专利名称：一种空气折射率测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及空气折射率的测量，尤其涉及一种基于嵌入式系统的空气折射率测量系统。
背景技术：
空气折射率是表征介质光学特性的物理量。在介质分析和许多科研部门中都会遇到空气折射率的测量问题，如高温物体周围温度场分布的测量、飞行器的空气动力学分析等。所以，能够准确、快速地测量出空气折射率是非常重要的。现有一般的空气折射率测量系统操作复杂，可适应恶劣环境性差，精度相对较低，难以适应当今测量技术提出的高精度、智能化、人性化的新要求。为此，有报道采用迈克尔逊干涉仪测量法、Edlen经验公式法、相位比较法等实现对空气折射率的测量。复旦大学的马秀芳在《大学物理实验》提出了使用由迈克尔逊干涉仪、密封玻璃管、气压及充气皮囊组成的仪器来测量空气折射率，但其条纹计数采用人工计数法，即用人眼观察变化的干涉条纹，这种计数方法极易造成眼睛疲劳且影响读数的准确性。北京林业大学的孙琳琳在《基于单片机测量空气折射率》提出了利用单片机，在Edlen经验公式的基础上，以空气中的温度、相对湿度、大气压力为参数，测量空气折射率的方法。哲里木畜牧学院的通辽提出了使用瑞利干涉仪、钠灯、抽气筒、压力计等组成的实验装置来测量空气折射率。同样，其对干涉条纹的计数仍采用人眼计数的方法。中南大学的王辉在《基于相位比较法测量空气折射率的研究》中提出了一种基于相位比较法，根据空气中声速测量的原理，通过测量波长，达到对空气折射率的间接测量，其实验需要解决的问题主要集中在标尺的精度上面，依靠标尺的读数来测得红外线波长的波长，但标尺的精度对实验结果有效性的影响较大，对实验仪器的要求较高。北京理工大学的李东光在《真空腔测量空气折射率的方法及精度分析》中提出了用预抽取密封真空腔测量空气折射率的方法和装置，该方法采用了干涉测量技术，保持了干涉法测量空气折射率能反映所有导致折射率变化的环境因素的特点，同时精简了用于抽气的真空泵、真空规、阀门等设备，避免了在测量过程中抽气时测量带来的干扰，但其在计数干涉条纹的变化值所采用方法仍是人工观察法，当干涉条纹数达到几百条以上时，容易造成人眼疲劳导致计数出错，且不适应当今测量技术提出自动化的趋势。上述方法虽然都取得了一定的效果，但仍难以适应当今测量技术提出的高精度、 智能化、人性化的要求。
实用新型内容针对现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种计算精确、操作简单的空气折射率测量系统。为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为一种空气折射率测量系统，包括形成干涉条纹的光学干涉成像模块和与光学干涉成像模块连接的气压泵模块，气压泵模块用于改变所测空气气压，还包括依次连接的图像信号捕获与转换模块、数据采集与传输模块和嵌入式系统数据处理模块，所述图像信号捕获与转换模块与光学干涉成像模块连接。光学干涉成像模块形成干涉环并成像于光屏上，图像信号捕获与转换模块将干涉环光信号转换为电信号，数据采集及传输模块将电信号转换为数字信号并传输到嵌入式系统数据处理模块，嵌入式系统数据处理模块接收来自数据采集传输模块的数字信号并对其进行处理实现干涉环的自动计数。作为一种优选方案，所述光学干涉成像模块包括有迈克尔逊干涉仪和成像屏，所述迈克尔逊干涉仪设置有光源、透镜、分光板、第一反射镜、补偿板、第二反射镜、成像屏，光源经透镜扩束后，光线以45 °入射角到达分光板，分光板与补偿板互相平行设置，且分光板、补偿板均与第一反射镜和第二反射镜成45°夹角放置；第一反射镜和第二反射镜所在平面互相垂直，光学干涉成像模块利用迈克尔逊干涉仪形成干涉环并成像于成像屏上。作为一种优选方案，所述气压泵模块包括玻璃气室和向玻璃气室充放气的气囊， 按压充气皮囊向玻璃气室充气，使玻璃气室内的气压增加。所述玻璃气室连接有气压计，显示玻璃气室的气压。作为一种优选方案，所述图像信号捕获与转换模块包括相互光连接的光学镜头和 CCD传感器，所述光学镜头与成像屏光连接，图像信号捕获与转换模块利用CCD传感器将来自于成像屏的干涉环光信号转换为电信号。作为一种优选方案，所述成像屏和CXD传感器置于一遮光箱内，不仅可以减少外部自然光对实验的干扰，而且线阵CCD传感器采集捕获干涉条纹图像时也可以使得光信号的对比度增强。作为一种优选方案，所述数据采集与传输模块采用A/D数据采集卡进行数据采集，经A/D数据采集卡将模拟量转换为数字量，送至嵌入式系统进行数据处理，从而自动记录干涉条纹的计数，不用人工读数。本实用新型的工作原理为当长度为L的玻璃气室里的气压由标准大气压强？3变到0时，折射率便由η变化到1，设由干涉仪产生的相应干涉条纹变化数为Am，将压强变化记为Δ ρ = P1-P2,条纹变化记为Am = Hi1I2,则可得到本系统对空气折射测量的测量公
H A Am
式外，式中λ为激光波长，L为玻璃气室的长度，故测量空气折射率的值只 2L Ap
