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用液芯柱透镜快速测量液相扩散系数-折射率空间分布瞬态测量法

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物理学报 2015年第11期64卷 147-153页

作者：孟伟东孙丽存翟影杨瑞芬普小云云南大学物理科学技术学院物理系昆明650091

本文提出了一种快速测量液相扩散系数的方法,该方法以液芯柱透镜作为液相扩散池和成像元件,利用柱透镜成像过程中特有的折射率空间分辨测量能力,只需记录一幅瞬态扩散图像,根据图像的像宽与折射率的对应关系,基于扩散定律快速计算出液... 详细信息

本文提出了一种快速测量液相扩散系数的方法,该方法以液芯柱透镜作为液相扩散池和成像元件,利用柱透镜成像过程中特有的折射率空间分辨测量能力,只需记录一幅瞬态扩散图像,根据图像的像宽与折射率的对应关系,基于扩散定律快速计算出液相扩散系数.实验研究了室温(25C)下乙二醇和纯水间的扩散过程,用折射率空间分布法测量了扩散系数,和其他测量方法得到的结果进行了分析对比,结果表明:用折射率空间分布法测量液相扩散系数具有数据采集耗时短(～20 ms)、测量速度快(液相扩散系数提供了一种有效的新方法.

关键词：扩散系数快速测量折射率空间分布液芯柱透镜

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减压蒸馏过程的光学实时检测方法研究

减压蒸馏过程的光学实时检测方法研究

作者：王艳云南大学

学位级别：硕士

蒸馏是常见的物理化学过程,广泛应用于生物、化工、制药、石油以及其他领域。其中,减压蒸馏由于其在低温下即可沸腾而不会使物质在高温下发生分解的优点而具有重要的应用价值。近年来,减压蒸馏在海水淡化以及酒精分馏工艺中受到重视,使... 详细信息

蒸馏是常见的物理化学过程,广泛应用于生物、化工、制药、石油以及其他领域。其中,减压蒸馏由于其在低温下即可沸腾而不会使物质在高温下发生分解的优点而具有重要的应用价值。近年来,减压蒸馏在海水淡化以及酒精分馏工艺中受到重视,使得用光学方法实时观测减压蒸馏过程变得十分有意义。本文基于液芯柱透镜的空间折射率分辨能力,提出了在减压蒸馏过程中实时测量蒸发量和浓度变化的新方法,并用这些方法测量了海水减压蒸发和酒精水溶液分馏过程中蒸发量和浓度变化的物性参数。具体工作内容如下:1.基于对减压蒸馏过程的研究,提出了一种以液芯柱透镜作为核心光学元件研究减压蒸馏的光学检测方法,其特点在于可通过一组实验图像同时测量蒸发量、浓度改变量,具有操作简单、减压蒸馏过程可视化的优点。2.基于减压蒸馏过程的相关理论,推导出了减压蒸馏过程中蒸发量和剩余溶液的浓度随气压及温度变化满足的规律,实验测量结果符合理论预期;依据推导公式及光学检测系统的设置,撰写了仿真程序,仿真得到的结果与实验结果吻合。3.以对称液芯柱透镜为核心光学元件搭建光学实验系统,以真空泵为主要减压器件搭建减压装置,完成了海水减压蒸发和酒精水溶液分馏两组实验,计算了溶液蒸发量、剩余量以及浓度变化等物性参数,根据实验数据拟合曲线得到相应的实验结论。4.通过改变温度、压强以及溶液体积三个因素,得到在不同情况下减压蒸馏的结果。两组实验的结果表明,减压蒸馏因子β在温度为20℃～40℃之间时,无显著变化,可视为常数。

关键词：液芯柱透镜减压蒸馏光学检测实验仿真

消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统的设计及应用

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消球差连续变焦微型液芯柱透镜系统的设计及应用

作者：盛树武云南师范大学

学位级别：硕士

相比于定焦透镜,变焦透镜具有更强的灵活性及适应性,广泛应用于现代微光学系统、光通信系统、航空航天和军事行动等领域。随着光学技术的飞速发展,通过改变透镜组的相对位置实现变焦功能的传统机械变焦镜头已逐渐不能满足现代光学系统... 详细信息

