一种基于复合光路的液膜厚度测量仪及其测量方法

本发明属于光学仪器领域，具体涉及一种基于复合光路的液膜厚度测量仪及其测量方法。

背景技术：

1、现有的液膜厚度测量方法通常为直接接触方法，包括使用物理接触技术，使用探针或传感器，以测量液膜的厚度。这些方法可能会导致液膜污染、损伤或干扰，尤其是在对液膜敏感性要求很高的情况下。

2、且现有的液膜厚度测量方法使用传统的光学技术，使用干涉仪或反射光谱仪，以分析光波与液膜的相互作用。这些方法易受到入射光角度、光路长度和复杂的液膜性质的影响，导致测量不稳定或不准确。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于复合光路的液膜厚度测量仪及其测量方法，用以解决现有技术中测量液膜厚度需要进行液膜接触的问题。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种基于复合光路的液膜厚度测量仪，所述液膜厚度测量仪包括复色光光源、透明玻璃板、光屏及光路分析器；

4、所述复色光光源发出自然光，以平行于透明玻璃板60°方向射入透明玻璃板，透明玻璃板导出的散射光落到液膜表面，经过液膜表面的反射，最后落到光屏上，通过对落在光屏上的光进行分析，可以得到液膜表面的结构。

5、一种基于复合光路的液膜厚度测量仪，所述透明玻璃板与所需测量的液膜平行设置；

6、所述复色光光源为广谱的自然光；

7、所述透明玻璃板尺寸为30mm*60mm*60mm，正方形面平行与液膜。

8、一种基于复合光路的液膜厚度测量仪，所述光路分析器以角度分辨率分解入射光路，并精确记录不同波长光路成分的强度。

9、一种基于复合光路的液膜厚度测量仪的测量方法，所述测量方法使用如上述的基于复合光路的液膜厚度测量仪，所述测量方法包括以下步骤：

10、步骤1：光路分析器采集光屏上的光；

11、步骤2：基于步骤1采集到的的光及入射光线的几何关系，描述反射光线的直线；

12、步骤3：由步骤2描述的反射光线的直线，得到折射率与光频率之间的关系；

13、步骤4：基于步骤3折射率与光频率之间的关系，得到不同频率的光与xr的分布关系；

14、步骤5：基于光屏的位置与反射光的直线方程的关系，进行公式的简化，得到反射光的方程；

15、步骤6：基于反射光的方程与接收板方程联立，得到光位于接收板的位置；

16、步骤7：利用建立的几何模型和光路分析数据，求解微分方程以计算液膜的厚度；

17、步骤8：将测得的液膜厚度数据输出到显示器，以便用户查看或进一步分析。

18、一种基于复合光路的液膜厚度测量仪的测量方法，所述步骤1具体为，建立几何模型，以描述液膜的光学特性；

19、所述步骤2具体为，在仪器识别范围内，在液膜分布的xr处，使用笛卡尔坐标系描述反射光线的直线：

20、

21、其中xr为液膜分布的x方向坐标值。

22、一种基于复合光路的液膜厚度测量仪的测量方法，所述步骤3具体为，折射率与光频率之间的关系由康普顿关系来描述，

23、

24、其中n是折射率，λ是光的波长，a、b、c是常数。

25、一种基于复合光路的液膜厚度测量仪的测量方法，所述步骤4具体为，所以光经过透明玻璃板会产生分光效应，我们通过这种分光效应可以得到近似连续的不同频率的光与xr的分布关系：

