任俊鵬，姚 志，王文成

(西安航空學(xué)院 理學(xué)院，西安 710077)

折射率是表征透明、半透明液體光學(xué)性質(zhì)的重要物理量，根據(jù)測(cè)量待測(cè)液體折射率同步獲取液體的其它物理參數(shù)，已成為液體物理參數(shù)測(cè)量的基本方法之一[1-3]。目前，液體折射率測(cè)量方法和儀器已有很多，在實(shí)驗(yàn)室中常用的有基于幾何光學(xué)(折射、反射)原理的阿貝折射儀方法等和基于物理光學(xué)(干涉、衍射)原理的邁克爾遜干涉儀方法等。雖然這些方法的測(cè)量原理不同，但其共同特點(diǎn)是必須取一定量的待測(cè)液體，置于測(cè)量?jī)x器或測(cè)量系統(tǒng)中的確定位置，通過儀器的調(diào)節(jié)才能獲取液體的折射率值，即測(cè)量中液體離開了原來位置或改變了原來的狀態(tài)，且測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取具有非實(shí)時(shí)性，顯然都屬于離線測(cè)量法[4-5]。而對(duì)于具有腐蝕性或毒性的液體物理參數(shù)的測(cè)量，離線測(cè)量往往會(huì)對(duì)操作人員和環(huán)境造成不良影響。特別是在化工、食品、醫(yī)藥等工業(yè)化生產(chǎn)中，更多的要求實(shí)時(shí)在線獲取液體的折射率，進(jìn)而獲得液體的其它物理參數(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的同步調(diào)控[6-7]。因此，液體折射率的實(shí)時(shí)在線測(cè)量技術(shù)，有著廣泛的市場(chǎng)需求，受到了相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)人員的充分關(guān)注并進(jìn)行相關(guān)研究[8-9]。本文基于光的全反射原理研制出一種探頭式液體折射率測(cè)量裝置，該裝置只需將探頭浸入待測(cè)液體中就能馬上形成與液體折射率大小相關(guān)的光學(xué)圖像，進(jìn)而由此圖像實(shí)時(shí)獲取待測(cè)液體折射率數(shù)值，不需任何調(diào)試，抗干擾性好，具有較高的商用價(jià)值。

1 探頭式液體折射率測(cè)量裝置的檢測(cè)技術(shù)

1.1 檢測(cè)原理

在平板玻璃的上表面涂覆光透射散射層，下表面浸入待測(cè)量液體中，如圖1所示。

圖1探頭式裝置的測(cè)量原理

當(dāng)激光束垂直照射平板玻璃上表面時(shí)，激光束在透過光透射散射層的過程中受到光透射散射層材料中大量微米級(jí)固體顆粒物的散射，成為高發(fā)散度的輻射狀光，輻射狀的光線透過平板玻璃入射到與待測(cè)液體的界面后，由于玻璃折射率n2大于待測(cè)液體折射率n1，因此，在界面上入射角小于臨界角θc的散射光，透過平板玻璃，折射進(jìn)入待測(cè)液體。而入射角等于、大于臨界角的散射光將發(fā)生全反射，反射到平板玻璃上表面的透射散射層上，全反射公式為：

sinθc=n1/n2

(1)

在圖1中，由上向下觀察，即可看到以透射散射層上激光束入射光點(diǎn)為中心，邊界清晰、對(duì)比度高的圓形暗斑圖像。根據(jù)圖1分析可得：

由(1)、(2)式可知：

(3)式中d為圓形暗斑的直徑長(zhǎng)度，顯然在平板玻璃厚度h及折射率n2已知的情況下，通過圓形暗斑直徑d的測(cè)量，就可獲得待測(cè)液體的折射率n1。

1.2 檢測(cè)平臺(tái)搭建

探頭式液體折射率測(cè)量裝置的整體結(jié)構(gòu)與外觀如圖2、圖3所示。

圖2探頭式液體折射率測(cè)量系統(tǒng) 圖3探頭式液體折射率測(cè)量裝置樣機(jī)

