專利名稱：低透明度液體折射率測(cè)量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低透明度液體折射率的測(cè)量裝置與方法。
背景技術(shù)：
折射率是物質(zhì)的一個(gè)很重要的物理參數(shù)，物質(zhì)的一些性質(zhì)必須通過(guò)它來(lái)區(qū)分，因此折射率的測(cè)量在工業(yè)應(yīng)用和科學(xué)研究中極為重要。比如在腈綸廠和酒廠需要測(cè)量透明、半透明液體的折射率以及平均色散，在化肥廠要運(yùn)用折射率來(lái)測(cè)定土壤中的石油類、動(dòng)植物油及總含油量，還有在化妝品行業(yè)測(cè)定原料與產(chǎn)品的水分含量，以定性或定量地分析原料及半成品的含量等。
通常透明液體的折射率可用阿貝折射儀直接測(cè)量，對(duì)低透明液體則難以測(cè)量.已有的測(cè)量原油折射率的專利(ZH200420052820.7)雖然能夠測(cè)量低透明液體的折射率，但存在不足，如毛細(xì)管壁反射的光會(huì)被柱面透鏡再次反射而疊加在樣品的干涉圖樣上，從而導(dǎo)致干涉條紋對(duì)比度降低；另外由干涉條紋反演折射率的算法要求所有條紋都要清晰，但對(duì)于較低透明度的液體，只有干涉圖樣外側(cè)的幾條條紋是清晰的，中間的條紋往往是模糊的，這就給計(jì)算機(jī)圖像處理造成相當(dāng)大的困難，也使測(cè)量精度不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低透明度液體的折射率的測(cè)量裝置與方法，以彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足。
本發(fā)明是在已有專利的基礎(chǔ)上，對(duì)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，并采用了新的依據(jù)干射圖樣反演折射率的方法，該方法僅與干射圖樣最左與最右的兩條也是最清晰的兩條條紋有關(guān)，與中間的條紋是否清晰無(wú)關(guān)。
本發(fā)明包括激光器在內(nèi)的與殼體中的擴(kuò)束鏡，凸透鏡和柱面透鏡產(chǎn)生的條形光束的共軸光學(xué)系統(tǒng)、處在柱面透鏡焦平面上的毛細(xì)管及其后的半透明屏以及高精度CCD照相機(jī)和導(dǎo)線電連接的含有軟件程序的計(jì)算機(jī)，其特征在于它還包括至少為三維調(diào)節(jié)架上裝有的顯微物鏡、微孔，和置于毛細(xì)管前的光欄，該顯微物鏡的前焦點(diǎn)與微孔重合，微孔和凸透鏡的后焦點(diǎn)重合，毛細(xì)管豎直安放在五維精細(xì)調(diào)節(jié)架上，毛細(xì)管一半注有液體，另一半為空氣，且使條形光束照射在毛細(xì)管中間段上并分別形成清晰的干涉圖樣。
從已有的幾何光學(xué)得到待測(cè)液體的折射率公式為n=sin(b-c)sin(θ2-c)---(1)]]>
θ為干涉圖樣最左或最右條紋(也是最亮最清晰的兩條條紋)對(duì)應(yīng)光線相對(duì)于光軸的偏折角，通過(guò)測(cè)量此條條紋相對(duì)于光軸的距離EF/2及毛細(xì)管軸線到半透明屏的距離DC就可以確定這個(gè)角度。b為毛細(xì)管中空氣產(chǎn)生的條紋(僅有一條)相對(duì)于毛細(xì)管中心所成的角度，是一個(gè)很小的常數(shù)。通過(guò)測(cè)量空氣條紋的寬度AB及毛細(xì)管中心到半透明屏的距離就可以確定這個(gè)常數(shù)，b＝AB/2DC。c可以通過(guò)已知折射率的一組標(biāo)準(zhǔn)液體(折射率范圍為1.33-1.80)確定，測(cè)出每一標(biāo)準(zhǔn)液體干涉圖樣對(duì)應(yīng)的θ，建立標(biāo)準(zhǔn)液體的n與θ的標(biāo)準(zhǔn)曲線，同時(shí)通過(guò)最小二乘法可獲得c的值.對(duì)于未知折射率的低透明液體只要測(cè)出其干涉圖樣最左或最右干涉條紋所對(duì)應(yīng)的θ′，將b、c及θ′代入(1)式即可計(jì)算出折射率，或直接從標(biāo)準(zhǔn)曲線上讀出折射率。
