探头式液体折射率测量装置的设计

任俊鹏，姚 志，王文成

(西安航空学院 理学院，西安 710077)

折射率是表征透明、半透明液体光学性质的重要物理量，根据测量待测液体折射率同步获取液体的其它物理参数，已成为液体物理参数测量的基本方法之一[1-3]。目前，液体折射率测量方法和仪器已有很多，在实验室中常用的有基于几何光学(折射、反射)原理的阿贝折射仪方法等和基于物理光学(干涉、衍射)原理的迈克尔逊干涉仪方法等。虽然这些方法的测量原理不同，但其共同特点是必须取一定量的待测液体，置于测量仪器或测量系统中的确定位置，通过仪器的调节才能获取液体的折射率值，即测量中液体离开了原来位置或改变了原来的状态，且测量数据的获取具有非实时性，显然都属于离线测量法[4-5]。而对于具有腐蚀性或毒性的液体物理参数的测量，离线测量往往会对操作人员和环境造成不良影响。特别是在化工、食品、医药等工业化生产中，更多的要求实时在线获取液体的折射率，进而获得液体的其它物理参数，实现生产过程的同步调控[6-7]。因此，液体折射率的实时在线测量技术，有着广泛的市场需求，受到了相关领域专业人员的充分关注并进行相关研究[8-9]。本文基于光的全反射原理研制出一种探头式液体折射率测量装置，该装置只需将探头浸入待测液体中就能马上形成与液体折射率大小相关的光学图像，进而由此图像实时获取待测液体折射率数值，不需任何调试，抗干扰性好，具有较高的商用价值。

1 探头式液体折射率测量装置的检测技术

1.1 检测原理

在平板玻璃的上表面涂覆光透射散射层，下表面浸入待测量液体中，如图1所示。

图1探头式装置的测量原理

当激光束垂直照射平板玻璃上表面时，激光束在透过光透射散射层的过程中受到光透射散射层材料中大量微米级固体颗粒物的散射，成为高发散度的辐射状光，辐射状的光线透过平板玻璃入射到与待测液体的界面后，由于玻璃折射率n2大于待测液体折射率n1，因此，在界面上入射角小于临界角θc的散射光，透过平板玻璃，折射进入待测液体。而入射角等于、大于临界角的散射光将发生全反射，反射到平板玻璃上表面的透射散射层上，全反射公式为：

sinθc=n1/n2

(1)

在图1中，由上向下观察，即可看到以透射散射层上激光束入射光点为中心，边界清晰、对比度高的圆形暗斑图像。根据图1分析可得：

由(1)、(2)式可知：

(3)式中d为圆形暗斑的直径长度，显然在平板玻璃厚度h及折射率n2已知的情况下，通过圆形暗斑直径d的测量，就可获得待测液体的折射率n1。

1.2 检测平台搭建

探头式液体折射率测量装置的整体结构与外观如图2、图3所示。

图2探头式液体折射率测量系统 图3探头式液体折射率测量装置样机

探头式测量装置整体形状为具有上下底面的黑色圆柱体形，其上底面为透明圆形盖板，下底为内侧表面涂覆透射散射层的透明玻璃原片，圆柱体内部为中空状态并装有COMS及半导体激光器。装置内部的半导体激光器和CMOS分别垂直安装在玻璃圆片圆心处和上方盖板的圆心处，以此保证图像传感器的光轴与玻璃圆片的中心点和半导体激光器的中心轴同轴。图像传感器采集的图像信号传输至计算机，由计算机按设定程序进行处理计算，自动获得液体的折射率值。测量液体折射率时，清洗净测量装置下端玻璃圆片外露光学面，按图2所示浸入液体中，即可直接获取液体的折射率值，因此称为探头式测量装置。透明平板玻璃圆片和半导体激光器，构成本测量装置的测量传感组件，即将待测液体折射率值转换成直径大小符合(3)式的圆形暗斑图像。

平板玻璃圆片上表面的透射散射层由白色油漆喷涂而成，其作用一是入射激光束通过透射散射层后变为高发散度的辐射状光；二是平板玻璃圆片与待测液体界面上的全反射光，投射到透射散射层上，形成安装在壳体上端盖板几何中心的图像传感器可直接采集的圆形暗斑图像。通过实验确定，透明平板玻璃采用透明石英玻璃圆片，透射散射层的厚度在70-100μm，采用波长为532nm的绿色激光器，形成的圆形暗斑图像边界清晰、对比度高。

2 测量方法

用图像传感器采集与待测液体折射率相关的圆形暗斑图像并传输到计算机，计算机以采集的圆形暗斑图像几何中心为原点，建立直角坐标系(见图4)，获得圆形暗斑直径长度在X轴和Y轴上所对应的总像素点数的平均值P0，根据标准液体定标得到的单位长度所对应的像素点数，可知圆形暗斑直径的具体数值L，再利用(3)式，计算机按设定程序计算出待测液体折射率。

