液体折射率CCD实时测量装置及其测量方法

摘要

一种液体折射率CCD实时测量装置，在暗盒内的下端设发光器件，暗合内发光器件上方暗盒上设具有通光孔的光阑，光阑的上表面设平板透射玻璃，平板透射玻璃上表面设下表面为光学面、上表面为毛化面的平板图像显示玻璃，暗盒的左侧设遮光盖，暗盒内的上端设通过电缆与计算机相连的CCD摄像头。采用该测量装置测量液体折射率的方法为：待测液体在平板透射玻璃与平板图像显示玻璃之间形成液膜，可见光穿过通光孔、透过平板透射玻璃、待测液体液膜在平板图像显示玻璃的毛化面上形成以入射光点为圆心的圆形暗斑；CCD摄像头将接收到的圆形暗斑图像转换成数字信号通过电缆输出到计算机，计算机计算待测液体的折射率。

说明书

技术领域

本发明属于利用光学手段，即利用红外光，可见光或紫外光来测试或分析材料技术领域，具体涉及到利用干涉量度法，利用纹影方法测试液体的折射率。

背景技术

液体折射率不仅是材料的一个重要光学参数，而且也是工农业生产和科学研究中一项重要的计量参数。目前，液体折射率的测量可分为几何光学法和波动光学法两大类。两类相比，各有特点。几何光学法仪器构成简单、操作方便、测量条件要求低，测量精度能满足要求，目前几何光学法测量折射率的应用更广泛。

光学测量仪器数字化是光学测量仪器发展的重要方向，阿贝折射仪作为几何光学法测量液体折射率的常用仪器，尽管目前已有“数字阿贝折射仪”，但结构复杂、操作繁复、成本很高、维修难度大，因此难以推广使用。

中国发明专利ZL200610069289.8《低透明度液体折射率测量装置和方法》公开了一种用CCD照相机与计算机结合，采集处理与液体折射率相关的光学图像，获得液体折射率的装置和方法。但装置系统结构复杂、调试难度大、测量环境条件要求高，特别是液体折射率的测量必须首先用标准样品建立相应的标准曲线，然后根据测量出的未知折射率的液体的偏折角θ′，与标准曲线对比，读取未知液体的折射率。显然其存在是测量过程复杂，人为测量误差大的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于克服上述液体折射率测量装置的不足，提供一种结构简单、操作方便、抗干扰能力强、待测液体用量少、测量精度较高的液体折射率CCD实时测量装置。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种使用液体折射率CCD实时测量装置测量液体折射率的方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在暗盒内的下端设置有发光器件，暗盒内发光器件上方暗盒上设置具有孔径为0.5～2mm通光孔a的光阑，通光孔a的中心线与发光器件所射出光束的中心线在同一条直线上，光阑的上表面设置有平板透射玻璃，平板透射玻璃上表面设置有下表面为光学面、上表面为毛化面的平板图像显示玻璃，暗盒的左侧加工有窗口，窗口上设置有遮光盖，暗盒内的上端设置有通过电缆与计算机相连的CCD摄像头。

本发明的平板图像显示玻璃和平板透射玻璃的折射率n为1.5146～1.7496。

本发明的平板图像显示玻璃与平板透射玻璃的折射率相同。

本发明的平板图像显示玻璃的大小与平板透射玻璃的大小相同，平板透射玻璃的厚度h至少为平板图像显示玻璃厚度的2.5倍。

本发明的发光器件为半导体激光器(7)或发光强度为10～100mcd的发光二极管。

本发明的CCD摄像头的像素为1000×1400。

采用上述的液体折射率CCD实时测量装置测量液体折射率的方法如下：

1、打开暗盒左侧的遮光盖，取出平板图像显示玻璃和平板透射玻璃，在平板透射玻璃的上表面用滴定管滴一滴待测液体，将平板图像显示玻璃的毛化面向上、光学面向下压在待测液体上，待测液体在平板透射玻璃与平板图像显示玻璃之间形成液膜，将平板图像显示玻璃和平板透射玻璃装入暗盒内，关闭遮光盖。

2、接通发光器件的电源，通发光器件发出的可见光穿过光阑的通光孔，垂直入射透过平板透射玻璃，经过待测液体液膜进入平板图像显示玻璃，在平板图像显示玻璃的毛化面上形成以入射光点为圆心的圆形暗斑。

3、待测液体圆形暗斑的半径r长度的测量按1mm对应于CCD摄像头10个像素进行标定，CCD摄像头将接收到的圆形暗斑图像转换成数字信号通过电缆输出到计算机，计算机按下式：