探頭式測(cè)量裝置整體形狀為具有上下底面的黑色圓柱體形，其上底面為透明圓形蓋板，下底為內(nèi)側(cè)表面涂覆透射散射層的透明玻璃原片，圓柱體內(nèi)部為中空狀態(tài)并裝有COMS及半導(dǎo)體激光器。裝置內(nèi)部的半導(dǎo)體激光器和CMOS分別垂直安裝在玻璃圓片圓心處和上方蓋板的圓心處，以此保證圖像傳感器的光軸與玻璃圓片的中心點(diǎn)和半導(dǎo)體激光器的中心軸同軸。圖像傳感器采集的圖像信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)按設(shè)定程序進(jìn)行處理計(jì)算，自動(dòng)獲得液體的折射率值。測(cè)量液體折射率時(shí)，清洗凈測(cè)量裝置下端玻璃圓片外露光學(xué)面，按圖2所示浸入液體中，即可直接獲取液體的折射率值，因此稱為探頭式測(cè)量裝置。透明平板玻璃圓片和半導(dǎo)體激光器，構(gòu)成本測(cè)量裝置的測(cè)量傳感組件，即將待測(cè)液體折射率值轉(zhuǎn)換成直徑大小符合(3)式的圓形暗斑圖像。

平板玻璃圓片上表面的透射散射層由白色油漆噴涂而成，其作用一是入射激光束通過透射散射層后變?yōu)楦甙l(fā)散度的輻射狀光；二是平板玻璃圓片與待測(cè)液體界面上的全反射光，投射到透射散射層上，形成安裝在殼體上端蓋板幾何中心的圖像傳感器可直接采集的圓形暗斑圖像。通過實(shí)驗(yàn)確定，透明平板玻璃采用透明石英玻璃圓片，透射散射層的厚度在70-100μm，采用波長(zhǎng)為532nm的綠色激光器，形成的圓形暗斑圖像邊界清晰、對(duì)比度高。

2 測(cè)量方法

用圖像傳感器采集與待測(cè)液體折射率相關(guān)的圓形暗斑圖像并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)以采集的圓形暗斑圖像幾何中心為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系(見圖4)，獲得圓形暗斑直徑長(zhǎng)度在X軸和Y軸上所對(duì)應(yīng)的總像素點(diǎn)數(shù)的平均值P0，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)液體定標(biāo)得到的單位長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)數(shù)，可知圓形暗斑直徑的具體數(shù)值L，再利用(3)式，計(jì)算機(jī)按設(shè)定程序計(jì)算出待測(cè)液體折射率。

2.1 定標(biāo)方法

改用圖像傳感器實(shí)現(xiàn)光學(xué)圖像尺度的測(cè)量，必須首先確定出測(cè)量圖像單位長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的像素個(gè)數(shù)，即對(duì)測(cè)量系統(tǒng)定標(biāo)。本文定標(biāo)采用的標(biāo)準(zhǔn)液體為蒸餾水，環(huán)境溫度控制在25℃。定標(biāo)方法為：燒杯中倒入蒸餾水，然后將測(cè)量探頭插入蒸餾水中，接通激光器電源，通過計(jì)算機(jī)觀察圖像傳感器采集的圓形暗斑圖像，調(diào)節(jié)圖像傳感器焦距至圓形暗斑圖像邊界清晰，并獲得圓形暗斑直徑長(zhǎng)度在X軸和Y軸上所對(duì)應(yīng)的總像素點(diǎn)數(shù)的平均值P0。

根據(jù)(3)式得蒸餾水所形成的圓形暗斑直徑的理論計(jì)算值：

式中，d0為蒸餾水所形成的暗斑直徑的計(jì)算值， n0為25℃下的蒸餾水的折射率，h為石英玻璃厚度，n2為石英玻璃折射率。此時(shí)圓形暗斑直徑長(zhǎng)度與所對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)總數(shù)的比值：

k=d0/p0

(5)

式中，k即為定標(biāo)值，定標(biāo)后的圖像傳感器焦距固定。測(cè)量過程中環(huán)境溫度變化大于定標(biāo)溫度0.5℃時(shí)，需要重新定標(biāo) 。

2.2 暗斑直徑的測(cè)量

與待測(cè)液體環(huán)境溫度相同的條件下定標(biāo)后的測(cè)量探頭，直接插入待測(cè)液體中，直徑大小與待測(cè)液體折射率符合(3)式的圓形暗斑圖像，光照即顯，不需調(diào)試。通過圖像傳感器獲得的圓形暗斑圖像如圖4所示。

