一种利用线阵CCD测量液体折射率的装置

一种利用线阵ccd测量液体折射率的装置
技术领域
1.本实用新型属于光学参数测量技术领域，具体涉及一种利用线阵ccd测量液体折射率的装置。


背景技术：

2.折射率是液体的一个重要参数之一，通过折射率可以了解液体的浓度、纯度、光学性质，在液体的制造与生产过程中，需要实时准确地测量其折射率，因此，测量液体的折射率有重要的应用价值。目前，测量液体折射率的方法主要有激光照射法、全反射法、等厚干涉法、迈克尔逊干涉法和光栅衍射法等。
3.公开号为cn110927110a的实用新型专利公开了一种长方体容器盛装液体实现液体折射率测量的方法，其使用平行光垂直照射光屏同心圆圈的圆心，在凸透镜右侧插入长方体容器，倒入液体后，再次找到光束聚焦的焦点，使用光屏所在光具座的位置记录光束焦点移动的位移，即可计算出待测液体折射率。其装置及测量操作简单，然而，其要求平行光的光斑中心与光屏同心圆圈圆心重合，激光光斑足够小至达到近轴的要求，且通过人工判断光束中心，易引入一定的误差。
4.公开号为cn112285059a的实用新型专利公开了一种基于ccd方法测量液体折射率装置，其激光由直径方向射入盛有待测样品的测量容器中，经其折射后进入待测样品形成光路，经交界面折射激光汇聚于交界面一点，需检测激光经待测样品的两个光路宽度和两宽度之间的距离才能计算出折射率，折射率的测量共需要测定五个测量值，测量值较多、测量操作复杂，且待测液体的折射率与所用容器的尺寸、折射率有关，另外，使用标度尺、电子显微镜来定位测量光束，存在一定的测量误差。
5.可见，目前测量液体折射率的装置及方法，都需调整装置各部件的位置，测量操作繁琐，且通过人工判断光束中心，存在一定的的测量误差。因此，有必要提供一种装置及测量操作简单且测量精度高的液体折射率测量装置。


