一种适用于透明液体折射率测量的方法技术

本发明专利技术提供了一种适用于透明液体折射率测量的方法，其采用一系列对应的入射角θ和待测液体干涉条纹变化数N进行拟合，根据拟合结果计算待测液体的折射率，可有效解决小入射角情况下实验数据波动幅度大的问题，提高了实验测量精度，同时两次旋转实验本体即可完成数据采集，减少了实验强度，同时，本发明专利技术的方法不需要高平整度的视窗玻璃，不要求精确已知两视窗玻璃的距离，对两视窗玻璃间的平行度要求低。

A method for measuring the refractive index of transparent liquid

The invention provides a method for measuring the refractive index of transparent liquid, which uses a series of corresponding to the incident angle and the measured liquid interference fringes N fitting, according to the results of fitting the measured liquid refraction rate calculation, which can effectively solve the problem of low angle case experimental data fluctuation problem to increase the measuring accuracy, while two rotation experiments can be completed ontology data acquisition, reduce the strength, at the same time, the method of the invention does not require Gaoping the flatness of the window glass, window glass two does not require the accurate known distance of parallelism between the low requirements of the two window glass.

【技术实现步骤摘要】
一种适用于透明液体折射率测量的方法
本专利技术属于物质折射率测量
，涉及一种适用于透明液体折射率测量的方法。
技术介绍
折射率为透明物质的光学性质。光在真空中的传播速度与光在透明物质中的传播速度之比，称之为该物质的折射率。液体折射率可用于探究纯质液体的分子结构以及混合溶液中不同分子间的相互作用。就流体热物理性质研究领域而言，折射率可用于纯质液体或混合溶液的密度预测和理论推算。在工程热物理学科的实践领域中，折射率的温度系数反映了燃料的性能，如均质压燃、预混合压燃等，将柴油的折射率可用于检验柴油的质量。液体折射率数据在科学研究和工程实践中的诸多领域均有应用。液相折射率的测量方法种类众多，大体可分为两类方法：几何光学法和波动光学法。几何光学法是根据基本几何光学原理，如折射、全反射等来测量折射率。经典的液体折射率几何光学测量方法有最小偏转法、全反射法(Abbe折射计的测量原理)和V棱镜法等；波动光学法是利用光的波动性质进行折射率测量。经典的折射率光干涉测量方法有Mach-Zehnder干涉法、Michelson干涉法、Jamin干涉法、反射光栅干涉法、毛细管干涉法等。相比于几何光学法，光干涉法所需元件少、光路系统调试相对简单。同时，光干涉法对折射率的测量具有空间分辨能力，可以测量待测样品在整个探测区域的折射率分布。在流体热物理性质研究领域中，探究折射率随温度和压力变化规律是必不可少的。然而，几何光学法中装填待测液体的实验本体一般就是测量系统中的棱镜，不同温度和压力下棱镜折射率和形状的细微变化会影响实验测量，而在光干涉法折射率的测量系统中，实验本体往往和干涉光路是相互独立互不影响的，可以更方便地在实验系统中可以加入温度和压力控制装置，以实现不同温度和压力下折射率测量。此外，随着高稳定性激光器以及CCD传感器的快速发展，光干涉法测量折射率的精度也越来越高。经过多年的发展，光干涉法在液体折射率的测量上表现了很好的适用性。波动光学法测量液体的折射率的一种典型设备如图2所示，包括干涉光路、实验单元和检测分析单元，其中，实验单元具有透光的实验本体9、精密电控转台10和温度压力测控系统，实验本体9内能填充待测液体；温度压力测控系统用于加入并控制待测量液体的温度和压力；干涉光路具有从同一光束分出的参考光和探测光，其中，探测光透射实验本体9后与参考光干涉形成干涉图像，干涉图像被检测分析单元检测和分析；精密电控转台10承载实验本体9，用于控制探测光透射实验本体9的入射角并将入射角信号传输给检测分析单元。然而，现有的液体折射率光干涉测量方法也存在一些问题：(1)小入射角测量中，折射率测量不确定度较大，测量结果波动显著，精度较低；大入射角测量中，测量精度有所提升，然而对实验本体结构设计和干涉光路布置的要求较高。(2)光干涉法中的干涉条纹变化由两部分组成，分别由待测液体样本和实验本体的视窗玻璃引起，需要将本体视窗引起的附加干涉条纹消除。目前多采用直接法对其进行消除。然而视窗玻璃多采用组分复杂的石英玻璃，无法得到其折射率随温度、入射光波长变化的完整、准确的参考数据。往往需要事先测量本体视窗玻璃在各个实验温度和波长条件下的折射率，显著增大了实验强度；消除本体视窗引起的附加干涉条纹的另一种方法是间接法，即在相同的实验条件下，构造一个包含由两部分空腔的实验本体，一部分装满待测液体，另一部分不填充。