$n_x=\frac{\mathrm{rn}}{\sqrt{r^2+4h^2}}---\left(1\right)$

计算待测液体的折射率，式中n_x为待测液体的折射率、r为圆形暗斑的半径、n为平板图像显示玻璃的折射率、h为平板图像显示玻璃的厚度，并按照下式：

$ϵ=\frac{|n_s-n_x|}{n_s}\times 100\%---\left(2\right)$

计算相对误差，式中ε为相对误差，n_s为标准值，n_x为测量值，显示出计算结果以及圆形暗斑的图像。

本发明与数字阿贝折射仪同样采用了光全反射原理，但光学图像则是可见光经过平板透射玻璃与平板图像显示玻璃之间待测液体液膜，在平板图像显示玻璃的毛化面上形成以入射光点为圆心的圆形暗斑，CCD摄像头将接收到的圆形暗斑图像转换成数字信号通过电缆输出到计算机，计算机按照事先设定的程序进行数据处理，计算出被测液体的折射率；测量过程中对测量环境条件要求低，与待测液体折射率相关的光学图像光照即显示，不需调试，所用的平板图像显示玻璃和平板透射玻璃采用平板光学玻璃，仪器成本低，所形成的图像为平面光学图像，图像清晰。本发明具有结构简、造价低、测量精度较高等优点，可广泛用于科研和工业生产等领域的液体折射率的测量。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的结构示意图。

图2是采用本发明方法测量蒸馏水折射率的圆形暗斑照片。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本实施例的液体折射率CCD实时测量装置由暗盒1、CCD摄像头2、平板图像显示玻璃3、平板透射玻璃4、计算机5、光阑6、半导体激光器7、遮光盖8联接构成。

本实施例的暗盒1为不锈钢或不透光的工程塑料暗盒1，在暗盒1内的下端用螺纹紧固联接件固定联接安装有半导体激光器7，半导体激光器7是发光器件的一个实施例，半导体激光器7为本发明提供光源。在暗盒1内半导体激光器7上方暗盒1上用胶粘接有光阑6，光阑6上加工有通光孔a，本实施例的通光孔a的孔径为1.5mm，通光孔a的中心线与半导体激光器7所射出的激光束的中心线在同一条直线上。在暗盒1内光阑6的上表面放置有平板透射玻璃4，平板透射玻璃4上表面放置有平板图像显示玻璃3，平板图像显示玻璃3的下表面为光学面、上表面为毛化面，平板图像显示玻璃3的厚度为h为4mm，平板图像显示玻璃3的大小与平板透射玻璃4的大小相同，平板透射玻璃4的厚度h为10mm，平板图像显示玻璃3和平板透射玻璃4为H-K9光学玻璃，其折射率n为1.5146。暗盒1的左侧加工有窗口，窗口用于取出和放入平板图像显示玻璃3和平板透射玻璃4，窗口上盖有遮光盖8。暗盒1内的上端用螺纹紧固联接件固定联接安装有CCD摄像头2，CCD摄像头2的像素为1000×1400，CCD摄像头2的中心线和通光孔a的中心线相重合。CCD摄像头2通过电缆与计算机5相连。半导体激光器7所发出的可见光穿过光阑6的通光孔a，垂直入射透过平板透射玻璃4，经过待测液体液膜9进入平板图像显示玻璃3，在平板图像显示玻璃3的毛化面上形成以入射光点为圆心的圆形暗斑图像，CCD摄像头2将接收到圆形暗斑图像转换成数字信号输出到计算机5，计算机5按照事先设定的程序对输入的信号进行数据处理，计算出被测液体的折射率，并显示出计算结果以及圆形暗斑的图像。

采用本实施例的液体折射率CCD实时测量装置在室温(20℃)进行测量蒸馏水、无水乙醇的折射率，并与蒸馏水、无水乙醇的标准折射率进行比较，测量方法如下：

1、打开暗盒1左侧的遮光盖8，取出平板图像显示玻璃3和平板透射玻璃4，在平板透射玻璃4的上表面用滴定管滴一滴蒸馏水，将平板图像显示玻璃3的毛化面向上、光学面向下压在待测液体上，待测液体在平板透射玻璃4与平板图像显示玻璃3之间形成液膜9，将平板图像显示玻璃3和平板透射玻璃4装入暗盒1内，关闭遮光盖8。

2、接通半导体激光器7的电源，半导体激光器7发出的可见光穿过光阑6的通光孔a，垂直入射透过平板透射玻璃4，经过待测液体液膜9进入平板图像显示玻璃3，在平板图像显示玻璃3的毛化面上形成以入射光点为圆心的圆形暗斑。

3、待测液体圆形暗斑的半径r长度的测量按1mm对应于CCD摄像头2的10个像素进行标定，CCD摄像头2将接收到的圆形暗斑图像转换成数字信号通过电缆输出到计算机5，计算机5按下式：