相比于定焦透镜,变焦透镜具有更强的灵活性及适应性,广泛应用于现代微光学系统、光通信系统、航空航天和军事行动等领域。随着光学技术的飞速发展,通过改变透镜组的相对位置实现变焦功能的传统机械变焦镜头已逐渐不能满足现代光学系统对镜头微型化、集成化日益增长的需求。而液态透镜具有结构紧凑、易集成、无机械磨损、控制灵活等优点,成为近些年的研究热点。然而,相比于常用的轴对称球面透镜,对于在光束整形领域不可或缺的柱透镜却研究较少。本文设计并加工制作了一种基于PDMS基片的充液式微型连续变焦柱透镜系统,实现了较大的变倍比及较高的成像质量,并将其用以测量液体折射率。主要研究工作如下:1.提出了一种将对称空芯柱透镜、双凸柱透镜依次埋入PDMS基片形成连续变焦柱透镜系统的设计方案:在变焦系统的空芯区域注入不同折射率的液体可以实现柱透镜系统的连续变焦功能;柱透镜曲率半径、厚度和材料的合理设计用以消除系统在整个变焦范围内的像差,保障成像质量;方形PDMS基片提高系统的便携性、抗环境干扰能力,并使得变焦系统更加便于安装与调试。2.综合考虑变焦系统的变倍比、成像质量以及将其用以测量液体折射率时的分辨能力,利用ZEMAX光学软件对系统结构仿真并优化,确定柱透镜系统的各项参数。当柱透镜成像系统液芯中注入的液体折射率由1.3330变化到1.5530时,可实现系统后焦距f由52.292mm到4.972mm连续平滑变化。在整个变焦范围内,透镜系统的弥散斑均方根Y方向半径始终小于5μm。3.分析了柱透镜变焦系统的元件制造公差和组装公差,以此为指导加工了对称柱透镜及双凸柱透镜,并自主完成了基于PDMS的微型液芯柱透镜系统的组装及光路搭建。利用该光学系统完成了常见液体的折射率测量,对于折射率小于1.5530的液体,其折射率测量准确度优于0.0002RIU;对于折射率在1.3330到折射率1.4312的液体,其折射率测量准确度优于0.0001RIU,优于阿贝折射仪。

关键词：变焦系统液芯柱透镜 PDMS基片液体折射率

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基于液芯柱透镜实现透明液体质量分数的测量

物理实验 2023年第5期43卷 18-24页

作者：孙丽存刘倩兰王萌张继仙欧全宏郑永刚云南师范大学物理与电子信息学院云南昆明650500 云南省光电信息技术重点实验室云南昆明650500

通过测量基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)基片的液芯柱透镜的后焦距,可实现液体折射率的快速测量;根据液体质量分数与折射率之间的良好线性关系,准确计算出待测透明液体的质量分数.搭建光学测量系统,以NaCl溶液和蔗糖溶液为例,构建了液体质量... 详细信息

通过测量基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)基片的液芯柱透镜的后焦距,可实现液体折射率的快速测量;根据液体质量分数与折射率之间的良好线性关系,准确计算出待测透明液体的质量分数.搭建光学测量系统,以NaCl溶液和蔗糖溶液为例,构建了液体质量分数与液体折射率的关系模型,实现了溶液质量分数的测量,并对其测量不确定度进行了分析.基于PDMS基片的液芯柱透镜对注入其中的液体折射率的最小分辨能力优于0.0002 RIU,质量分数测量不确定度可控制在0.12%以内.该测量方法适用于微量液体折射率及质量分数的测量.