圖4中，區(qū)域1為半導(dǎo)體激光器的投影，區(qū)域2為全反射形成的直徑與液體折射率相關(guān)的圓形暗斑圖像，區(qū)域3為全反射形成的環(huán)狀光亮區(qū)，區(qū)域4為激光器導(dǎo)線的投影。在圖4所示的圓形暗斑圖像上，自左向右(X軸方向)，由下向上(Y軸方向)，計(jì)算機(jī)掃描所得的圓形暗斑圖像像素點(diǎn)-光強(qiáng)分布曲線如圖5所示。

圖4圓形暗斑圖像 圖5圓形暗斑在X軸，Y軸方向上像素點(diǎn)-光強(qiáng)分布掃描曲線

在圖5中，X軸方向掃描曲線上的兩個(gè)峰值之間的像素點(diǎn)總數(shù)為mx，在Y軸方向掃描曲線上的兩個(gè)峰值之間的像素點(diǎn)總數(shù)為my，像素點(diǎn)總數(shù)的平均值即p=(mx+my)/2，圓形暗斑的直徑則為：

d=pk

(6)

根據(jù)(3)式，計(jì)算機(jī)按設(shè)定程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同步顯示出待測(cè)液體的折射率n1。

3 測(cè)量結(jié)果與分析

本文所述的測(cè)量結(jié)果均在25±0.5℃的溫度環(huán)境下進(jìn)行。裝置的圓筒狀殼體高度選擇180mm，內(nèi)徑60mm，外徑70mm；圖像傳感器采用Microsoft公司生產(chǎn)的HD-3000CMOS，其成像最大分辨率為1280*720；平板石英玻璃圓片的厚度h=5mm、折射率n2=1.4601；采用波長(zhǎng)532nm、功率10mw、發(fā)散度小于1mrad的半導(dǎo)體激光器作為光源；以蒸餾水作為定標(biāo)液體，其折射率 =1.3325。根據(jù)(4)式計(jì)算可得，形成的圓形暗斑直徑的理論計(jì)算值d0=87.6mm，圓形暗斑直徑長(zhǎng)度在X軸和Y軸上所對(duì)應(yīng)的總像素點(diǎn)數(shù)的平均值P0=136，由(5)式得，定標(biāo)值k=0.644。以NaCl水溶液為測(cè)量對(duì)象，配制濃度分別為3.1%、4.1%、5.9%、7.9%、8.8%、11.7%以及16.1%等不同濃度的NaCl水溶液，用本測(cè)量裝置與阿貝折射儀進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1。

以不同液體為測(cè)量對(duì)象，如甲醇、乙醚、丙酮、乙醇等溶液，用本測(cè)量裝置與阿貝折射儀進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表1 不同濃度NaCl溶液折射率測(cè)量結(jié)果

表2 不同種類液體折射率測(cè)量結(jié)果

表1、表2中參考值為阿貝折射儀測(cè)量得出，測(cè)量值均由探頭式裝置測(cè)量。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比看出，探頭式液體折射率測(cè)量裝置與阿貝折射儀測(cè)量值的相對(duì)誤差僅在0.05%-0.06%之間。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)中觀察到該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、抗干擾性好、測(cè)量精度較高、制造成本低的特點(diǎn)。測(cè)量液體折射率時(shí)，探頭式直接插入待測(cè)液體中，與液體折射率相關(guān)的光學(xué)圖像，光照即顯，不需調(diào)試，測(cè)量數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)同步獲取，完全滿足了實(shí)時(shí)在線測(cè)量的要求，在化工、醫(yī)藥、食品飲料、環(huán)境監(jiān)測(cè)和科研等領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

但在其它元器件參數(shù)確定的情況下，激光束在平板玻璃上表面透射散射層上聚集度的優(yōu)劣，對(duì)圓形暗斑圖像邊界的清晰度影響很大，直接影響了折射率的測(cè)量精度。因此，宜采用自聚焦透鏡等聚光元件，提高激光束在透射散射層上的聚集度，進(jìn)一步提高測(cè)量精度。另外，如同其它基于全反射原理的液體折射率測(cè)量?jī)x器，本裝置的測(cè)量范圍受到平板玻璃折射率的限制。因此，需要針對(duì)不同折射率范圍的液體測(cè)量，選用不同厚度或折射率的平板玻璃作為傳感成像元件。后續(xù)工作中將探討通過改變傳感成像玻璃下表面的形狀，擴(kuò)大其測(cè)量范圍。