$n_x=\frac{\mathrm{rn}}{\sqrt{r^2+4h^2}}---\left(1\right)$

计算蒸馏水的折射率，式中n_x为待测液体的折射率、r为圆形暗斑的半径、n为平板图像显示玻璃3的折射率、h为平板图像显示玻璃3的厚度，并按照下式：

$ϵ=\frac{|n_s-n_x|}{n_s}\times 100\%---\left(2\right)$

计算相对误差，式中ε为相对误差，n_s为标准值，n_x为测量值，显示出计算结果以及圆形暗斑的图像，见图2，计算结果见表1。

用同样的方法测量无水乙醇的折射率，在平板图像显示玻璃的毛化面上形成以入射光点为圆心的圆形暗斑，按(1)式计算无水乙醇的折射率，按(2)式计算相对误差。计算结果见表1。

表1  本实施例液体折射率CCD实时测量装置测蒸馏水、无水乙醇的折射率

  待测液体  蒸馏水  无水乙醇  标准折射率(20℃)  1.3330  1.3618  本发明测量值n_x  1.332  1.362  相对误差(％)  0.075  0.015

实施例2

本实施例中，在暗盒1内半导体激光器7上方暗盒1上用胶粘接的光阑6的通光孔a孔径为0.5mm，平板图像显示玻璃3的厚度为h为6.5mm，平板图像显示玻璃3的大小与平板透射玻璃4的大小相同，平板透射玻璃4的厚度h为17mm，平板图像显示玻璃3和平板透射玻璃4为H-K9光学玻璃，其折射率n为1.5146，平板图像显示玻璃3的入射面为光学面、出射面为毛化面。其它零部件以及零部部件的联接关系与实施例1相同。

采用本实施例的液体折射率CCD实时测量装置在室温(20℃)进行测量蒸馏水、无水乙醇的折射率，并与蒸馏水、无水乙醇的标准折射率进行比较，测量方法如下：

采用本实施例的液体折射率CCD实时测量装置测量蒸馏水、无水乙醇的折射率的方法与实施例1完全相同。按(1)式计算蒸馏水、无水乙醇的折射率，按(2)式计算相对误差。计算结果见表2。

表2  本实施例液体折射率CCD实时测量装置测蒸馏水、无水乙醇的折射率

  待测液体  蒸馏水  无水乙醇  标准折射率(20℃)  1.3330  1.3618  本发明测量值n_x  1.332  1.361  相对误差(％)  0.075  0.058

实施例3

本实施例中，在暗盒1内半导体激光器7上方暗盒1上用胶粘接的光阑6的通光孔a孔径为2mm，平板图像显示玻璃3的厚度为h为3mm，平板图像显示玻璃3的大小与平板透射玻璃4的大小相同，平板透射玻璃4的厚度h为8mm，平板图像显示玻璃3和平板透射玻璃4为H-K9光学玻璃，其折射率n为1.5146，平板图像显示玻璃的入射面为光学面、出射面为毛化面。其它零部件以及零部部件的联接关系与实施例1相同。

采用本实施例的液体折射率CCD实时测量装置在室温(20℃)进行测量蒸馏水、无水乙醇的折射率，并与蒸馏水、无水乙醇的标准折射率进行比较，测量方法如下：

采用本实施例的液体折射率CCD实时测量装置测量蒸馏水、无水乙醇的折射率的方法与实施例1完全相同。按(1)式计算蒸馏水、无水乙醇的折射率，按(2)式计算相对误差。计算结果见表3。

表3  本实施例液体折射率CCD实时测量装置测蒸馏水、无水乙醇的折射率

  待测液体  蒸馏水  无水乙醇  标准折射率(20℃)  1.3330  1.3618  本发明测量值n_x  1.332  1.361  相对误差(％)  0.075  0.058

实施例4

在以上的实施例1～3中，在暗盒1内光阑6的上表面放置有平板透射玻璃4，平板透射玻璃4上表面放置有平板图像显示玻璃3，平板图像显示玻璃3的下表面为光学面、上表面为毛化面，平板图像显示玻璃3和平板透射玻璃4为ZF₁平板光学玻璃，其折射率n为1.6438，平板图像显示玻璃3的大小与平板透射玻璃4的大小相同，平板图像显示玻璃3和平板透射玻璃4的厚度与相应的实施例相同。其它零部件以及零部部件的联接关系与实施例1相同。

实施例5

在以上的实施例1～3中，在暗盒1内光阑6的上表面放置有平板透射玻璃4，平板透射玻璃4上表面放置有平板图像显示玻璃3，平板图像显示玻璃3的下表面为光学面、上表面为毛化面，平板图像显示玻璃3和平板透射玻璃4为ZF₆平板光学玻璃，其折射率n为1.7496，平板图像显示玻璃3的大小与平板透射玻璃4的大小相同，平板图像显示玻璃3和平板透射玻璃4的厚度与相应的实施例相同。其它零部件以及零部部件的联接关系与实施例1相同。

实施例6

在以上的实施例1～5中，在暗盒1内的下端设置的发光器件为发光强度为10～100mcd的发光二极管。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。