关键词：液体质量分数液体折射率液芯柱透镜几何光学

测量液体折射率的一种新方法——液芯柱透镜散焦宽度法

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大学物理 2022年第4期41卷 21-26页

作者：王艳王瑞仙赵庆好孟伟东普小云云南大学物理与天文学院云南昆明650091

本文提出了一种基于消球差复合液芯柱透镜快速、准确测量液体折射率的新方法——液芯柱透镜散焦宽度法.该方法利用消球差复合液芯柱透镜在较宽折射率范围内系统球差小、成像准确的特点,基于不同折射率在成像系统上呈现一一对应的散焦图... 详细信息

本文提出了一种基于消球差复合液芯柱透镜快速、准确测量液体折射率的新方法——液芯柱透镜散焦宽度法.该方法利用消球差复合液芯柱透镜在较宽折射率范围内系统球差小、成像准确的特点,基于不同折射率在成像系统上呈现一一对应的散焦图像,仅需采集一幅散焦图像即可得到待测液体的折射率.用该方法测量了室温(20℃)下21组不同液体的折射率,测量结果与用阿贝折射仪测量结果一致,用ZEMAX和光线追迹逐面成像法仿真的散焦宽度图像与实验图像一致.用该方法测量液体折射率具有系统简单、稳定性好、操作简便、测量速度快等特点.

关键词：液体折射率液芯柱透镜散焦图像宽度消球差

基于液芯柱透镜测量磷肥水溶液的液相扩散系数

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基于液芯柱透镜测量磷肥水溶液的液相扩散系数

作者：周志和云南大学

学位级别：硕士

液相扩散系数（D值）是研究传质过程,计算传质速率及化工设计与开发的重要基础数据,广泛应用于物理、化学、医学、食品生物、环境保护等科学领域。本文以非对称液芯柱透镜作为成像元件和扩散池,测量了三种磷肥水溶液随温度变化的D值。... 详细信息

液相扩散系数（D值）是研究传质过程,计算传质速率及化工设计与开发的重要基础数据,广泛应用于物理、化学、医学、食品生物、环境保护等科学领域。本文以非对称液芯柱透镜作为成像元件和扩散池,测量了三种磷肥水溶液随温度变化的D值。文中采用“等折射率薄层移动法”,通过测量和分析不同时刻的一系列扩散图像,得到扩散体系的折射率以及混合溶液的浓度沿扩散方向的空间分布,基于Fick第二定律和实验数据获得扩散系数数值。测量结果与泰勒分散法的结果进行分析对比,验证了等折射率薄层移动法测量结果的可靠性。三种磷肥水溶液D值的测量,对湖泊水污染过程数学模型的建立及求解具有重要的应用价值,其在湖泊水污染的防治方面有重要的科学和环保意义。论文主要研究内容和结果如下:1.以非对称液芯柱透镜作为成像元件和扩散池,采用“等折射率薄层移动法”测量了室温（293.15 K）及“无限稀”条件下磷酸氢二铵（DAP）、磷酸二氢铵（MAP）和磷酸二氢钾（KDP）水溶液的D值。2.采用半导体温控装置精准控制扩散溶液的温度,在293.15 K～318.15 K的温度范围内,用“等折射率薄层移动法”测量了三种磷肥水溶液的D值,并证明三种磷肥水溶液随温度变化的D值满足阿伦尼乌斯公式。3.采用高效液相色谱仪,在293.15 K～318.15 K的温度范围内,基于泰勒分散法原理及相关计算公式,测量了三种磷肥水溶液的D值,并证明三种磷肥水溶液随温度变化的D值也满足阿伦尼乌斯公式。4.分析比较了“等折射率薄层移动法”与泰勒分散法的测量结果,证明两种测量方法测量出的D值是相近的,D值均满足阿伦尼乌斯公式。结果表明:两种独立测量方法得到的三种磷肥水溶液的D值以及阿伦尼乌斯表达式是可靠的。

