液体折射率测量实验仪及其测量方法

摘要

一种液体折射率测量实验仪，在暗盒内下端设发光器件，发光器件上方暗盒上设光阑，光阑上表面设平板透射玻璃，平板透射玻璃上表面设平板图像显示玻璃，暗盒左侧加工窗口，窗口设遮光盖，暗盒内上端设百褶遮光纸，底座上设2根立柱，2根立柱上端设标有刻度的千分测位器，千分测位器端部设手轮，手轮通过旋转平动转换机构与下半部分穿过百褶遮光纸深入到暗盒内的镜筒相联，镜筒与百褶遮光纸之间设密封板。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；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

液体折射率是光学、化工化学、生物食品等实验中必测的参数，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。尽管波动光学法测量精度较高，但所需仪器构成成本高、操作难度大，测量条件要求严格，且适应范围较小，所需仪器也不常用，因此，该方法更多的用于科研实验室，学生实验和工业应用都较少。几何光学法仪器构成简单、操作方便、测量条件要求低，且测量精度能满足要求，因此目前几何光学法测量折射率的应用更广泛。

阿贝折射仪作为几何光学法测量液体折射率的常用仪器，不但使用历史悠久，而且使用范围很广。但在使用过程中，阿贝折射仪仍存在以下问题：

在阿贝折射仪使用中，阿贝折射仪直接测量是临界角，临界角的测量必须有一个过程，即通过调节折射角，找出视场中临界光线对应的角度，因此该仪器属于非实时测量仪器；另外阿贝折射仪中，光学器件为两块光学棱镜，结构复杂，仪器构成成本高；其次阿贝折射仪中的直接测量量为角度，相对直线距离测量，角度测量复杂，精度也难以提高。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于克服上述阿贝折射仪存在的问题，提供一种结构简单、操作方便、待测液体用量少、测量精度高的液体折射率测量实验仪。

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测量实验仪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，发光器件上方暗盒上设置具有孔径为0.5～2mm通光孔的光阑，通光孔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，窗口设置有遮光盖，暗盒内的上端设置有百褶遮光纸，与暗盒连为一体的底座上设置2根立柱，2根立柱上端设置标有刻度的千分测位器，千分测位器的端部设置有手轮，手轮通过旋转平动转换机构与下半部分穿过百褶遮光纸深入到暗盒内的镜筒相联，镜筒与百褶遮光纸之间设置有密封板。

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或发光强度为10～100mcd的发光二极管。

本发明的镜筒为：在不透光的壳体上端设置有上平板光学玻璃、下端设置有下表面上刻有十字划线的下平板光学玻璃。

采用上述的液体折射率测量实验仪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，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图像。

3、移动镜筒，测量圆形暗斑的直径计算半径r，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。对应的标准偏差为：

${\mathrm{\Delta n}}_x=\frac{\mathrm{\Delta r}{(n^2-n_x^2)}^{\frac{3}{2}}}{2\mathrm{hn}}---\left(2\right)$

式中的Δn_x为待测液体对应的折射率标准偏差，Δr为圆形暗斑半径的测量偏差，并按下式

$ϵ=\frac{{|n}_s-n_x|}{n_s}\times 100\%---\left(3\right)$

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。

本发明与阿贝折射仪同样采用光的全反射原理，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，采用镜筒和千分测位器测出圆形暗斑的半径，按公式计算出待测液体的折射率；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，不需调试，所用的平板图像显示玻璃和平板透射玻璃采用的是平板光学玻璃，降低了仪器构造成本，所形成的图像为平面光学图像，图像清晰。本发明具有结构简单操作方便、待测液体用量少、测量精度较高、光学现象直观等优点，可广泛用于学生实验及工业生成和科学研究中的液体折射率测量。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的结构示意图。

图2是图1中镜筒4的结构示意图。

图3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测量实验仪由暗盒1、手轮2、千分测位器3、镜筒4、密封板5、百褶遮光纸6、立柱7、固定板8、平板图像显示玻璃9、平板透射玻璃10、光阑11、半导体激光器12、底座13、遮光盖14、螺杆螺套旋转平动转换机构16联接构成。

