[發明專利]用液芯柱透鏡的瞬時折射率空間分布測量液相擴散系數的方法

有效

• 申請號: 201410440938.5
• 申請日: 2014-09-02
• 公開（公告）號: CN104165863B
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發明（設計）人: 孟偉東;普小云;孫麗存;楊瑞芬;瞿影
• 申請（專利權）人: 云南大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 昆明科陽知識產權代理事務所53111
• 代理人: 孫山明

技術領域

本發明屬于光學測量液相擴散系數的方法，特別是通過CMOS采集得到瞬時圖像即可自動、快速得到折射率的空間分布和擴散系數。

背景技術

液相擴散系數是研究傳質過程，計算傳質速率及化工設計與開發的重要基礎數據，已廣泛應用在生物、化工、醫學及環保等新興行業中。但液相擴散系數主要依靠實驗方法獲得，即間接地測量溶液隨空間和時間擴散分布所形成的濃度，根據擴散過程Fick定律計算液相擴散系數。這些測量方法要求高穩定性的儀器設備，成本貴，測量時間長，還沒有一種儀器簡化，且能精確、快速地測量液相擴散系數的方法。

本發明提出之前，我們根據平行光經過裝有不同液體的柱透鏡后會聚焦點位置不同的物理現象，提出了利用柱透鏡測量液體折射率的原理和方法（普小云，白然，邢曼男等，中國發明專利ZL200710066016.2[P]；邢曼男，白然，普小云，精確測量微量液體折射率的新方法[J]，“光學 精密工程”，2008,16(7),1196-1202）；李強，孫麗存，孟偉東，普小云，用液芯變焦柱透鏡精確測量液體折射率[J],“中國激光”，2012,39(10), 1008005-1~1008005-7）。在柱透鏡成像法測量折射率的基礎上，我們研究了液相擴散過程，提出了用等折射率薄層測量液相擴散系數的方法。（李強，李宇，孫麗存等，中國發明專利 ZL201110283339.3[P]）；“基于非對稱液芯柱透鏡精確測量液體折射率及液相擴散系數的裝置”（孫麗存，普小云，孟偉東等，實用新型專利 ZL2013205785108[P]）；“基于非對稱液芯柱透鏡精確測量液體折射率及液相擴散系數的方法”（孫麗存，普小云，孟偉東等，中國發明專利 201310412166X[P]）；李強，普小云，用毛細管成像法測量液相擴散系數—等折射率薄層測量方法[J]，（“物理學報”，2013,62(9), 094206-1~094206-7）；LI Qiang PU Xiao-Yun, YANG Rui-Fen, ZHAI Ying，Measurement of Diffusion Coefficient of Liquids by Using an Asymmetric Liquid-Core Cylindrical Lens: Observing the Diffusion Process Directly [J],（“CHIN. PHYS. LETT”，2014,31(5), 054203-1~054203-4。）與折射率測量法、動態光散射測量法、熒光分子示蹤測量法、放射性元素示蹤測量法和全息干涉法相比，用等折射率薄層測量液相擴散系數的方法需要的測量時間大幅度縮短，且抗干擾能力強、系統穩定性好，進步明顯。 但是，等折射率薄層測量方法需要采集不同擴散時刻的多幅擴散圖像，多幅圖像的采集要求使等折射率薄層方法不是一種液相擴散系數的瞬時測量方法。

發明內容

為了進一步縮短液相擴散系數的測量時間，提高抗環境干擾能力和測量效率，本發明基于液芯柱透鏡測量液體折射率及液相擴散系數的裝置和方法，提出一種液相擴散系數的瞬時測量方法，即基于液芯柱透鏡的瞬時折射率空間分布測量液相擴散系數的方法。

（一）本發明基于液芯柱透鏡的瞬時折射率空間分布測量液相擴散系數的方法，包括：

（1）測量兩種溶液擴散開始前在界面（Z=0）兩邊的初始濃度C₁和C₂，根據式（1）計算擴散溶液濃度：

，m與C₀為常數， （1）

根據高斯反誤差函數計算，構成空間分布的序偶關系的集；

（2）對Z_i與進行線性擬合，得到方程，計算擴散系數D：，其中，；

其特征是：

（1）得到式（1）折射率的方法是：

用平行光為柱透鏡入射光，待柱透鏡內注入的兩種液體擴散后形成在觀察屏上清晰成像的折射率為 n_i和像寬為的若干液體薄層，在時刻t采集一幅液體擴散圖像，使各液體薄層通過非對稱柱透鏡的成像光束的焦距 d_i 滿足關系：

。（2）

其中，h是在傍軸情況下的柱透鏡通光孔徑，d為觀察屏與柱透鏡管軸之間的距離；