关键词：液相扩散系数等折射率薄层移动法液芯柱透镜泰勒分散法磷肥

基于液芯柱透镜测量三种盐类溶解过程的物性参数

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基于液芯柱透镜测量三种盐类溶解过程的物性参数

作者：刘哲云南大学

学位级别：硕士

扩散和溶解是两种常见的物理化学现象,溶解度、扩散系数和溶解速率常数是研究固体溶解过程中的三个重要物性参数,在材料、制药、化工、生物和环保等多个领域都有重要的应用价值。近年来新型药物以及固体化合物的研制工作,急需对其物性... 详细信息

扩散和溶解是两种常见的物理化学现象,溶解度、扩散系数和溶解速率常数是研究固体溶解过程中的三个重要物性参数,在材料、制药、化工、生物和环保等多个领域都有重要的应用价值。近年来新型药物以及固体化合物的研制工作,急需对其物性参数的测量结果,以及创新型的测量方法。基于非对称液芯柱透镜,本文提出了一种同时测量固体溶解过程中溶解度、溶解速率常数和扩散系数的新方法,并用这种方法测量了三种盐类的物性参数,具体工作内容如下:1.介绍了对于溶解过程的研究现状,提出了一种基于液芯柱透镜研究固体溶质在水溶液中溶解过程的光学测量方法,其优势在于可通过一组实验数据同时测量溶解度、溶解速率常数和扩散系数,并具有操作简便、溶解过程可视化的特点。2.介绍了相关理论基础,对Fick定律和Noyes-Whitney方程进行理论推导,以扩散长度为媒介发现了两者之间的联系,且实验结果符合理论预期。3.以非对称液芯柱透镜为核心光学元件搭建光学实验系统,完成了三种盐类（氯化钾、氯化钠、氯化铵）固体溶质在水溶液中的溶解扩散实验,计算了溶解度、扩散系数和溶解速率常数三种物性参数,通过实验对比的方法解释了溶解质量曲线中的边界条件问题,并通过等折射率薄层移动法对扩散系数的计算结果进行了验证。4.研究了不同温度条件下（293.15K-303.15K）氯化铵固体溶质在水溶液中的静态溶解过程,通过实验图像得到了溶解度、溶解速率常数与温度之间的关系。实验结果表明:氯化铵水溶液溶解度和静态溶解速率常数随温度升高而增大,且测量结果满足阿伦尼乌斯关系,并基于此得到了氯化铵在水溶液中的溶解活化能。

关键词：液芯柱透镜扩散系数溶解速率常数溶解度

基于液芯柱透镜测量三种氮肥水溶液随浓度变化的液相扩散系数

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基于液芯柱透镜测量三种氮肥水溶液随浓度变化的液相扩散系数

作者：贺波云南大学

学位级别：硕士

扩散系数(D)是研究传质过程,计算传质速率及化工设计与开发的重要基础数据,广泛应用于在物理、化学、医学、食品生物、环境保护等科学领域。一般而言,液相扩散系数是溶液浓度的函数D(C),通过大量不同浓度对的扩散实验测量得到。本文非... 详细信息

扩散系数(D)是研究传质过程,计算传质速率及化工设计与开发的重要基础数据,广泛应用于在物理、化学、医学、食品生物、环境保护等科学领域。一般而言,液相扩散系数是溶液浓度的函数D(C),通过大量不同浓度对的扩散实验测量得到。本文非对称液芯柱透镜作为扩散池和成像元件,基于焦平面成像原理,使用CMOS探测器采集实验扩散图像;再根据图像宽度、折射率、溶液浓度之间的关系,得到三种不同氮肥水溶液的实验浓度空间分布(C(z,t)s);用有限差分法求解Fick扩散方程,计算得到与实验同时刻的一系列浓度空间分布函数(C(z,t)s)。最后,通过比较(C(z,t)s)与(C(z,t)s),快速得到三种不同氮肥水溶液D(C)的多项式表达式。主要研究内容和结果如下:1.测量了(C(z,t)s),计算了(C(z,t)s),通过比较(C(z,t)s)和(C(z,t)s),得到D(C)。采用这种方法,测量了三种氮肥(尿素、氯化铵、硫酸铵)水溶液在室温(298.15K)下随浓度变化的液相扩散系数。结果表明:该方法测量得到D(C)多项式表达式结果准确稳定,测量时间短,测量工作量小。2.基于光线追迹原理,用Matlab对三种氮肥水溶液D(C)的多项式表达式进行数值仿真。仿真结果表明:实验图像和仿真图像的“束腰”的漂移位置基本保持一致,且图像的轮廓也基本接近,说明计算得到的三种氮肥水溶液D(C)多项式表达式是准确可靠的。3.得到了288.15K～313.15K温度下,氯化铵水溶液D(C)多项式表达式。利用氯化铵水溶液D(C)多项式表达式,结合阿伦尼乌斯公式,测量了288.15K～313.15K温度下,随浓度变化的扩散活化能。测量结果表明:氯化铵水溶液液相扩散系数随着温度的升高而增大,测量结果符合阿伦尼乌斯公式;扩散活化能随浓度增大而减小。

