上可移动全反射棱镜，使远程光波再次与近程光波重合，可移动全反射棱镜平移距离的两倍即为光程差；
步骤710：根据光程差计算待测液体的折射率。
根据本发明实施例，待测液体的折射率的计算具体为：
Figure BDA0003056671600000082
其中，Δx为光程差，d为透明槽内壁沿光路方向的长度。
需要说明的是，光拍的形成：根据振动叠加原理，频差较小，速度相同的两列同向传播的简谐波叠加即形成拍。若有振幅相同为E0、圆频率分别为ω1和ω2的二光束，则：
E1＝EOCOS(ω1t-k1x+φ1)
若这两列光波的偏振方向相同，则叠加后的总场为：
Figure BDA0003056671600000091
E的振幅是时间和空间的函数，以频率Δf周期性地变化，称这种低频的行波为光拍频波，简称拍频。
需要说明的是，所述透明槽为玻璃槽，所述玻璃槽用来装待测液体，本实施例所述透明槽为玻璃槽，但不局限于玻璃槽，例如透明塑料槽、透明树脂槽等可以实现光线投射的槽皆在本发明保护范围内。
需要说明的是，所述光速测定仪为CG-Ⅲ型光速测定仪或CG-V型光速测定仪。
其中，本实施例所采用的是CG-V型光速测定仪，所述CG-V型光速测定仪包括he-he激光器1、声光转换器2、光栏3、第一全反射镜4、第一半透镜5、斩光器6、、第二全反镜7、第三全反镜8、第一可移动滑块9、第二可移动滑块10、全反棱镜11、第二半透镜12、光电接收盒13。
he-he激光器1发出激光，经声光转换器2和光栏3后投射至第一全反镜4，第一全反镜4改变激光的光路，使得光线垂直传播，然后经第一半透镜5和斩光器6后分成近程光和远程光，近程光直接通过第二半透镜12后被光电接收盒13所接受；远程光首先通过第二全反镜7和第三全反镜8的配合，使得缩短远程光传播的空间距离，若以第一半透镜5至第一全反镜7之间的光线为a，第一全反镜7和第二全反镜7之间的光线为b，第三全反镜8反射后的光线为c，则a与c平行；第一可移动滑块9和第二可移动滑块10均为全反棱镜，即光线c经第一可移动滑块9之后反射出与其平行且相反的光线d，光线d经全反棱镜11之后反射出于光线d平行且反向的光线e，光线e经第二可移动滑块10后反射出与其平行且反向的光线f，光线f经第二半透镜12之后被光电接收盒13所接收。其中，光线c、光线d,光线e,光线f相互平行。
S702所述将透明槽放置在光速测定仪的远程光路上；即将透明槽放置于光线f上。
其中，发射部分具体为：长250mm的氦氖激光管输出激光的波长为632.8nm，功率大于1mw的激光束射入声光移频器中，同时高频信号源输出的频率为15MHZ左右、功率1w左右的正弦信号加在频移器的晶体换能器上，在声光介质中产生声驻波，使介质产生相应的疏密变化，形成一位相光栅，则出射光具有两种以上的光频，其产生的光拍信号为高频信号的倍频。
光电接收部分由光路系统出射的拍频光，经光电二极管接收并转化为频率为光拍频的电信号，输入至混频电路盒。该信号与本机振荡信号混频，选频放大，输出到ST-16示波器的Y输入端。与此同时，高频信号源的另一路输出信号与经过二分频后的本振信号混频。选频放大后作为ST-16示波器的外触发信号。需要指出的是，如果使用示波器内触发，将不能正确显示二路光波之间的位相差。
实施例3：
图8示出了本发明另一种基于光拍法测量透明液体折射率的系统的示框图。
如图8所示，本申请公开了一种基于光拍法测量透明液体折射率的系统，所述系统包括光速测定仪801、示波器802、数字频率计803、透明槽804、处理器805；
所述透明槽804设置于光速测定仪801的远程光路上，用来装待测液体；
示波器802用来测量光速测定仪801中声光信号的波形；
数字频率计803用来测量光速测定仪中声光信号的频率；
所述处理器805用来计算程光和远程光的相位差、计算光程差对应的相位差、以及计算待测透明液体的折射率；
或者，用来根据光程差计算待测液体的折射率。
根据本发明实施例，所述透明槽804为玻璃槽。
根据本发明实施例，所述光速测定仪801为CG-Ⅲ型光速测定仪或CG-V型光速测定仪；所述示波器为ST-16型示波器。
需要说明的是，本实施例所述光速测定仪801采用的是CG-V型光速测定仪，所述CG-V型光速测定仪包括he-he激光器1、声光转换器2、光栏3、第一全反射镜4、第一半透镜5、斩光器6、第一全反镜7、第二全反镜7、第三全反镜8、第一可移动滑块9、第二可移动滑块10、全反棱镜11、第二半透镜12、光电接收盒13。
he-he激光器1发出激光，经声光转换器2和光栏3后投射至第一全反镜4，第一全反镜4改变激光的光路，使得光线垂直传播，然后经第一半透镜5和斩光器6后分成近程光和远程光，近程光直接通过第二半透镜12后被光电接收盒13所接受；远程光首先通过第二全反镜7和第三全反镜8的配合，使得缩短远程光传播的空间距离，若以第一半透镜5至第一全反镜7之间的光线为a，第一全反镜7和第二全反镜7之间的光线为b，第三全反镜8反射后的光线为c，则a与c平行；第一可移动滑块9和第二可移动滑块10均为全反棱镜，即光线c经第一可移动滑块9之后反射出与其平行且相反的光线d，光线d经全反棱镜11之后反射出于光线d平行且反向的光线e，光线e经第二可移动滑块10后反射出与其平行且反向的光线f，光线f经第二半透镜12之后被光电接收盒13所接收。其中，光线c、光线d,光线e,光线f相互平行。