技术实现要素：

6.本实用新型针对现有技术中存在的技术问题，提供一种利用线阵ccd测量液体折射率的装置，其将入射角的测量转化为长度的测量，借助于精度更高的线阵ccd对光束半径的测量，实现液体折射率测量的同时，显著提高测量精度，此外降低测量操作难度。
7.本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：
8.一种利用线阵ccd测量液体折射率的装置，包括底座、用于盛装待测液体的矩形容器和线阵ccd，所述底座上沿水平方向依次固定安装有激光器、光学衰减片、扩束器、凸透镜、用于固定矩形容器的载物台和用于水平移动线阵ccd的平移台，所述线阵ccd以有线方式电性连接有线阵ccd检测模块。
9.在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。
10.进一步，所述激光器、光学衰减片、扩束器、凸透镜、待测液体和线阵ccd的中心在
同一水平线上。
11.进一步，所述激光器、光学衰减片、扩束器和凸透镜均通过支架固定安装在底座上。
12.进一步，所述激光器发出的激光为平行单色准直激光束。
13.进一步，所述平移台包括本体、螺纹连接于线阵ccd的丝杆以及滑动配合于线阵ccd的滑轨；所述丝杆的两端部分别转动连接于本体，且其中一端部固定安装有旋钮，用于驱动线阵ccd水平移动；所述滑轨固定安装在本体上，且平行于丝杆设置，用于对线阵ccd进行导向、限位。
14.进一步，所述线阵ccd检测模块用于检测线阵ccd接收到的光束直径大小，且其具体载体为pc机和安装在pc机上的线阵ccd应用程序软件。
15.进一步，所述矩形容器由透明材料制作而成。
16.本实用新型的有益效果是：
17.1)利用线阵ccd可以更加精确测量光束半径变化值，减小由人为判定引起的测量误差；
18.2)将入射角度的测量转化为长度的测量，借助于精度更高的线阵ccd的测量，测量结果更精确；
19.3)由于本实用新型中四个直接测量值均为长度，因此本实用新型所述装置及各部件的尺寸越大，测量的精度越高，消除了角度测量器件之间距离越大误差越大的不足；
20.4)直接测量值为光束半径，可屏蔽激光器光强噪声及周围环境光的干扰，进一步提高待测液体折射率的测量精确度；
21.5)本实用新型使用时，各部件位置固定后无需调整，四个直接测量值中的三个可在测量前一次性校准好，测量时只需测量一个测量值即可计算出待测液体的折射率，调节步骤更为简化，装置及测量操作简单。
附图说明
22.图1为本实用新型实施例1中一种利用线阵ccd测量液体折射率的装置的整体结构示意图；
23.图2为本实用新型实施例1利用线阵ccd测量液体折射率的原理图；
24.图3为本实用新型实施例1中线阵ccd输出波形图。
25.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
26.1、底座，2、支架，3、激光器，4、光学衰减片，5、扩束器，6、凸透镜，7、载物台，8、矩形容器，9、待测液体，10、平移台，11、线阵ccd，12、线阵ccd检测模块。
具体实施方式
27.以下对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
28.需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语中“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型结构。对于本领域的普通技术人员，可以根据具体情况理解该类术语在本专利中的具体含义。
29.实施例1
30.如图1所示，本实施例所设计的一种利用线阵ccd测量液体折射率的装置，包括底座1、矩形容器8、线阵ccd11和线阵ccd检测模块12。所述底座1上沿水平方向依次固定安装有激光器3、光学衰减片4、扩束器5、凸透镜6、载物台7和用于水平移动线阵ccd11的平移台10。所述激光器3、光学衰减片4、扩束器5和凸透镜6均通过支架2固定安装在底座1上。
31.本实施例中，所述激光器3、光学衰减片4、扩束器5、凸透镜6、待测液体9和线阵ccd11的中心在同一水平线上，以进一步提高待测液体9折射率的测量精度。
32.所述激光器3作为所述装置的光源，本实施例中其为一体式氦氖激光器，型号为hnls008l，发出波长为632.8nm的平行单色准直激光。
33.所述光学衰减片4设置在激光器3发射的光路中，用来调节光强的大小至线阵ccd11探测的范围。
34.所述扩束器5设置在激光器3发射的光路中，用来放大激光光束直径。其型号为be05-10-a，可提供最大10倍的放大倍率，最大可输出48.3mm的光束直径，本实施例输出的光束直径为40mm。
35.所述凸透镜6设置在上述扩大光束直径的光路中，用于汇聚平行光束。本实施例中，所述凸透镜6为平凸透镜，型号为la1145-ab，其焦距f为75mm。
36.本实施例中，所述矩形容器8固定在载物台7上，且其由透明材料制作而成，例如透明玻璃，用于盛装待测液体9。由于矩形容器8通光的两边平行，因此其壁厚以及材料的折射率不会影响待测液体9的折射率测量结果。
