用液芯柱透镜的瞬时折射率空间分布测量液相扩散系数的方法
【专利摘要】用液芯柱透镜的瞬时折射率空间分布测量液相扩散系数的方法，属于光学测量液相扩散系数的方法。本发明以液芯柱透镜作为液相扩散池和成像元件，在介质扩散时间内选择若干采样点，利用MicrosoftVisualBasic程序控制CMOS芯片采集瞬时扩散图像，根据图像像宽与折射率的对应关系得出折射率ni与位置Zi的序偶集，再通过Fick第二定律直接计算出液相扩散系数。用纯水分别与乙二醇以及不同浓度的蔗糖溶液的扩散实验表明，该方法测量速度极快（小于1秒），测量数值准确（相对误差小于3%）。
【专利说明】用液芯柱透镜的瞬时折射率空间分布测量液相扩散系数的方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明属于光学测量液相扩散系数的方法，特别是通过CMOS采集得到瞬时图像即可自动、快速得到折射率的空间分布和扩散系数。
【背景技术】
[0003]液相扩散系数是研究传质过程，计算传质速率及化工设计与开发的重要基础数据，已广泛应用在生物、化工、医学及环保等新兴行业中。但液相扩散系数主要依靠实验方法获得，即间接地测量溶液随空间和时间扩散分布所形成的浓度，根据扩散过程Fick定律计算液相扩散系数。这些测量方法要求高稳定性的仪器设备，成本贵，测量时间长，还没有一种仪器简化，且能精确、快速地测量液相扩散系数的方法。
[0004]本发明提出之前，我们根据平行光经过装有不同液体的柱透镜后会聚焦点位置不同的物理现象，提出了利用柱透镜测量液体折射率的原理和方法(普小云，白然，邢曼男等，中国发明专利ZL200710066016.2[P];邢曼男，白然，普小云，精确测量微量液体折射率的新方法[J]，“光学精密工程”，2008，16(7)，1196-1202);李强，孙丽存，孟伟东，普小云，用液芯变焦柱透镜精确测量液体折射率[J]，“中国激光”，2012，39 (10)，1008005-Γ?008005-7)ο在柱透镜成像法测量折射率的基础上，我们研究了液相扩散过程，提出了用等折射率薄层测量液相扩散系数的方法。(李强，李宇，孙丽存等，中国发明专利ZL201110283339.3 [P])基于非对称液芯柱透镜精确测量液体折射率及液相扩散系数的装置”(孙丽存，普小云，孟伟东等，实用新型专利ZL2013205785108[P]);“基于非对称液芯柱透镜精确测量液体折射率及液相扩散系数的方法”(孙丽存，普小云，孟伟东等，中国发明专利201310412166X[P]);李强，普小云，用毛细管成像法测量液相扩散系数一等折射率薄层测量方法[J]，(“物理学报”，2013，62 (9)，094206-1 ?094206-7);LI Qiang PU Xiao-Yun,YANG Ru1-Fen, ZHAI Ying,Measurement of Diffus1n Coefficient of Liquids by Usingan Asymmetric Liquid-Core Cylindrical Lens: Observing the Diffus1n ProcessDirectly [J], (“CHIN.PHYS.LETT”，2014，31 (5)，054203-1 ?054203-4。)与折射率测量法、动态光散射测量法、荧光分子示踪测量法、放射性元素示踪测量法和全息干涉法相比，用等折射率薄层测量液相扩散系数的方法需要的测量时间大幅度缩短，且抗干扰能力强、系统稳定性好，进步明显。但是，等折射率薄层测量方法需要采集不同扩散时刻的多幅扩散图像，多幅图像的采集要求使等折射率薄层方法不是一种液相扩散系数的瞬时测量方法。
【发明内容】
[0005]为了进一步缩短液相扩散系数的测量时间，提高抗环境干扰能力和测量效率，本发明基于液芯柱透镜测量液体折射率及液相扩散系数的装置和方法，提出一种液相扩散系数的瞬时测量方法，即基于液芯柱透镜的瞬时折射率空间分布测量液相扩散系数的方法。
[0006](一)本发明基于液芯柱透镜的瞬时折射率空间分布测量液相扩散系数的方法，包括:
(1)测量两种溶液扩散开始前在界面(Z=O)两边的初始浓度q和G，根据式(I)计算扩散溶液浓度:
/ (λ(Ζ,Ι)) =+C0, m 与 C0 为常数，(I)
根据高斯反误差函数计算
【权利要求】
1.用液芯柱透镜的瞬时折射率空间分布测量液相扩散系数的方法，包括步骤: (1)测量两种溶液扩散开始前在界面(Z=O)两边的初始浓度q和G，根据式(I)计算扩散溶液浓度:与 G 为常数(I); 根据高斯误差反函数计算构成空间分布的序偶关系 1? _ΑΛ/(Μ|(4Ι)卜的集； (2)对乙与进行线性拟合，得到方程，计算扩散系数D:Z=t^erfimr{[f [n{2?￡))-.........*.....?..........1 ]/[.....}-b ,其中,,t = 2^/Λ ；
>￡t -- 其特征是: (1)得到式(I)折射率Wi(? 的方法是: 用单色平行光为柱透镜入射光，待柱透镜内注入的两种液体扩散后形成在观察屏ff上清晰成像的折射率为和像宽为的若干液体薄层，在时刻七采集一幅液体扩散图像，使各液体薄层经非对称柱透镜的成像光束的焦距 <满足关系: A kd ?, = (2)
^-Li 其中，A是在傍轴情况下的柱透镜通光孔径,d为观察屏邙与柱透镜管轴之间的距离；(2)记录式(I)中折射率为Hi的液体薄层到溶液分界面的距离Zi;将式(I)计算得到的焦距Cli值代入柱透镜高斯成像公式得到折射率》2 (ζ ,?)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是采集一幅液体扩散图像的时刻?在1500s?2700s范围内。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是在柱透镜内的两种液体扩散后，选择10个以上各液体薄层的位置作为折射采样点，即i彡?ο。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是或者用刻度尺测量像宽和位置乙，或者编写程序控制图像传感器(7)，用计算机(8)采集和分析图像的像宽Σ?和位置A对应关系，两种之中优选后者。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征是或者用刻度尺测量像宽和位置乙，或者编写程序控制图像传感器(7)，用计算机(8)采集和分析图像的像宽&和位置A对应关系，两种之中优选后者。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是进一步取得任意时刻的扩散通量J = -D-γ胃，其中，D表不扩散系数，.■丨一表不浓度梯度，负号表不扩散方向为浓度梯度的反
dxdx方向。
【文档编号】G01N21/41GK104165863SQ201410440938
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年9月2日 优先权日:2014年9月2日
【发明者】孟伟东, 普小云, 孙丽存, 杨瑞芬, 瞿影 申请人:云南大学