其中，发射部分具体为：长250mm的氦氖激光管输出激光的波长为632.8nm，功率大于1mw的激光束射入声光移频器中，同时高频信号源输出的频率为15MHZ左右、功率1w左右的正弦信号加在频移器的晶体换能器上，在声光介质中产生声驻波，使介质产生相应的疏密变化，形成一位相光栅，则出射光具有两种以上的光频，其产生的光拍信号为高频信号的倍频。
光电接收部分由光路系统出射的拍频光，经光电二极管接收并转化为频率为光拍频的电信号，输入至混频电路盒。该信号与本机振荡信号混频，选频放大，输出到ST-16示波器的Y输入端。与此同时，高频信号源的另一路输出信号与经过二分频后的本振信号混频。选频放大后作为ST-16示波器的外触发信号。需要指出的是，如果使用示波器内触发，将不能正确显示二路光波之间的位相差。
本发明公开了一种透明液体折射率的测量方法和系统，过将透明槽放置在光速测定仪的远程光路上；调节远程光路，使近程光与远程光的波形重合；在透明槽内注入待测液体；通过调节移动光速测定仪上远程光路上可移动全反射棱镜，使远程光波再次与近程光波重合，得出光程差，然后根据光程差计算待测液体的折射率。或者不移动光速测定仪上远程光路上可移动全反射棱镜，通过测量远程光的偏移距离，光速测定仪中超声波信号的频率、单个波形的长度；计算近程光和远程光的相位差，以及光程差对应的相位差；再根据近程光和远程光的相位差和光程差对应的相位差相等，计算待测透明液体的折射率。本发明通过改进光速测定仪的光路，达到测量透明液体折射率的目的，本发明操作简单、测量误差小。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

Claims (10)

1.一种透明液体折射率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
将透明槽放置在光速测定仪的远程光路上；
调节远程光路，使近程光与远程光的波形重合；
在透明槽内注入待测液体；
测量远程光的偏移距离，光速测定仪中超声波信号的频率、单个波形的长度；
计算近程光和远程光的相位差，以及光程差对应的相位差；
根据近程光和远程光的相位差和光程差对应的相位差相等，计算待测透明液体的折射率。
2.根据所述权利要求1所述一种透明液体折射率的测量方法，其特征在于，所述近程光和远程光的相位差
Figure FDA0003056671590000011
的计算公式为：
Figure FDA0003056671590000012
其中，r0为单个波形长度，r为远程光波形的偏移距离。
3.根据所述权利要求2所述一种透明液体折射率的测量方法，其特征在于，所述光程差对应的相位差的计算公式为：
Figure FDA0003056671590000013
其中，Δx为光程差，Λ为光拍波长，d为透明槽内壁沿光路方向的长度，n为待测透明液体的折射率。
4.根据所述权利要求3所述一种透明液体折射率的测量方法，其特征在于，所述光程差对应的相位差的计算公式为：
Figure FDA0003056671590000014
其中，c为光速，F为超声波信号频率。
5.一种透明液体折射率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
将透明槽放置在光速测定仪的远程光路上；
调节远程光路，使近程光与远程光的波形重合；
在透明槽内注入待测液体；
移动光速测定仪上远程光路上可移动全反射棱镜，使远程光波再次与近程光波重合，可移动全反射棱镜平移距离的两倍即为光程差，然后根据光程差计算待测液体的折射率。
6.根据权利要求5所述一种透明液体折射率的测量方法，其特征在于，待测液体的折射率的计算具体为：
Figure FDA0003056671590000021
其中，Δx为光程差，d为透明槽内壁沿光路方向的长度。
7.一种基于光拍法测量透明液体折射率的系统，其特征在于，所述系统包括光速测定仪、示波器、数字频率计、透明槽、处理器；
所述透明槽设置于光速测定仪的远程光路上，用来装待测液体；
示波器用来测量光速测定仪中声光信号的波形；
数字频率计用来测量光速测定仪中声光信号的频率；
所述处理器用来计算程光和远程光的相位差、计算光程差对应的相位差、以及计算待测透明液体的折射率；
或者，用来根据光程差计算待测液体的折射率。
8.根据权利要求7所述一种基于光拍法测量透明液体折射率的系统，其特征在于，所述透明槽为玻璃槽。
9.根据权利要求7或8所述一种基于光拍法测量透明液体折射率的系统，其特征在于，所述光速测定仪为CG-Ⅲ型光速测定仪或CG-V型光速测定仪。
10.根据权利要求9所述一种基于光拍法测量透明液体折射率的系统，其特征在于，所述示波器为ST-16型示波器。
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