本發(fā)明不僅能測(cè)量透明液體的折射率，也能夠測(cè)量低透明液體的折射率，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，易調(diào)節(jié)，精度高的特點(diǎn)。


圖1本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2確定常數(shù)b的示意圖.其中AB為空氣條紋的寬度，C為AB的中點(diǎn)，D為毛細(xì)管軸線與光軸的交點(diǎn)，CD為毛細(xì)管軸線到半透明屏的距離。
圖3標(biāo)準(zhǔn)液體的折射率n與最左或最右干涉條紋偏折角θ的標(biāo)準(zhǔn)曲線。
其中*為已知折射率的標(biāo)準(zhǔn)液體，□為未知折射率的液體。
圖4本發(fā)明的測(cè)量流程示意圖。
圖5用CCD照相機(jī)拍攝的柴油的干涉圖樣。
圖6干涉圖樣最左與最右條紋的細(xì)化示意圖。
其中，1激光器 2顯微物鏡 3微孔 4三維調(diào)節(jié)架 5凸透鏡 6柱面透鏡7毛細(xì)管 8光欄 9調(diào)節(jié)架 10液體 11半透明屏 12殼體 13 CCD照相機(jī)14計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施例方式
如圖1，本發(fā)明包括激光器1在內(nèi)的與殼體12中的擴(kuò)束鏡，凸透鏡5和柱面透鏡6產(chǎn)生的條形光束的共軸光學(xué)系統(tǒng)、處在柱面透鏡6焦平面上的毛細(xì)管7及其后的半透明屏11以及高精度CCD照相機(jī)13和導(dǎo)線相連的含有軟件程序的計(jì)算機(jī)14，其特征在于它還包括三維調(diào)節(jié)架4上裝有的顯微物鏡2、微孔3，和置于毛細(xì)管7前的光欄8，該顯微物鏡2的前焦點(diǎn)與微孔3重合，微孔3和凸透鏡5的后焦點(diǎn)重合，毛細(xì)管7豎直安放在五維精細(xì)調(diào)節(jié)架9上，毛細(xì)管7一半盛有液體10，另一半為空氣，且使條形光束照射在毛細(xì)管7中間段上并分別形成清晰的干涉圖樣。
上述顯微物鏡2的放大倍數(shù)為20倍，用于擴(kuò)展激光束，微孔3的孔徑為10-15微米放置在顯微物鏡的前焦點(diǎn)上，用于濾波，以便得到光強(qiáng)均勻分布的光斑，以在技術(shù)上保證干涉圖樣具有高的條紋可見(jiàn)度，顯微物鏡與微孔安放在一個(gè)三維精細(xì)調(diào)節(jié)架上，微孔相對(duì)于顯微物鏡的位置可在空間三個(gè)方向上可調(diào).凸透鏡的后焦點(diǎn)與微孔重合，擴(kuò)束后的激光束經(jīng)由凸透鏡變?yōu)槠叫泄?，平行光?jīng)由柱面透鏡聚焦變?yōu)闂l形光束.毛細(xì)管豎直地放置在五維毛細(xì)管支架上，并使毛細(xì)管的軸處于柱面透鏡的焦平面上.通常選用毛細(xì)管內(nèi)徑2-3mm，外徑3-4mm，長(zhǎng)10cm。