分别记录两部分产生的干涉条纹变化数并相减即可得到待测液体产生的干涉条纹变化数。这种方法的弊端在于难以保证两部分本体视窗玻璃的组分、结构尺寸或所处测量环境完全一致，从而引起实验偏差。(3)光干涉法需要确定激光垂直入射实验本体视窗的位置，这是减小旋转角度测量偏差，提高折射率测量精度的关键。然而，现有的方法中多采用人眼观察的确定方式，精度很低。相关文献中也曾报道过可以采用光电传感器进行判别，这种方法判断精度有所提升，但其装置和操作较为复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适用于透明液体折射率测量的方法，其能够解决小入射角情况下实验数据波动幅度大的问题，提高了实验测量精度。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种适用于透明液体折射率测量的方法，包括步骤：1)实验本体内抽真空，通入干涉光路，设定实验温度；2)转动实验本体并进而改变探测光的入射角；实时采集并记录实验本体旋转对应的入射角和对应的干涉图像；3)向实验本体内填充待测量液体至实验压力，转动实验本体并进而改变探测光的入射角；实时采集并记录实验本体旋转对应的入射角和对应的干涉图像；4)将步骤2)和3)的数据拟合为如下公式的形式：其中，n为待测量液体的折射率，N为入射角由0至θ过程中干涉图像的条纹变化数，λ为入射激光波长，d为待测样本厚度，θ为入射角；其中，N＝NTotal–NCell；NTotal为实验本体内填充待测量液体时，入射角由0至θ过程中干涉图像的条纹变化数；NCell为实验本体内真空时，入射角由0至θ过程中干涉图像的条纹变化数；5)根据拟合结果，计算待测量液体的折射率n。优选地，在步骤2)和步骤3)中，实时采集并记录实验本体旋转对应的入射角和对应的干涉图像后，均对入射角进行修正；对入射角进行修正的步骤包括：2-1)确定入射角样本范围为(-A，B)；其中，A选自0.1°～10°；B选自0.1°～10°；2-2)调取入射角样本范围中的入射角和对应的干涉图像；2-3)从步骤2-2)所选择的干涉图像中选择任意区域采样，并计算该采样区域的光强；每个干涉图像的采样区域一致；2-4)计算采样区域光强随入射角变化的曲线；该曲线的对称轴为修正后入射角为0°的位置；2-5)计算入射角与修正后入射角的偏差，并对所有入射角进行修正；修正后的入射角及对应的干涉图像用于步骤4)。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术提供的一种适用于透明液体折射率测量的方法，其采用一系列对应的入射角θ和待测液体干涉条纹变化数N进行拟合，根据拟合结果计算待测液体的折射率，可有效解决小入射角情况下实验数据波动幅度大的问题，提高了实验测量精度，同时两次旋转实验本体即可完成数据采集，减少了实验强度，同时，本专利技术的方法不需要高平整度的视窗玻璃，不要求精确已知两视窗玻璃的距离，对两视窗玻璃间的平行度要求低。进一步地，建立一种新的干涉图像处理方法，无需增加其他设备和操作，只通过对干涉图像处理就可以获取激光垂直入射实验本体视窗的位置，避免了传统方法中通过调节光路和实验本体的手段且通过人为判断该位置而引入的测量偏差，进一步提高测量精度。附图说明图1为探测光透射待测液体光程变化示意图。其中，1是待测液体，虚线部分表示待测液体的起始位置，2是探测光入射角θ，3是探测光折射角θ'，AB之间的距离为待测样本厚度。图2为本专利技术提供的一种适用于测量液体折射率的装置结构示意图。图3为本专利技术提供的实验单元结构示意图。图4为本专利技术提供的实验本体结构示意图。图5为本专利技术提供的实验本体结构刨面图。图6是实验数据拟合图像。图中实验数据以丙酮为待测液体，实验条件为标准大气压，293.15K。其中，1是待测液体，2是探测光入射角θ，3是探测光折射角θ'，5是激光器，6是激光扩束镜，7是分光棱镜，8是平面镜，9是实验本体，10是精密电控转台，11是平面镜，12本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于透明液体折射率测量的方法，其特征在于，包括步骤：1)实验本体(9)内抽真空，通入干涉光路，设定实验温度；2)转动实验本体并进而改变探测光的入射角；实时采集并记录实验本体(9)旋转对应的入射角和对应的干涉图像；3)向实验本体(9)内填充待测量液体至实验压力，转动实验本体并进而改变探测光的入射角；实时采集并记录实验本体(9)旋转对应的入射角和对应的干涉图像；4)将步骤2)和3)的数据拟合为如下公式的形式：

【技术特征摘要】
1.一种适用于透明液体折射率测量的方法，其特征在于，包括步骤：1)实验本体(9)内抽真空，通入干涉光路，设定实验温度；2)转动实验本体并进而改变探测光的入射角；实时采集并记录实验本体(9)旋转对应的入射角和对应的干涉图像；3)向实验本体(9)内填充待测量液体至实验压力，转动实验本体并进而改变探测光的入射角；实时采集并记录实验本体(9)旋转对应的入射角和对应的干涉图像；4)将步骤2)和3)的数据拟合为如下公式的形式：其中，n为待测量液体的折射率，N为入射角由0至θ过程中干涉图像的条纹变化数，λ为入射激光波长，d为待测样本厚度，θ为入射角；其中，N＝NTotal–NCell；NTotal为实验本体(9)内填充待测量液体时，入射角由0至θ过程中干涉...

【专利技术属性】
技术研发人员：张颖，何茂刚，刘向阳，何欣欣，郑宇，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61