[實用新型]一種用于測量液相氣體折射率的測量儀

有效

• 申請號: 201220593874.9
• 申請日: 2012-11-11
• 公開（公告）號: CN202974864U
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發明（設計）人: 楊克成;葉駿偉;夏珉;郭文平;李微
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01N21/43
• 分類號: G01N21/43
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李佑宏

技術領域

本實用新型涉及光學折射率測量領域，具體涉及一種光學折射率測量儀，用于高壓下的液相氣體的各種特性參數的測量和定性分析，同時也可對常溫、常壓下液體溶液進行測量。

背景技術

折射率不僅是表征物質光學特性的基本物理量，而且也是新材料合成、物質鑒別和科學研究中一項重要的性能參數，其與物質的密度、濃度、溫度以及應力等物理量有關，廣泛地應用在光學、煉油、造紙、食品、材料等技術領域。

液相氣體折射率與氣體物理和化學性能參數存在著線性關系，折射率的測量相對于其他的物理量的測量更易于實現。根據Lorentz-Lorenz公式，物質的折射率是單位體積內物質中的微觀粒子（原子或分子）的個數N的函數。由上述原理該液相氣體折射率儀也可應用在氣體鑒別和組份分析。

目前，液相氣體折射率的測量方法主要分為波動光學、SPR技術、光纖傳感技術、臨界角法。波動光學優點是測量精度高，但該方法可實現性差、對設備要求較高、抗干擾性差、成本較高不適合大規模生產和應用。SPR技術的優點是測量精度高、適合商業應用，但該方法測量時間較長，無法實現在線測量、抗外界雜質干擾較差、界面金屬膜容易被腐蝕，不適合極端條件下折射率測量。光纖傳感技術的優點是測量靈敏度高、抗外界電磁干擾較強，但該方法對器件要求較高、系統實現成本較高、受氣泡和界面雜質影響大。

臨界角法的優點是測量精度高、抗干擾性強、系統維護簡單、適合大規模生產和應用、適合極端條件液相氣體折射率測量。阿貝折光計是臨界角法的典型代表，因其測量原理簡單、精度高、系統可靠性高、抗外界干擾強在工農業生產和科學研究領域大量使用。

臨界角法由探測界面上光斑大小分為聚焦型臨界法和發散型臨界法。CN102012359公開了一種發散型臨界角發測量液體參數的方法。該方法是將入射光線照射在探測界面質上，通過光線在探測界面發生部分反射和全反射從而液體折射率測量。該方法所需探測面較大，只適合測量在常溫、常壓下液體的參數。而且，由于發散型臨界法其入射到棱鏡探測面的光束具有固定的發散角，探測界面材料的折射率不均勻，因此折射率測量范圍比較狹窄，探測面容易受雜質影響、束縛光束能力較差，容易因光線泄露而影響系統精度、棱鏡斜面的空氣隙容易受外界影響，而使系統失效。

聚焦型臨界法是利用平凸透鏡將入射光束聚焦在測量界面上，從而測量聚焦點處的折射率。該方法的優點是測量精度不受界面上折射率分布不同而受影響、成像端光斑的明暗界限明顯、測量范圍遠比發散型臨界法大、方便維護、易于大規模生產和應用。通過將裝置倒置可以提高系統抗界面氣泡和雜質的干擾，從而減小系統誤差提高系統精度。通過改變照明系統的像距、物距以及透鏡的焦距，可以增加棱鏡探測面入射角的范圍，從而達到擴大折射率測量范圍。

實用新型內容

本實用新型目的在于提出一種基于全反射原理測量液相氣體的折射率的測量儀，其利用聚焦型臨界法測量液相氣體的折射率，為氣體鑒別和組份分析奠定了基礎，同時該折射率具有取樣少、適合高壓等極端條件下液體或者液相氣體的測量、精度高、在線測量、維護方便等優點。

實現本實用新型目的的一種用于測量液相氣體折射率的測量儀，包括：

點光源照明模塊，其包括LED光源、耦合器、多模光纖以及輸出透鏡，所述LED光源輸出的光經所述耦合器耦合到多模光纖中，在多模光纖傳輸后經所述透鏡聚焦后出射，以對待檢測液相氣體進行檢測；

探測棱鏡，其一表面與所述待測液體表面接觸形成反射面，所述點光源照明模塊出射后的光束在該反射面上聚焦為一點，形成光斑，并發生全反射和部分反射；

反射光接收模塊，其用于收集經所述棱鏡反射面反射的光線，并將收集的光信號轉換成電信號形成圖像信息輸出；

圖像分析模塊，其對輸出的圖像信息進行處理，提取出光斑中的明暗界限，進而得到待測物的折射率。

作為本實用新型的改進，所述的測量儀還包括取樣容腔用于容置待測液體，其上部表面開有圓孔，所述待測液體通過該圓孔與所述探測棱鏡的表面接觸形成所述反射面。

作為本實用新型的改進，入射到底面的光束中，入射角大于臨界角的光束發生全反射，入射角小于臨界角的光束發生部分反射，其部分能量透射到待測的液相氣體中。

作為本實用新型的改進，所述的圖像分析模塊提取光斑中的明暗界限可以采用如下方法：

(a)在光斑圖像中劃取一包含所述明暗界限的區域；

(b)對所選取的區域，將其中每一行的圖像數據疊加，得到一行疊加后的圖像數據；