對(duì)于低透明度液體，由于毛細(xì)管較細(xì)，如內(nèi)徑2mm，透過(guò)毛細(xì)管的相干的兩光束的光強(qiáng)基本相等，因而即使光強(qiáng)較弱，條紋的對(duì)比度也會(huì)很好.考慮到毛細(xì)管管壁的反射光被柱面透鏡再次反射而疊加到半透明屏上，降低條紋的對(duì)比度，因而在毛細(xì)管前方設(shè)置一光欄8，以遮擋這部分反射光，從而提高條紋的對(duì)比度。
低透明度液體的折射率的測(cè)量方法①取已知折射率n的標(biāo)準(zhǔn)液體樣品，注入毛細(xì)管7中，使毛細(xì)管7一半盛有液體10，另一半為空氣，同時(shí)產(chǎn)生空氣與標(biāo)準(zhǔn)樣品的干涉圖樣于半透明屏11上；記錄毛細(xì)管軸線到半透明屏11的距離DC，以便在計(jì)算中使用；②用CCD照相機(jī)拍攝干涉圖樣(如圖5)，并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中；如果半透明屏周邊無(wú)坐標(biāo)刻度，可在拍攝完干涉圖樣后，在半透明屏后緊附一張坐標(biāo)紙，在不改變CCD照相機(jī)的位置及焦距的條件下，拍攝坐標(biāo)紙并將圖像存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中；③讀取坐標(biāo)圖像的每厘米的象素值，讀取空氣干涉條紋的寬度AB，計(jì)算出常數(shù)b＝tg(AB/2DC)(如圖2)，細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)液體干涉圖樣最左側(cè)與最右側(cè)的兩條干涉條紋(如圖6)，并讀取其間的距離EF，計(jì)算偏折角θ＝tg(EF/2DC)；以同樣的方法用至少9個(gè)折射率范圍在1.33-1.80的標(biāo)準(zhǔn)液體樣品，建立標(biāo)準(zhǔn)液體折射率n與偏折角θ的標(biāo)準(zhǔn)曲線(如圖3)，通過(guò)最小二乘法得到常數(shù)c；④再將未知折射率的低透明液體注入相同材質(zhì)與規(guī)格的毛細(xì)管中，用CCD照相機(jī)拍攝半透明屏上的干涉圖樣，以上述同樣的步驟得出未知折射率的液體的偏折角θ′，將b、c及θ′代入(1)式算出折射率，或與標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比即可讀取未知液體的折射率。
所述已知折射率n的標(biāo)準(zhǔn)液體可選用蒸餾水，丙酮，無(wú)水乙醇，冰乙酸，乳酸，乙二醇，三氯甲烷，四氯化碳，液體石蠟，丙三醇，二硫化碳及二硫化碳與無(wú)水乙醇的混合物，其折射率范圍在1.33-1.62之間，折射率n與偏折角θ的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖3所示.其中未知折射率樣品為車輛齒輪油和石腦油，實(shí)測(cè)偏折角θ′分別為0.2351，0.2031，由標(biāo)準(zhǔn)曲線可得折射率分別是1.4851和1.3904。
權(quán)利要求
1.一種低透明度液體的折射率的測(cè)量裝置，它包括激光器(1)在內(nèi)的與殼體(12)中的擴(kuò)束鏡、凸透鏡(5)和柱面透鏡(6)產(chǎn)生的條形光束的共軸光學(xué)系統(tǒng)、處在柱面透鏡(6)焦平面上的毛細(xì)管(7)及其后的半透明屏(11)以及高精度CCD照相機(jī)(13)和導(dǎo)線相連的含有軟件程序的計(jì)算機(jī)(14)，其特征是它還包括至少為三維調(diào)節(jié)架(4)上裝有的顯微物鏡(2)、微孔(3)，和置于毛細(xì)管(7)前的光欄(8)，該顯微物鏡(2)的前焦點(diǎn)與微孔(3)重合，微孔(3)和凸透鏡(5)的后焦點(diǎn)重合，毛細(xì)管(7)豎直安放在五維調(diào)節(jié)架(9)上，毛細(xì)管(7)一半注有液體(10)，另一半為空氣，且使條形光束照射在毛細(xì)管(7)中間段上并分別形成清晰的干涉圖樣。