2.1 定标方法

改用图像传感器实现光学图像尺度的测量，必须首先确定出测量图像单位长度所对应的像素个数，即对测量系统定标。本文定标采用的标准液体为蒸馏水，环境温度控制在25℃。定标方法为：烧杯中倒入蒸馏水，然后将测量探头插入蒸馏水中，接通激光器电源，通过计算机观察图像传感器采集的圆形暗斑图像，调节图像传感器焦距至圆形暗斑图像边界清晰，并获得圆形暗斑直径长度在X轴和Y轴上所对应的总像素点数的平均值P0。

根据(3)式得蒸馏水所形成的圆形暗斑直径的理论计算值：

式中，d0为蒸馏水所形成的暗斑直径的计算值， n0为25℃下的蒸馏水的折射率，h为石英玻璃厚度，n2为石英玻璃折射率。此时圆形暗斑直径长度与所对应的像素点总数的比值：

k=d0/p0

(5)

式中，k即为定标值，定标后的图像传感器焦距固定。测量过程中环境温度变化大于定标温度0.5℃时，需要重新定标 。

2.2 暗斑直径的测量

与待测液体环境温度相同的条件下定标后的测量探头，直接插入待测液体中，直径大小与待测液体折射率符合(3)式的圆形暗斑图像，光照即显，不需调试。通过图像传感器获得的圆形暗斑图像如图4所示。

图4中，区域1为半导体激光器的投影，区域2为全反射形成的直径与液体折射率相关的圆形暗斑图像，区域3为全反射形成的环状光亮区，区域4为激光器导线的投影。在图4所示的圆形暗斑图像上，自左向右(X轴方向)，由下向上(Y轴方向)，计算机扫描所得的圆形暗斑图像像素点-光强分布曲线如图5所示。

图4圆形暗斑图像 图5圆形暗斑在X轴，Y轴方向上像素点-光强分布扫描曲线

在图5中，X轴方向扫描曲线上的两个峰值之间的像素点总数为mx，在Y轴方向扫描曲线上的两个峰值之间的像素点总数为my，像素点总数的平均值即p=(mx+my)/2，圆形暗斑的直径则为：

d=pk

(6)

根据(3)式，计算机按设定程序进行数据处理，同步显示出待测液体的折射率n1。

3 测量结果与分析

本文所述的测量结果均在25±0.5℃的温度环境下进行。装置的圆筒状壳体高度选择180mm，内径60mm，外径70mm；图像传感器采用Microsoft公司生产的HD-3000CMOS，其成像最大分辨率为1280*720；平板石英玻璃圆片的厚度h=5mm、折射率n2=1.4601；采用波长532nm、功率10mw、发散度小于1mrad的半导体激光器作为光源；以蒸馏水作为定标液体，其折射率 =1.3325。根据(4)式计算可得，形成的圆形暗斑直径的理论计算值d0=87.6mm，圆形暗斑直径长度在X轴和Y轴上所对应的总像素点数的平均值P0=136，由(5)式得，定标值k=0.644。以NaCl水溶液为测量对象，配制浓度分别为3.1%、4.1%、5.9%、7.9%、8.8%、11.7%以及16.1%等不同浓度的NaCl水溶液，用本测量装置与阿贝折射仪进行对比测量，测量结果如表1。

以不同液体为测量对象，如甲醇、乙醚、丙酮、乙醇等溶液，用本测量装置与阿贝折射仪进行对比测量，测量结果如表2所示。

表1 不同浓度NaCl溶液折射率测量结果

表2 不同种类液体折射率测量结果

表1、表2中参考值为阿贝折射仪测量得出，测量值均由探头式装置测量。从实验数据的对比看出，探头式液体折射率测量装置与阿贝折射仪测量值的相对误差仅在0.05%-0.06%之间。

4 结论

实验中观察到该装置具有结构简单、操作方便、抗干扰性好、测量精度较高、制造成本低的特点。测量液体折射率时，探头式直接插入待测液体中，与液体折射率相关的光学图像，光照即显，不需调试，测量数据通过计算机同步获取，完全满足了实时在线测量的要求，在化工、医药、食品饮料、环境监测和科研等领域具有较高的应用价值。

但在其它元器件参数确定的情况下，激光束在平板玻璃上表面透射散射层上聚集度的优劣，对圆形暗斑图像边界的清晰度影响很大，直接影响了折射率的测量精度。因此，宜采用自聚焦透镜等聚光元件，提高激光束在透射散射层上的聚集度，进一步提高测量精度。另外，如同其它基于全反射原理的液体折射率测量仪器，本装置的测量范围受到平板玻璃折射率的限制。因此，需要针对不同折射率范围的液体测量，选用不同厚度或折射率的平板玻璃作为传感成像元件。后续工作中将探讨通过改变传感成像玻璃下表面的形状，扩大其测量范围。