需要确定条纹变化数为Δπι以及压强变化Δρ即可，而压强变化Δρ可由气压计读数得到， 条纹变化数Δπι则通过嵌入式系统数据处理模块计算得到。与现有技术相比较，本实用新型具有以下优点本实用新型能精确地、自动地测量出空气压强变化所导致的干涉条纹变化数，从而精确地测出了空气折射率的数值。相比已有的空气折射率测量方法，本实用新型专利操作简单方便，自动化水平高，测量精度高，系统稳定可靠。
图1为本实用新型结构示意框图；图2为本实用新型中的迈克尔逊干涉仪结构示意图；[0017]图3为本实用新型结构示意图；图4为利用本实用新型测量的干涉环与气压差的线性拟合图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进行详细的描述。如图1、图3所示，本实用新型一种嵌入式空气折射率测量系统，其包括带有迈克尔逊干涉仪的光学干涉成像模块、带有玻璃气室3的气压泵模块、带有线阵CCD传感器5的图像信号捕获与转换模块、数据采集及传输模块、以及嵌入式系统数据处理模块。气压泵模块与迈克尔逊干涉仪连接，光学干涉成像模块利用迈克尔逊干涉仪形成干涉环并成像于光学干涉成像模块的成像屏4上，图像信号捕获与转换模块利用光学镜头6和CCD传感器5 将干涉环光信号转换为电信号，数据采集及传输模块经A/D数据采集卡7将来自CCD传感器5的电信号转换为数字信号，嵌入式系统数据处理模块接收来自数据采集及传输模块的数字信号并对其进行处理实现干涉环的自动计数。如图2所示，该迈克尔逊干涉仪包括第一反射镜M1、第二反射镜M2、分光板G1、补偿板&、光源S。用He-Ne激光器作光源，通过短焦距透镜L1扩束，使均勻照亮迈克尔逊干涉仪，调节第一反射镜M1和第二反射镜M2垂直。光源S发出的一束光线经分光板G1分为第一光线1和第二光线2，第一光线1垂直射到反射镜M1后，沿原路返回，并透过分光板G1到达成像屏4，第二光线2通过补偿板G2后垂直射到反射镜M2,然后自反射镜M2沿原路返回到分光板G1，并由分光板G1的半反射膜将光反射到达成像屏4。这样第一光线1和第二光线2是相干光，在空间相遇时就会出现干涉现象。成像屏4置于一遮光箱的底部，线阵CXD传感器5也置于遮光箱内部。该遮光箱呈一长方体状，其具有一进光窗，不仅可以减少外部自然光对实验的干扰，而且线阵CCD传感器5采集捕获干涉条纹图像时也可以使得光信号的对比度增强。为了测量空气折射率，在迈克尔逊干涉仪的光滑导轨上放置一个与气压泵相连长度为L的密封玻璃气室3，玻璃气室3连接有气囊9，将气囊9的旋钮开关旋紧，按压气囊9 向玻璃气室充气，由气压计8读数得到玻璃气室3内的压强变化Δp，通过嵌入式系统数据
处理模块计算得到条纹变化数Δπι。由公式
权利要求1.一种空气折射率测量系统，包括形成干涉条纹的光学干涉成像模块和与光学干涉成像模块连接的气压泵模块，气压泵模块用于改变所测空气气压，其特征在于，还包括依次连接的图像信号捕获与转换模块、数据采集与传输模块和嵌入式系统数据处理模块，所述图像信号捕获与转换模块与光学干涉成像模块连接。
2.根据权利要求1所述的空气折射率测量系统，其特征在于，所述光学干涉成像模块包括有迈克尔逊干涉仪和成像屏(4)，所述迈克尔逊干涉仪设置有光源(Γ )、透镜(L1X分光板(G1 )、第一反射镜(M1X补偿板(G2 )、第二反射镜(均)、成像屏(4)，光源(S )经透镜 (L1)扩束后，光线以45°入射角到达分光板(、)，分光板(G1)与补偿板(G2)互相平行设置，且分光板(G1 )、补偿板(G2)均与第一反射镜(Af1)和第二反射镜(Ai2)成45°夹角放置；第一反射镜(Ai1)和第二反射镜(Af2 )所在平面互相垂直。
3.根据权利要求1所述的空气折射率测量系统，其特征在于，所述气压泵模块包括玻璃气室(3)和向玻璃气室充放气的气囊(9)。
4.根据权利要求3所述的空气折射率测量系统，其特征在于，所述玻璃气室(3)连接有气压计(8)。
5.根据权利要求2所述的空气折射率测量系统，其特征在于，图像信号捕获与转换模块包括相互光连接的光学镜头(6)和CXD传感器(5)，所述光学镜头(6)与成像屏(4)光连接。
6.根据权利要求5所述的空气折射率测量系统，其特征在于，所述成像屏(4)和CCD传感器(5)置于一遮光箱内。
7.根据权利要求1所述的空气折射率测量系统，其特征在于，所述数据采集与传输模块采用A/D数据采集卡(7)进行数据采集。
专利摘要本实用新型公开了一种空气折射率测量系统，包括光学干涉成像模块和与光学干涉成像模块连接的气压泵模块，气压泵模块用于改变所测空气气压，还包括依次连接的图像信号捕获与转换模块、数据采集与传输模块和嵌入式系统数据处理模块，所述图像信号捕获与转换模块与光学干涉成像模块连接。本实用新型能精确地、自动地测量出空气压强变化所导致的干涉条纹变化数，从而精确地测出了空气折射率的数值。
文档编号G01N21/45GK202119712SQ201120128500
公开日2012年1月18日 申请日期2011年4月27日 优先权日2011年4月27日
发明者周少贤, 巩文科, 张晶, 胡麟, 连伟灿, 陈木波, 陈燕凯 申请人:广东外语外贸大学