基于双劈尖与马赫曾德尔干涉仪的透明液体浓度测量装置

本发明涉及一种透明液体浓度测量装置，属于物理教学领域。

背景技术：

1、当前测量液体浓度的方法有比重法、电导法、超声波法与光学法等，对于透明液体光学方法是比较适用的。相比于其他方法，光学法具有精度高，无需接触，不会对液体造成污染等优势。

2、折射率是透明液体介质最明显、最普遍的光学特性，而且折射率与液体浓度密切相关，选取折射率作为测量的物理量可以计算透明液体的浓度。

3、液体对某一波长的光的折射率受到浓度和温度的影响；以nacl溶液为例，对于波长589.3nm的光，其折射率n与质量分数c％和温度tk有如下经验公式：

4、n＝1.3373+(1.7682·10-3)c-(5.8·10-6)c2-(1.3531·10-4)(t-273.15)-(5.1·10-8)(t-273.15)2 (1)，通常可以省去浓度量的二阶项，因此，在温度恒定时可近似认为折射率与浓度满足线性关系，相关系数达0.99963。由(1)式可知，若环境温度改变，折射率与浓度之间的线性关系仍然成立，而且该线性关系的斜率不受温度影响。大部分离子液体均符合这一线性关系，因此，可以通过测量折射率计算出溶液的浓度。

5、测定折射率的方法可大致分为几何光学法与波动光学法两类。

6、几何光学法主要有临界角法、成像法、分光仪法、阿贝折射仪法等。其测量原理是根据折射定律、反射定律通过测量有关角度来求出待测物折射率。

7、波动光学法中较常用的方法有劈尖干涉、迈克尔逊干涉、法布里-珀罗(f-p)干涉、瑞利干涉仪、布儒斯特角、旋光计等方法，是根据光在介质中发生的光程、偏振、吸收等现象测量介质的光学特性。

8、对于折射率的测量，目前应用最广泛的是阿贝折射仪，其原理如图3所示，用显微镜测量液体------玻璃界面上的临界折射角，通过折射定律测得液体与玻璃折射率比值，测量折射率的精度很高，可达0.0002。但阿贝折射仪在测定折射率时，也存在着如下问题：

9、1、阿贝折射仪使用环境白光作为光源的情况下，会出现色散现象，难以确定半阴线。增加补偿棱镜固然可解决这个问题，但会使装置愈加复杂；

10、2、受到玻璃折射率对临界折射角的限制，其对于折射率的测量范围局限在1.3到1.7之间。

11、同时，现有市面上的阿贝折射仪进行了对于蔗糖溶液质量分数锤度brix的定标，也可直接读出蔗糖溶液浓度，但存在着如下问题：

12、1、由于液体折射率不仅与浓度有关，还受到温度的影响，需要外接恒温器以控制温度，方可准确测量浓度；

13、2、现有大多数阿贝折射仪仅实现了对蔗糖溶液浓度与折射角之间的定标，在测量其他溶液时需要测定折射率，再间接推算浓度；

14、西安交通大学何茂刚团队提出了利用马赫曾德尔干涉仪与旋转比色皿法测量折射率的方法，这种方法具有精度与灵敏度高、可以通过算法排除比色皿拭视窗干扰等优点，折射率精度可以达到千分之一，但也存在着如下问题：

15、1、由于角度测量是不确定度的主要来源，因此对电控转台稳定性与精度要求较高；

16、2、需要旋转，对测量过程中液体的稳定性要求较高。

17、综上，现有阿贝折射仪使用环境白光作为光源的情况下，会出现色散现象，难以确定半阴线，且受到玻璃折射率对临界折射角的限制，其对于折射率的测量范围局限在1.3到1.7之间；现有马赫曾德尔干涉仪由于角度测量是不确定度的主要来源，因此对电控转台旋转稳定性与角度精度要求较高，同时对测量过程中液体的稳定性要求较高。