37.本实施例中，所述平移台10包括本体、螺纹连接于线阵ccd11的丝杆以及滑动配合于线阵ccd11的滑轨。所述本体上设置有刻度盘，以便于读出线阵ccd11的位移值。所述丝杆的两端部分别转动连接于本体，且其中一端部固定安装有旋钮，用于驱动线阵ccd11水平移动。所述滑轨固定安装在本体上，且平行于丝杆设置，用于对线阵ccd11进行导向、限位。通过旋转旋钮，即可实现线阵ccd11的水平移动，操作便捷。
38.所述线阵ccd11设置在光路中，用于探测上述汇聚光束直径大小，其探测的频率范围包含激光器3发出激光的频率。本实施例中，所述线阵ccd11型号为tcd1208ap二相线阵ccd。
39.优选的，所述激光器3发出激光光束的光强大于线阵ccd11探测光强的饱和值(ccd为饱和探测模式)，以便更加准确的测量光束直径的大小。
40.所述线阵ccd检测模块12与线阵ccd11以有线方式电性连接，用来检测线阵ccd11接收到的光束直径大小，且其具体载体为pc机和安装在pc机上的线阵ccd应用程序软件。
41.如图2所示，本实施例所述装置利用线阵ccd11测量液体折射率的原理如下：线段km为线段gk的延长线，矩形容器8使用透明材料制作而成，通光两边相互平行，矩形容器8的内宽度为l，hk平面为检测面。测量时，在矩形容器8内先不加入待测液体9，一束平行光经过凸透镜6后，光束边缘沿ocegk在k点汇聚；在矩形容器8内加入待测液体9后，折射光线在待测液体9内发生改变，光束边缘沿ocdfh传播至h点。由几何关系可知，线段df和线段eg平行，线段fh和线段gk平行，因此，由待测液体9导致的偏移量de长度与fg、hk相等。则根据几何光学知识可知，待测液体9的折射率n为：
[0042][0043]
(i)式中，k＝a/b，可见本实用新型装置将折射率的测量转换为4个长度(a、b、l、l)的测量，且对不同的待测液体9折射率，a、b、l都是不变的，可在测量前精确校准好，只需在矩形容器8中加入待测液体9后光束边缘的变化量l这一个参数，即可根据上式求出待测液体的折射率n。
[0044]
其中，所述矩形容器8的内宽度l(即待测液体9的厚度)越大，则待测液体9折射率测量的精度越高。另外，为了测量更加准确，对长度测量的精度越高，则待测液体9折射率测量的精度也越高。
[0045]
具体而言，本实施例所述装置利用线阵ccd11测量液体折射率的方法，包括校准和测量两部分。具体包括以下步骤：
[0046]
1)准直激光器3，使激光器3发出的准直平行光束经过凸透镜6汇聚后被线阵ccd11探测；
[0047]
2)将矩形容器8固定安装在载物台7上，且不加入待测液体9，通过平移台10调整线阵ccd11在水平方向的位置，使线阵ccd11的光敏面位于光束的交汇点处，测量线阵ccd11检测到的光束半径大小l1，并记录此时线阵ccd11的位移；
[0048]
3)通过平移台10使线阵ccd11远离上述交汇点一段距离，记录此时线阵ccd11的位移与步骤2)中的位移之差b，同时通过线阵ccd检测模块12测量线阵ccd11检测到的光束半径大小a；
[0049]
4)通过平移台10使线阵ccd11复位至步骤2)中光束的交汇点处；
[0050]
5)向矩形容器8中加入待测液体9，再次测量线阵ccd11检测到的光束半径大小l2；
[0051]
6)将上述测量值代入公式即可测量出待测液体9的折射率n，式中：k＝a/b，l＝l
2-l1，l为矩形容器8的内宽度，即待测液体9的厚度。
[0052]
其中，校准部分包括步骤1)-4)，各部件位置固定、输入凸透镜6的光束直径固定后，a、b、l的值测量一次就确定不变了，即对不同的待测液体9，a、b、l测量值是一样的，只需进行一次校准操作；测量部分包括步骤5)和6)，对于不同的待测液体9，只需测量hk距离(即l的值)就可以了。
[0053]
如图3所示，为本实用新型实施例1中线阵ccd11输出波形图，图中(a)为步骤5)中线阵ccd11输出波形图，(b)为步骤2)中线阵ccd11输出波形图，l即为图2中待测液体9的折射率导致的光束半径变化值l
2-l1。
[0054]
本实施例中，待测液体9为乙醇液体，在589.3nm波长下折射率公认值为1.3614，折算成本实施例波长为632.8nm下折射率为1.2678。如图2、图3所示，使用本实施例中线阵ccd11测量得如图2所示的a值为17.35mm，从平移台10的刻度盘上读出图2所示的b值为50.00mm，使用游标卡尺测量得矩形容器8的内宽度l为40.00mm，使用如图3所示线阵ccd11输出波形测量得l值为3.17mm，因此，代入公式(i)可得待测液体9的折射率n为1.2684，本实施例测量待测液体9的折射率n相对误差为0.05％。
[0055]
本实用新型中未对具体结构做出描述的机构、组件和部件均为现有技术中已经存
在的现有结构。可以从市面上直接购买得到。
[0056]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。