[发明专利]一种适用于透明液体折射率测量的方法

说明书

技术领域

本发明属于物质折射率测量技术领域，涉及一种适用于透明液体折射率测量的方法。

背景技术

折射率为透明物质的光学性质。光在真空中的传播速度与光在透明物质中的传播速度之比，称之为该物质的折射率。液体折射率可用于探究纯质液体的分子结构以及混合溶液中不同分子间的相互作用。就流体热物理性质研究领域而言，折射率可用于纯质液体或混合溶液的密度预测和理论推算。在工程热物理学科的实践领域中，折射率的温度系数反映了燃料的性能，如均质压燃、预混合压燃等，将柴油的折射率可用于检验柴油的质量。液体折射率数据在科学研究和工程实践中的诸多领域均有应用。

液相折射率的测量方法种类众多，大体可分为两类方法：几何光学法和波动光学法。几何光学法是根据基本几何光学原理，如折射、全反射等来测量折射率。经典的液体折射率几何光学测量方法有最小偏转法、全反射法(Abbe折射计的测量原理)和V棱镜法等；波动光学法是利用光的波动性质进行折射率测量。经典的折射率光干涉测量方法有Mach-Zehnder干涉法、Michelson干涉法、Jamin干涉法、反射光栅干涉法、毛细管干涉法等。相比于几何光学法，光干涉法所需元件少、光路系统调试相对简单。同时，光干涉法对折射率的测量具有空间分辨能力，可以测量待测样品在整个探测区域的折射率分布。在流体热物理性质研究领域中，探究折射率随温度和压力变化规律是必不可少的。然而，几何光学法中装填待测液体的实验本体一般就是测量系统中的棱镜，不同温度和压力下棱镜折射率和形状的细微变化会影响实验测量，而在光干涉法折射率的测量系统中，实验本体往往和干涉光路是相互独立互不影响的，可以更方便地在实验系统中可以加入温度和压力控制装置，以实现不同温度和压力下折射率测量。此外，随着高稳定性激光器以及CCD传感器的快速发展，光干涉法测量折射率的精度也越来越高。经过多年的发展，光干涉法在液体折射率的测量上表现了很好的适用性。

波动光学法测量液体的折射率的一种典型设备如图2所示，包括干涉光路、实验单元和检测分析单元，其中，

实验单元具有透光的实验本体9、精密电控转台10和温度压力测控系统，实验本体9内能填充待测液体；温度压力测控系统用于加入并控制待测量液体的温度和压力；干涉光路具有从同一光束分出的参考光和探测光，其中，探测光透射实验本体9后与参考光干涉形成干涉图像，干涉图像被检测分析单元检测和分析；精密电控转台10承载实验本体9，用于控制探测光透射实验本体9的入射角并将入射角信号传输给检测分析单元。然而，现有的液体折射率光干涉测量方法也存在一些问题：(1)小入射角测量中，折射率测量不确定度较大，测量结果波动显著，精度较低；大入射角测量中，测量精度有所提升，然而对实验本体结构设计和干涉光路布置的要求较高。(2)光干涉法中的干涉条纹变化由两部分组成，分别由待测液体样本和实验本体的视窗玻璃引起，需要将本体视窗引起的附加干涉条纹消除。目前多采用直接法对其进行消除。然而视窗玻璃多采用组分复杂的石英玻璃，无法得到其折射率随温度、入射光波长变化的完整、准确的参考数据。往往需要事先测量本体视窗玻璃在各个实验温度和波长条件下的折射率，显著增大了实验强度；消除本体视窗引起的附加干涉条纹的另一种方法是间接法，即在相同的实验条件下，构造一个包含由两部分空腔的实验本体，一部分装满待测液体，另一部分不填充。分别记录两部分产生的干涉条纹变化数并相减即可得到待测液体产生的干涉条纹变化数。这种方法的弊端在于难以保证两部分本体视窗玻璃的组分、结构尺寸或所处测量环境完全一致，从而引起实验偏差。(3)光干涉法需要确定激光垂直入射实验本体视窗的位置，这是减小旋转角度测量偏差，提高折射率测量精度的关键。然而，现有的方法中多采用人眼观察的确定方式，精度很低。相关文献中也曾报道过可以采用光电传感器进行判别，这种方法判断精度有所提升，但其装置和操作较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于透明液体折射率测量的方法，其能够解决小入射角情况下实验数据波动幅度大的问题，提高了实验测量精度。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种适用于透明液体折射率测量的方法，包括步骤：

1)实验本体内抽真空，通入干涉光路，设定实验温度；

2)转动实验本体并进而改变探测光的入射角；实时采集并记录实验本体旋转对应的入射角和对应的干涉图像；

3)向实验本体内填充待测量液体至实验压力，转动实验本体并进而改变探测光的入射角；实时采集并记录实验本体旋转对应的入射角和对应的干涉图像；