技术实现思路

1、本发明为解决现有阿贝折射仪和马赫曾德尔干涉仪在进行液体折射率测量时，均存在缺陷和不足的问题，进而提出基于双劈尖与马赫曾德尔干涉仪的透明液体浓度测量装置。

2、本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括第一反射镜、外壳、分束合束系统、光学平台、ccd摄像机、衰减片、激光器、激光架、样品池、第二反射镜和扩束镜；

3、外壳是顶部开口的盒体，光学平台设置在外壳内，光学平台的下表面与外壳内的底面平行，激光器通过激光架安装在光学平台的上表面，第一反射镜、所述分束合束系统、ccd摄像机、衰减片、第二反射镜和扩束镜均安装在光学平台的上表面，第二反射镜的光束入射面朝向激光器的光束发射口，第二反射镜的光束射出面朝向扩束镜的光束入射口，扩束镜的光束射出口朝向第一反射镜的光束入射面，第一反射镜的光束射出面朝向所述分束合束系统的光束入射口，样品池设置在所述分束合束系统内，所述分束合束系统的光束射出口朝向衰减片的一侧，ccd摄像机的摄像镜头朝向衰减片的另一侧；

4、所述样品池是双劈尖样品池，样品池由长方形槽体、中心隔板和分隔壁组成，中心隔板沿长方形槽体的对角线设置在长方形槽体内，中心隔板将长方形槽体内分成两个直角三角形槽体，一个直角三角形槽体为标准液b区，分隔壁设置在另一个直角三角形槽体，且分隔壁将另一个直角三角形槽体分成标准液a区和待测溶液区。

5、进一步的，长方形槽体、中心隔板和分隔壁均是透明光学玻璃制作的。

6、进一步的，所述分束合束系统包括分束分光棱镜、第三反射镜、一维移动台、合束分光棱镜和第四反射镜；

7、分束分光棱镜、第三反射镜、一维移动台和第四反射镜均安装在光学平台的上表面，合束分光棱镜安装在一维移动台上，分束分光棱镜的光束入射口朝向第一反射镜的光束射出面，分束分光棱镜的一个光束射出面朝向第四反射镜的光束入射面，第四反射镜的光束射出面朝向合束分光棱镜的光束入射面，分束分光棱镜另一个光束射出面朝向样品池的光束入射口，第三反射镜的光束入射面朝向样品池的的光束射出口，第三反射镜的光束射出面朝向合束分光棱镜的光束入射面，合束分光棱镜的光束射出面朝向衰减片的一侧。

8、进一步的，所述基于双劈尖与马赫曾德尔干涉仪的透明液体浓度测量装置还包括保护罩，保护罩安装在外壳的开口处。

9、进一步的，保护罩由两个透明罩体组成，两个罩体对称设置，每个所述罩体的外边缘与外壳开口处的端部边缘转动连接。

10、进一步的，保护罩是透明材质制作的。

11、进一步的，激光器是氦氖激光器。

12、本发明的有益效果是：使用本发明测量溶液浓度，无需直接测量劈尖角度θ和马赫曾德尔干涉仪自身所带有的劈尖角、玻璃槽装配夹角、玻璃前后表面夹角，无需测量温度或保证实验条件恒温，无需预先获知光源波长，无需获知折射率浓度关系斜率，仅需保证二者线性关系较好即可，相较于现有方案具有显著的优越性与简便性；本发明测量溶液溶度的不确定度为0.5％，对溶液浓度测量的绝对误差约为0.2～0.6％，使用水平方向画幅为1280×5.2μm的ccd时，适宜条纹间距约为56～160个像素为宜，对应到浓度上，以氯化钠溶液为例，适合测量的浓度范围为n2±15％(n2为标准液b浓度)；本发明在不同温度下进行测试，测得折射率差基本一致、浓度基本一致。说明排除了温度的影响；本发明使用简便，速度较快，10s即可完成对一种溶液浓度的测量。