[發明專利]一種適用于透明液體折射率測量的方法

在審

• 申請號: 201711279474.4
• 申請日: 2017-12-06
• 公開（公告）號: CN107870161A
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發明（設計）人: 張穎;何茂剛;劉向陽;何欣欣;鄭宇
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 徐文權

技術領域

本發明屬于物質折射率測量技術領域，涉及一種適用于透明液體折射率測量的方法。

背景技術

折射率為透明物質的光學性質。光在真空中的傳播速度與光在透明物質中的傳播速度之比，稱之為該物質的折射率。液體折射率可用于探究純質液體的分子結構以及混合溶液中不同分子間的相互作用。就流體熱物理性質研究領域而言，折射率可用于純質液體或混合溶液的密度預測和理論推算。在工程熱物理學科的實踐領域中，折射率的溫度系數反映了燃料的性能，如均質壓燃、預混合壓燃等，將柴油的折射率可用于檢驗柴油的質量。液體折射率數據在科學研究和工程實踐中的諸多領域均有應用。

液相折射率的測量方法種類眾多，大體可分為兩類方法：幾何光學法和波動光學法。幾何光學法是根據基本幾何光學原理，如折射、全反射等來測量折射率。經典的液體折射率幾何光學測量方法有最小偏轉法、全反射法(Abbe折射計的測量原理)和V棱鏡法等；波動光學法是利用光的波動性質進行折射率測量。經典的折射率光干涉測量方法有Mach-Zehnder干涉法、Michelson干涉法、Jamin干涉法、反射光柵干涉法、毛細管干涉法等。相比于幾何光學法，光干涉法所需元件少、光路系統調試相對簡單。同時，光干涉法對折射率的測量具有空間分辨能力，可以測量待測樣品在整個探測區域的折射率分布。在流體熱物理性質研究領域中，探究折射率隨溫度和壓力變化規律是必不可少的。然而，幾何光學法中裝填待測液體的實驗本體一般就是測量系統中的棱鏡，不同溫度和壓力下棱鏡折射率和形狀的細微變化會影響實驗測量，而在光干涉法折射率的測量系統中，實驗本體往往和干涉光路是相互獨立互不影響的，可以更方便地在實驗系統中可以加入溫度和壓力控制裝置，以實現不同溫度和壓力下折射率測量。此外，隨著高穩定性激光器以及CCD傳感器的快速發展，光干涉法測量折射率的精度也越來越高。經過多年的發展，光干涉法在液體折射率的測量上表現了很好的適用性。

波動光學法測量液體的折射率的一種典型設備如圖2所示，包括干涉光路、實驗單元和檢測分析單元，其中，

實驗單元具有透光的實驗本體9、精密電控轉臺10和溫度壓力測控系統，實驗本體9內能填充待測液體；溫度壓力測控系統用于加入并控制待測量液體的溫度和壓力；干涉光路具有從同一光束分出的參考光和探測光，其中，探測光透射實驗本體9后與參考光干涉形成干涉圖像，干涉圖像被檢測分析單元檢測和分析；精密電控轉臺10承載實驗本體9，用于控制探測光透射實驗本體9的入射角并將入射角信號傳輸給檢測分析單元。然而，現有的液體折射率光干涉測量方法也存在一些問題：(1)小入射角測量中，折射率測量不確定度較大，測量結果波動顯著，精度較低；大入射角測量中，測量精度有所提升，然而對實驗本體結構設計和干涉光路布置的要求較高。(2)光干涉法中的干涉條紋變化由兩部分組成，分別由待測液體樣本和實驗本體的視窗玻璃引起，需要將本體視窗引起的附加干涉條紋消除。目前多采用直接法對其進行消除。然而視窗玻璃多采用組分復雜的石英玻璃，無法得到其折射率隨溫度、入射光波長變化的完整、準確的參考數據。往往需要事先測量本體視窗玻璃在各個實驗溫度和波長條件下的折射率，顯著增大了實驗強度；消除本體視窗引起的附加干涉條紋的另一種方法是間接法，即在相同的實驗條件下，構造一個包含由兩部分空腔的實驗本體，一部分裝滿待測液體，另一部分不填充。分別記錄兩部分產生的干涉條紋變化數并相減即可得到待測液體產生的干涉條紋變化數。這種方法的弊端在于難以保證兩部分本體視窗玻璃的組分、結構尺寸或所處測量環境完全一致，從而引起實驗偏差。(3)光干涉法需要確定激光垂直入射實驗本體視窗的位置，這是減小旋轉角度測量偏差，提高折射率測量精度的關鍵。然而，現有的方法中多采用人眼觀察的確定方式，精度很低。相關文獻中也曾報道過可以采用光電傳感器進行判別，這種方法判斷精度有所提升，但其裝置和操作較為復雜。

發明內容

本發明的目的在于提供一種適用于透明液體折射率測量的方法，其能夠解決小入射角情況下實驗數據波動幅度大的問題，提高了實驗測量精度。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種適用于透明液體折射率測量的方法，包括步驟：

1)實驗本體內抽真空，通入干涉光路，設定實驗溫度；

2)轉動實驗本體并進而改變探測光的入射角；實時采集并記錄實驗本體旋轉對應的入射角和對應的干涉圖像；

3)向實驗本體內填充待測量液體至實驗壓力，轉動實驗本體并進而改變探測光的入射角；實時采集并記錄實驗本體旋轉對應的入射角和對應的干涉圖像；