关键词：氮肥液芯柱透镜仿真图像液相扩散系数

基于液芯柱透镜的液相扩散系数测量及扩散图像的仿真

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基于液芯柱透镜的液相扩散系数测量及扩散图像的仿真

作者：陈艳云南大学

学位级别：硕士

液相扩散系数是研究传质过程（传质速率）的重要基础数据,在化工、物理、生物、医学及环保等领域都有着广泛应用。由于理论分析的困难,通常采用实验方法测量液相扩散系数。本文基于液芯柱透镜的焦平面成像原理,用等折射率薄层移动法对... 详细信息

液相扩散系数是研究传质过程（传质速率）的重要基础数据,在化工、物理、生物、医学及环保等领域都有着广泛应用。由于理论分析的困难,通常采用实验方法测量液相扩散系数。本文基于液芯柱透镜的焦平面成像原理,用等折射率薄层移动法对室温（25℃）下不同浓度的二甘醇和甘氨酸水溶液的扩散系数进行了实验测量。通过对测量结果的分析,提出了折射率薄层的选取原则。基于光线追迹原理,本论文还对扩散过程进行了数值模拟仿真。论文的主要内容和结果如下:1、基于等折射率薄层移动法,测量了室温下不同浓度的二甘醇水溶液以及不同浓度的甘氨酸水溶液的扩散系数,分析了液体折射率薄层选取对扩散系数测量结果造成的影响。结果表明:只有当选取的液体折射率薄层与所测量的目标溶液折射率相接近时,浓度梯度较小,依据误差函数解得到的扩散系数才稳定（标准偏差σ≤0.03×10-5cm2/s）和准确（相对误差≤3%）。2、基于光线追迹原理,将扩散系数视为常数,用Matlab对不同浓度的二甘醇水溶液以及不同浓度的甘氨酸水溶液扩散过程进行数值仿真。仿真结果表明,只有当选取的折射率薄层接近目标溶液折射率时,浓度梯度较小,仿真图像的“腰”与实验图像的“腰”随时间漂移速率一致。但当折射率薄层偏离目标溶液折射率时,随着浓度梯度的增大,仿真图像与实验图像“腰”随时间漂移速率不再一致,且仿真图像失真。仿真结果进一步证实了用等折射率薄层移动法测量液相扩散系数时折射率薄层的选取原则。3、基于二甘醇和甘氨酸水溶液随浓度变化的实验扩散系数,通过拟合分析分别得到各自的扩散系数随浓度变化的经验公式。采用光线追迹法,对溶液扩散过程进行数值仿真。仿真结果表明,无论选取的折射率薄层接近还是偏离目标溶液折射率,“腰”的漂移速率都与实验一致,仿真图像轮廓也与实验图像较为接近。这一结果再次说明了扩散系数随浓度变化,仅有在浓度梯度小时,扩散系数才能视为常数进行计算。同时也对实验扩散图像的数值仿真提出了一种较为可行的方法。

关键词：液相扩散系数液芯柱透镜折射率薄层扩散图像仿真