2.如權(quán)利要求1所述的低透明度液體的折射率的測(cè)量裝置，其特征在于上述毛細(xì)管(7)內(nèi)徑為2-3mm，外徑為3-4mm，長(zhǎng)8-10cm。
3.如權(quán)利要求1所述的低透明度液體的折射率的測(cè)量裝置，其特征在于半透明屏(11)的周邊上有最小刻度為1mm坐標(biāo)刻度尺。
4.如權(quán)利要求1所述的低透明度液體的折射率的測(cè)量裝置，其特征在于上述激光器(1)是連續(xù)功率輸出的綠光或紅光激光器，激光器(1)的輸出功率大于40mW。
5.低透明度液體的折射率的測(cè)量方法①取已知折射率n的標(biāo)準(zhǔn)液體樣品，注入毛細(xì)管(7)中，同時(shí)產(chǎn)生空氣與標(biāo)準(zhǔn)樣品的干涉圖樣于半透明屏(11)上；記錄毛細(xì)管軸線到半透明屏的距離DC，以便在計(jì)算中使用；②用CCD照相機(jī)拍攝干涉圖樣及坐標(biāo)刻度尺，并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中；③讀取坐標(biāo)圖像的每厘米的象素值，讀取空氣干涉條紋的寬度AB，計(jì)算出常數(shù)b＝tg(AB/2DC)，細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)液體干涉圖樣最左側(cè)與最右側(cè)的兩條干涉條紋，并讀取其間的距離EF，計(jì)算偏折角θ＝tg(EF/2DC)；用上述步驟至少取9個(gè)折射率范圍在1.33-1.80的標(biāo)準(zhǔn)液體樣品，以建立標(biāo)準(zhǔn)液體折射率n與偏折角θ的標(biāo)準(zhǔn)曲線，并以最小二乘法確定常數(shù)c；④再將未知折射率的液體注入相同材質(zhì)與規(guī)格的毛細(xì)管中，用CCD照相機(jī)拍攝半透明屏上的干涉圖樣，以上述同樣的步驟得出未知折射率的液體的偏折角θ′，與前述標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比，即可讀取未知液體的折射率。
全文摘要
一種低透明度液體的折射率的測(cè)量裝置與方法。它包括激光器在內(nèi)的與殼體中的擴(kuò)束鏡，凸透鏡和柱面透鏡產(chǎn)生的條形光束的共軸光學(xué)系統(tǒng)、處在柱面透鏡焦平面上的毛細(xì)管及其后的半透明屏以及CCD照相機(jī)和導(dǎo)線相連的含有軟件程序的計(jì)算機(jī)，其特征在于它還包括至少為三維精細(xì)調(diào)節(jié)架上裝有的顯微物鏡與微孔，和置于毛細(xì)管前的光欄，該顯微物鏡的前焦點(diǎn)與微孔重合，微孔和凸透鏡的后焦點(diǎn)重合，毛細(xì)管豎直安放在五維精細(xì)調(diào)節(jié)架上，且使條形光束照射在毛細(xì)管中間段上。在方法上能夠使用已有折射率公式如上式。本發(fā)明不僅能測(cè)量透明液體折射率，也能夠測(cè)量低透明液體的折射率，而且裝置簡(jiǎn)單，成本低，易調(diào)節(jié)，精度高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/43GK101017138SQ200610069289
公開(kāi)日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2006年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月10日
發(fā)明者楊愛(ài)玲, 張金亮, 李文東, 鄧美寅 申請(qǐng)人:中國(guó)海洋大學(xué)