基于液体棱镜的数字式折射仪研究

论文摘要

折射率是表征透明物质光学性质的基本物理量,通过测量折射率可以分析液体的密度、浓度和温度等物理量。阿贝折射仪是目前最常用的折射率测量仪器,广泛应用于各行各业中。随着诸如离子液体、液态聚合物等新型液体材料不断涌现,部分液体材料的折射率已经大于1.70。一般传统折射仪如阿贝折射仪的测量范围为1.301.70,已经不能满足这些新型液体材料的测量需求。法国Cordouan公司有一种折射仪测量范围可达1.20-3.10,但是因为价格高达几十万。低成本、宽测量范围的折射仪是目前折射仪的重要研究方向。本文基于液体棱镜,提出了一个基于广角镜头的数字式折射仪和一个基于定向角入射的数字式折射仪,折射率测量范围可以达到1.003.60,远大于常用的阿贝折射仪（1.301.70）,并且精度高、成本低,可以自动测量、显示结果,操作简便。本文首先基于掠入射测量原理提出了基于广角镜头的数字式折射仪,对其测量原理进行了详细分析和理论推导,基于ZEMAX光学设计软件着重设计了满足折射仪需求的广角镜头,并搭建实验平台做了原理性验证实验,理论与实验结果一致。另外,又提出一种基于定向角入射的数字式折射仪,以激光器代替基于广角镜头数字式折射仪中的LED光源,以定向角入射代替掠入射,使折射仪不需要广角镜头便能采集经液体棱镜折射出来的光信息。通过使用CCD采集光信号,基于Borland C++和Python开发语言以及CSS、HTML、JavaScript等前端技术设计测量软件,实现自动测量。最后,基于所提数字式折射仪,搭建实验平台,测量并分析了不同溶液的折射率与浓度、密度,实验结果表明所提数字式折射仪的重复性是0.04%,测量精度达10-4量级。所提两种数字式折射仪可以减少人工操作带来的不可控误差,同时还能测量和给出溶液的密度和浓度,简化测量操作。本文的工作解决了现有折射仪的测量范围窄或成本高的问题,并且所提数字式折射仪可以自动测量与显示结果,具有较好的应用价值与应用前景。

论文目录

摘要

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第一章绪论

1.1 课题研究背景和研究意义

1.2 折射仪介绍

1.3 数字式折射仪的国内外研究现状

1.4 论文研究的重点和内容安排

第二章折射率的测量方法

2.1 几何光学法

2.1.1 临界角法

2.1.2 全反射法

2.1.3 最小偏向角法

2.1.4 V棱镜法

2.2 波动光学法

2.2.1 F-P干涉测量法

2.2.2 劈尖干涉测量法

2.2.3 迈克尔逊干涉测量法

2.3 光纤传感法

2.4 表面等离子共振法

2.5 本章小结

第三章基于用广角镜头的数字式折射仪

3.1 基于广角镜头的数字式折射仪设计

3.1.1 系统结构

3.1.2 光源的选择

3.1.3 液体棱镜的设计

3.1.4 线阵CCD的选择

3.2 基于广角镜头的数字式折射仪的工作原理

3.3 数字式折射仪的光学系统设计

3.3.1 广角镜头的设计要求

3.3.2 广角镜头的初始结构选择

3.3.3 广角镜头的优化

3.3.4 广角镜头的成像质量评价

3.4 实验测量及分析

3.4.1 实验装置

3.4.2 实验测量

3.4.3 实验结果及分析

3.5 本章小结

第四章基于定向角入射的数字式折射仪

4.1 结构设计与硬件选择

4.1.1 系统结构

4.1.2 LD的选择

4.1.3 线阵CCD驱动板的选择

4.2 工作原理

4.3 测量软件的设计

4.3.1 数据采集模块

4.3.2 实验数据分析模块

4.3.3 数据显示模块

4.4 实验测量与分析

4.4.1 实验装置

4.4.2 实验测量

4.4.3 液体折射率测量

4.4.4 液体浓度测量

4.4.5 液体密度测量

4.5 重复性测量

4.6 不确定度分析

4.7 本章小结

第五章总结与展望

5.1 研究工作总结

5.2 未来工作展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间申请的专利

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 姜桂荣

导师: 万静

关键词: 液体棱镜,折射仪,折射率,广角镜头,软件设计

来源: 南京邮电大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,仪器仪表工业,计算机软件及计算机应用

单位: 南京邮电大学

分类号: TH74;O43;TP311.52

DOI: 10.27251/d.cnki.gnjdc.2019.001016

总页数: 71

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