透明容器中液体折射率非接触实时测量

作     者：任俊鹏 

作者单位：陕西师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：苗润才

授予年度：2015年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：透明容器 全反射 折射率测量 非接触 实时 

摘      要：折射率是表征透明、半透明材料光学性质的重要物理量之一,同时在一定的范围内与材料的浓度、温度、密度等理化参数有确定的对应关系。折射率相对于材料其它理化参数的测量更容易实现,因此通过测量材料折射率同步获取材料其它理化参数的方法,被广泛地应用于化工、医药、食品和材料制备等领域,并已成为材料理化参数测量的基本方法之一。本论文在系统考察液体折射率测量技术现状,分析几种常用方法局限性的基础上,针对液体折射率非接触实时测量的技术需要,研究一种基于光的全反射原理,实现容器中液体折射率非接触实时测量的方法。该方法将激光束通过透射散射层转换为高发散度的发散光,发散光入射到容器器壁-液体界面后产生遮光效应。利用遮光效应在器壁外表面透射散射层上形成的光学暗斑图像,以及光学暗斑图像尺度与液体折射率之间的关系,非接触实时获得容器中透明、半透明液体的折射率,该方法研究中所使用的透明容器为实验室常用的量筒、烧杯、玻璃水槽等。实验中发现,入射光发散后在平板器壁上形成圆形暗斑,柱面器壁上形成椭圆形暗斑。本文在分析圆形暗斑和椭圆形暗斑形成机理的基础上,建立了液体折射率与不同形状光学暗斑图像尺度、器壁特性参数之间的解析关系;实验中发现,激光束在透射散射层上入射光斑的大小以及激光束通过透射散射层后的发散程度,对所形成的与液体折射率相关的光学暗斑图像边界的清晰度有较大影响,进而影响测量精度。本文在分析其影响机理的基础上,给出了提高图像边界清晰度的解决方案和相应的透射散射层优化参数,成功设计并构造了液体折射率光学图像成像系统,实现了容器中液体折射率的非接触测量;在对光学图像尺度信息的提取与处理中,设计了一种光电转换采集与处理系统,将光电转换器采集的光学暗斑图像信息传输至计算机,计算机按设定程序处理获取液体折射率的测量值。本文选择成本低、耗能小、成像质量可满足要求的CMOS作为光学暗斑图像采集组件,采用Matlab软件编程对所采集图像的尺度信息进行提取与处理,实现了对液体折射率的实时获取。本文还设计了另外两种光学暗斑图像尺度信息采集方案：坐标纸采集法和步位测量采集法。这两种方法中光学暗斑图像尺度采用目测采集,测量系统简单,但容易造成人为误差。本文利用上述方法和阿贝折射仪,分别对无水乙醇、丙酮、不同浓度的盐水等透明液体和可口可乐、橙味汽水等半透明液体的折射率进行了对比测量。测量结果表明：本文所述透明容器中液体折射率测量的相对平均误差为0.05%。本文研究的方法：在测量过程中液体无损耗,与液体折射率相关的光学图像光照即显、不需调试,图像信息自动采集、处理,测量数据同步获取。测量精度较高,有望在有毒有害、易燃易爆等危险液体理化参数非接触实时测量中得到应用,特别是对封闭容器中处于非常温和非常压状态下的透明、半透明液体理化参数的测量,具有可预见的应用价值。