在底座13上与底座13连为一体由暗盒1，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12，半导体激光器12是发光器件的一个实施例，半导体激光器12为本发明提供光源。在暗合1内半导体激光器12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的中心线和半导体激光器12所射出的激光束中心线与暗盒1的中心线相重合。在暗盒1内光阑11的上表面放置有平板透射玻璃10，平板透射玻璃10上表面放置有平板图像显示玻璃9，平板图像显示玻璃9的下表面为光学面、上表面为毛化面，平板图像显示玻璃9的厚度为h为4mm，平板图像显示玻璃9的大小与平板透射玻璃10的大小相同，平板透射玻璃10的厚度h为10mm，平板图像显示玻璃9和平板透射玻璃10为H-K9平板光学玻璃，其折射率n为1.5146。暗盒1的左侧加工有窗口，窗口上盖有遮光盖14。测量液体的折射率时，打开遮光盖14，将平板图像显示玻璃9和平板透射玻璃10从暗盒1内取出，在平板透射玻璃10上表面滴一滴待测液体，平板图像显示玻璃9压在液体上后，在平板图像显示玻璃9与平板透射玻璃10之间形成一层液膜15，将平板图像显示玻璃9和平板透射玻璃10放入暗盒1内，盖上遮光盖14。在暗盒1的上端用固定板8和螺纹紧固联接件固定联接有百褶遮光纸6，百褶遮光纸6用于遮光。在底座13上用螺纹紧固联接件固定联接安装有2根立柱7，2根立柱7的上端用螺纹紧固联接件固定联接安装有千分测位器3，千分测位器3上标有用于测量位移的刻度。千分测位器3的左端通过螺纹联接安装有手轮2，手轮2上刻有测量长度的百分刻度，手轮2通过螺杆螺套旋转平动转换机构16与镜筒4相联，螺杆螺套旋转平动转换机构16为机械设计手册中常规的设计，即将加工有螺纹的手轮2轴通过螺纹联接安装在螺套内，螺套与镜筒4固定连接，转动手轮2，镜筒4在暗盒1内左右移动。手轮2也可通过齿轮齿条旋转平动转换机构与镜筒4相联，齿轮齿条旋转平动转换机构为机械设计手册中常规的设计，即手轮2轴上安装有齿轮，镜筒固定在齿条上，转动手轮2，镜筒4在暗盒1内左右移动。镜筒4的下半部分穿过百褶遮光纸6深入到暗盒1内，镜筒4与百褶遮光纸6之间安装有密封板5，密封板5用于遮光。

在图2中，本实施例的镜筒4由壳体4-1、上平板光学玻璃4-2、下平板光学玻璃4-3联接构成。壳体4-1不透光，壳体4-1的上端安装有上平板光学玻璃4-2、下端安装有下平板光学玻璃4-3，下平板光学玻璃4-3的下表面上刻有十字划线，镜筒4在暗盒1内左右移动，下平板光学玻璃4-3下表面的十字划线左右移动，可测出可见光经过待测液体在平板图像显示玻璃9毛化面上形成的圆形暗斑的直径并计算出半径r的大小。

采用本实施例的液体折射率测量实验仪与阿贝折射仪在室温(20℃)进行对比测量蒸馏水、无水乙醇、1，2-丙二醇的折射率，并与蒸馏水、无水乙醇、1，2-丙二醇的标准折射率(20℃)进行比较，测量方法如下：

1、打开暗盒1左侧的遮光盖14，取出平板图像显示玻璃9和平板透射玻璃10，在平板透射玻璃10的上表面用滴定管滴一滴蒸馏水，将平板图像显示玻璃9的毛化面向上、光学面向下压在蒸馏水上，蒸馏水在平板透射玻璃10与平板图像显示玻璃9之间形成液膜15，将平板图像显示玻璃9和平板透射玻璃10装入暗盒1内，关闭遮光盖14。

2、接通发半导体激光器12的电源，半导体激光器12发出的可见光穿过光阑11的通光孔a，垂直入射透过平板透射玻璃10，经过待测液体液膜15进入平板图像显示玻璃9，在平板图像显示玻璃9的毛化面上形成以入射光点为圆心的圆形暗斑图像，见图3。

