探頭式液體折射率測量裝置的設計

任俊鵬，姚 志，王文成

(西安航空學院 理學院，西安 710077)

折射率是表征透明、半透明液體光學性質的重要物理量，根據測量待測液體折射率同步獲取液體的其它物理參數，已成為液體物理參數測量的基本方法之一[1-3]。目前，液體折射率測量方法和儀器已有很多，在實驗室中常用的有基于幾何光學(折射、反射)原理的阿貝折射儀方法等和基于物理光學(干涉、衍射)原理的邁克爾遜干涉儀方法等。雖然這些方法的測量原理不同，但其共同特點是必須取一定量的待測液體，置于測量儀器或測量系統中的確定位置，通過儀器的調節才能獲取液體的折射率值，即測量中液體離開了原來位置或改變了原來的狀態，且測量數據的獲取具有非實時性，顯然都屬于離線測量法[4-5]。而對于具有腐蝕性或毒性的液體物理參數的測量，離線測量往往會對操作人員和環境造成不良影響。特別是在化工、食品、醫藥等工業化生產中，更多的要求實時在線獲取液體的折射率，進而獲得液體的其它物理參數，實現生產過程的同步調控[6-7]。因此，液體折射率的實時在線測量技術，有著廣泛的市場需求，受到了相關領域專業人員的充分關注并進行相關研究[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量裝置，該裝置只需將探頭浸入待測液體中就能馬上形成與液體折射率大小相關的光學圖像，進而由此圖像實時獲取待測液體折射率數值，不需任何調試，抗干擾性好，具有較高的商用價值。

1 探頭式液體折射率測量裝置的檢測技術

1.1 檢測原理

在平板玻璃的上表面涂覆光透射散射層，下表面浸入待測量液體中，如圖1所示。

圖1探頭式裝置的測量原理

當激光束垂直照射平板玻璃上表面時，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固體顆粒物的散射，成為高發散度的輻射狀光，輻射狀的光線透過平板玻璃入射到與待測液體的界面后，由于玻璃折射率n2大于待測液體折射率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，折射進入待測液體。而入射角等于、大于臨界角的散射光將發生全反射，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為中心，邊界清晰、對比度高的圓形暗斑圖像。根據圖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的測量，就可獲得待測液體的折射率n1。

1.2 檢測平臺搭建

探頭式液體折射率測量裝置的整體結構與外觀如圖2、圖3所示。

圖2探頭式液體折射率測量系統 圖3探頭式液體折射率測量裝置樣機

探頭式測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，下底為內側表面涂覆透射散射層的透明玻璃原片，圓柱體內部為中空狀態并裝有COMS及半導體激光器。裝置內部的半導體激光器和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和半導體激光器的中心軸同軸。圖像傳感器采集的圖像信號傳輸至計算機，由計算機按設定程序進行處理計算，自動獲得液體的折射率值。測量液體折射率時，清洗凈測量裝置下端玻璃圓片外露光學面，按圖2所示浸入液體中，即可直接獲取液體的折射率值，因此稱為探頭式測量裝置。透明平板玻璃圓片和半導體激光器，構成本測量裝置的測量傳感組件，即將待測液體折射率值轉換成直徑大小符合(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為高發散度的輻射狀光；二是平板玻璃圓片與待測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。通過實驗確定，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，采用波長為532nm的綠色激光器，形成的圓形暗斑圖像邊界清晰、對比度高。

2 測量方法

用圖像傳感器采集與待測液體折射率相關的圓形暗斑圖像并傳輸到計算機，計算機以采集的圓形暗斑圖像幾何中心為原點，建立直角坐標系(見圖4)，獲得圓形暗斑直徑長度在X軸和Y軸上所對應的總像素點數的平均值P0，根據標準液體定標得到的單位長度所對應的像素點數，可知圓形暗斑直徑的具體數值L，再利用(3)式，計算機按設定程序計算出待測液體折射率。

2.1 定標方法

改用圖像傳感器實現光學圖像尺度的測量，必須首先確定出測量圖像單位長度所對應的像素個數，即對測量系統定標。本文定標采用的標準液體為蒸餾水，環境溫度控制在25℃。定標方法為：燒杯中倒入蒸餾水，然后將測量探頭插入蒸餾水中，接通激光器電源，通過計算機觀察圖像傳感器采集的圓形暗斑圖像，調節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度在X軸和Y軸上所對應的總像素點數的平均值P0。

根據(3)式得蒸餾水所形成的圓形暗斑直徑的理論計算值：

式中，d0為蒸餾水所形成的暗斑直徑的計算值， 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。此時圓形暗斑直徑長度與所對應的像素點總數的比值：

k=d0/p0

(5)

式中，k即為定標值，定標后的圖像傳感器焦距固定。測量過程中環境溫度變化大于定標溫度0.5℃時，需要重新定標 。

2.2 暗斑直徑的測量

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

圖4中，區域1為半導體激光器的投影，區域2為全反射形成的直徑與液體折射率相關的圓形暗斑圖像，區域3為全反射形成的環狀光亮區，區域4為激光器導線的投影。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)，計算機掃描所得的圓形暗斑圖像像素點-光強分布曲線如圖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-光強分布掃描曲線

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

d=pk

(6)

根據(3)式，計算機按設定程序進行數據處理，同步顯示出待測液體的折射率n1。

3 測量結果與分析

本文所述的測量結果均在25±0.5℃的溫度環境下進行。裝置的圓筒狀殼體高度選擇180mm，內徑60mm，外徑70mm；圖像傳感器采用Microsoft公司生產的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532nm、功率10mw、發散度小于1mrad的半導體激光器作為光源；以蒸餾水作為定標液體，其折射率 =1.3325。根據(4)式計算可得，形成的圓形暗斑直徑的理論計算值d0=87.6mm，圓形暗斑直徑長度在X軸和Y軸上所對應的總像素點數的平均值P0=136，由(5)式得，定標值k=0.644。以NaCl水溶液為測量對象，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，用本測量裝置與阿貝折射儀進行對比測量，測量結果如表1。

以不同液體為測量對象，如甲醇、乙醚、丙酮、乙醇等溶液，用本測量裝置與阿貝折射儀進行對比測量，測量結果如表2所示。

表1 不同濃度NaCl溶液折射率測量結果

表2 不同種類液體折射率測量結果

表1、表2中參考值為阿貝折射儀測量得出，測量值均由探頭式裝置測量。從實驗數據的對比看出，探頭式液體折射率測量裝置與阿貝折射儀測量值的相對誤差僅在0.05%-0.06%之間。

4 結論

實驗中觀察到該裝置具有結構簡單、操作方便、抗干擾性好、測量精度較高、制造成本低的特點。測量液體折射率時，探頭式直接插入待測液體中，與液體折射率相關的光學圖像，光照即顯，不需調試，測量數據通過計算機同步獲取，完全滿足了實時在線測量的要求，在化工、醫藥、食品飲料、環境監測和科研等領域具有較高的應用價值。

但在其它元器件參數確定的情況下，激光束在平板玻璃上表面透射散射層上聚集度的優劣，對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，進一步提高測量精度。另外，如同其它基于全反射原理的液體折射率測量儀器，本裝置的測量范圍受到平板玻璃折射率的限制。因此，需要針對不同折射率范圍的液體測量，選用不同厚度或折射率的平板玻璃作為傳感成像元件。后續工作中將探討通過改變傳感成像玻璃下表面的形狀，擴大其測量范圍。