26、

27、本公式是xr与光的频率的关系式，n是波长的函数，波长的倒数乘以光速是光的频率。

28、其中d为透明玻璃板厚度，θ为入射光线与地面的夹角，n为相对折射率，为当前液膜在xr处切线与地面的夹角，θ为入射光线与地面的夹角，δ为液膜厚度。

29、一种基于复合光路的液膜厚度测量仪的测量方法，所述步骤5具体为，与δ之间的联系为：

30、

31、其中为液膜厚度对于xr的导数；

32、当光屏的位置与反射光的直线方程的关系

33、

34、简化公式得到

35、

36、反射光方程为

37、

38、其中，(x，y)为反射光坐标系的x轴与y轴。

39、一种基于复合光路的液膜厚度测量仪的测量方法，所述步骤6具体为，

40、

41、其中右式代表该能量的光位于接收板的位置。

42、一种基于复合光路的液膜厚度测量仪的测量方法，所述步骤7利用建立的几何模型和光路分析数据，求解微分方程以计算液膜的厚度，由于微分方程为一阶微分方程，根据光屏传感器获得的图像来建立xk与xr之间的关系，通过光屏获取光的频率获得xr的数值通过求解该方程便可获得液膜表面结构的分布图。

43、本发明的有益效果是：

44、本发明可用于高精度测量液膜的厚度，具有广泛的应用前景，可以在核工程领域用于研究波形板干燥器中的液膜破裂现象。

45、本发明可以实时、准确地测量液体薄膜的厚度，而无需物理接触或干扰。

46、本发明通过分析入射光和反射光之间的夹角、入射点的斜率以及光路在光屏上的位置，建立了一个几何模型来描述液膜的光学特性。然后，通过求解微分方程，可以计算出液膜的厚度，从而实现非接触测量。

技术特征：

1.一种基于复合光路的液膜厚度测量仪，其特征在于，所述液膜厚度测量仪包括复色光光源、透明玻璃板、光屏及光路分析器；

2.根据权利要求1所述一种基于复合光路的液膜厚度测量仪，其特征在于，所述透明玻璃板与所需测量的液膜平行设置；

3.根据权利要求1所述一种基于复合光路的液膜厚度测量仪，其特征在于，所述光路分析器以角度分辨率分解入射光路，并精确记录不同波长光路成分的强度。

4.一种基于复合光路的液膜厚度测量仪的测量方法，其特征在于，所述测量方法使用如权利要求1-3任一所述的基于复合光路的液膜厚度测量仪，所述测量方法包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述一种基于复合光路的液膜厚度测量仪的测量方法，其特征在于，所述步骤1具体为，建立几何模型，以描述液膜的光学特性；

6.根据权利要求4所述一种基于复合光路的液膜厚度测量仪的测量方法，其特征在于，所述步骤3具体为，折射率与光频率之间的关系由康普顿关系来描述，

7.根据权利要求4所述一种基于复合光路的液膜厚度测量仪的测量方法，其特征在于，所述步骤4具体为，所以光经过透明玻璃板会产生分光效应，我们通过这种分光效应可以得到近似连续的不同频率的光与xr的分布关系：

8.根据权利要求7所述一种基于复合光路的液膜厚度测量仪的测量方法，其特征在于，所述步骤5具体为，与δ之间的联系为：

9.根据权利要求8所述一种基于复合光路的液膜厚度测量仪的测量方法，其特征在于，所述步骤6具体为，

10.根据权利要求4所述一种基于复合光路的液膜厚度测量仪的测量方法，其特征在于，所述步骤7利用建立的几何模型和光路分析数据，求解微分方程以计算液膜的厚度，由于微分方程为一阶微分方程，根据光屏传感器获得的图像来建立xk与xr之间的关系，通过光屏获取光的频率获得xr的数值通过求解该方程便可获得液膜表面结构的分布图。

技术总结
本发明属于光学仪器领域，具体涉及一种基于复合光路的液膜厚度测量仪及其测量方法。所述复色光光源发出自然光，以平行于透明玻璃板60°方向射入透明玻璃板，透明玻璃板导出的散射光落到液膜表面，经过液膜表面的反射，最后落到光屏上，通过对落在光屏上的光进行分析，可以得到液膜表面的结构。用以解决现有技术中测量液膜厚度需要进行液膜接触的问题。

技术研发人员：胡少纯,王博,朱禹翰,张佳奕
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15