3、移动镜筒4，测量圆形暗斑的直径计算半径r为14.836±0.005，按(1)式计算蒸馏水的折射率、按(2)式计算蒸馏水折射率对应的标准偏差为±0.0002，并按(3)式计算蒸馏水折射率相对误差，计算结果见表1。

用同样的方法测量无水乙醇、1，2-丙二醇的折射率，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，无水乙醇圆形暗斑的半径r为16.446±0.005mm，1，2-丙二醇圆形暗斑的半径r为23.298±0.005mm，按(1)式计算无水乙醇、1，2-丙二醇的折射率、按(2)式计算无水乙醇、1，2-丙二醇折射率对应的标准偏差为±0.0002，并按(3)式计算无水乙醇、1，2-丙二醇折射率的相对误差，计算结果见表1。

表1本发明测蒸馏水、无水乙醇、1，2-丙二醇的折射率

实施例2

本实施例中，平板图像显示玻璃9的厚度为h为6.5mm，平板图像显示玻璃9的大小与平板透射玻璃10的大小相同，平板透射玻璃10的厚度h为17mm，平板图像显示玻璃9和平板透射玻璃10为H-K9平板光学玻璃，其折射率n为1.5146，平板图像显示玻璃9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测量实验仪与阿贝折射仪进行对比测量蒸馏水、无水乙醇、1，2-丙二醇的折射率，并与蒸馏水、无水乙醇、1，2-丙二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测量实验仪与阿贝折射仪对比测量蒸馏水、无水乙醇、1，2-丙二醇的折射率的方法与实施例1完全相同。计算结果见表2。

用阿贝折射仪按仪器的测量方法测量蒸馏水、无水乙醇、1，2-丙二醇的折射率，测量结果见表2。

表2本发明测蒸馏水、无水乙醇、1，2-丙二醇的折射率

实施例3

本实施例中，平板图像显示玻璃9的厚度为h为3mm，平板图像显示玻璃9的大小与平板透射玻璃10的大小相同，平板透射玻璃10的厚度h为8mm，平板图像显示玻璃9和平板透射玻璃10为H-K9平板光学玻璃，其折射率n为1.5146，平板图像显示玻璃9的入射面为光学面、出射面为毛化面。其它零部件以及零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测量实验仪与阿贝折射仪进行对比测量蒸馏水、无水乙醇、1，2-丙二醇的折射率，并与蒸馏水、无水乙醇、1，2-丙二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测量实验仪与阿贝折射仪对比测量蒸馏水、无水乙醇、1，2-丙二醇的折射率的方法与实施例1完全相同。计算结果见表3。

用阿贝折射仪按仪器的测量方法测量蒸馏水、无水乙醇、1，2-丙二醇的折射率，测量结果见表3。

表3本发明测蒸馏水、无水乙醇、1，2-丙二醇的折射率

实施例4

在以上的实施例1～3中，在暗盒1内光阑11的上表面放置有平板透射玻璃10，平板透射玻璃10上表面放置有平板图像显示玻璃9，平板图像显示玻璃9的下表面为光学面、上表面为毛化面，平板图像显示玻璃9和平板透射玻璃10为ZF₁平板光学玻璃，其折射率n为1.6438，平板图像显示玻璃9的大小与平板透射玻璃10的大小相同，平板图像显示玻璃9和平板透射玻璃10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11的上表面放置有平板透射玻璃10，平板透射玻璃10上表面放置有平板图像显示玻璃9，平板图像显示玻璃9的下表面为光学面、上表面为毛化面，平板图像显示玻璃9和平板透射玻璃10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9和平板透射玻璃10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，光阑11的通光孔a孔径为0.5mm。其它零部件以及零部件的联接关系与实相应的施例相同。

实施例7

在以上的实施例1～5中，光阑11的通光孔a孔径为2mm。其它零部件以及零部件的联接关系与相应得实施例相同。

实施例8

在以上的实施例1～7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部件的联接关系与相应的实施例相同。