本發(fā)明涉及一種基于干涉法的液體折射率檢測裝置及檢測方法，屬于液體折射率高精度測量領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

折射率是表征物質(zhì)光學(xué)特性的重要物理參量之一，在生產(chǎn)實(shí)踐中有重要作用，液體的折射率的測量可幫助人們定量研究液體濃度、溫度等參量隨環(huán)境的變化規(guī)律。而對于不同的測量需求，測量精度和測量范圍均有所不同。因此，需要設(shè)計(jì)一種測量精度和測量范圍靈活可變的裝置，以滿足生產(chǎn)實(shí)踐需求。

目前，測量折射率的方法有很多，如阿貝折射計(jì)法、分光計(jì)法、干涉法等。其中，阿貝折射計(jì)法對待測物質(zhì)的折射率范圍有限制，分光計(jì)法限定了待測物質(zhì)只能為固態(tài)。而干涉儀法對待測物質(zhì)沒有特殊要求。因此，近年涌現(xiàn)出了大量有關(guān)干涉法測折射率的裝置。其中最典型的就是馬赫曾德爾干涉儀、光纖折射率傳感裝置。

但傳統(tǒng)的馬赫曾德爾干涉儀穩(wěn)定性較差，信號(hào)漂移對測量準(zhǔn)確性造成影響，后續(xù)的研究工作者為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，用光纖結(jié)構(gòu)替換了自由空間光路結(jié)構(gòu)，但這也提高了系統(tǒng)安裝的成本，且降低了系統(tǒng)靈活性，不能對測量精度和測量范圍進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的折射率測量裝置對待測物質(zhì)的狀態(tài)有要求，測量范圍有限制，穩(wěn)定性較差，不能對測量精度和測量范圍進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)，而提出一種一種基于干涉法的液體折射率檢測裝置及檢測方法。

一種基于干涉法的液體折射率檢測裝置，包括：激光器、雙折射調(diào)制裝置、偏振分束鏡、基準(zhǔn)非偏振分束鏡、基準(zhǔn)光電探測裝置、N組測量單元以及N組擴(kuò)展光電探測裝置，N為正整數(shù)，其中：

第i組測量單元包括第i非偏振分束鏡A、第i非偏振分束鏡B、第i非偏振分束鏡C、第i光學(xué)補(bǔ)償版以及長度為L_i的第i透明容器；其中i為從1到N-1的正整數(shù)；

其中，所述激光器用于發(fā)射激光，所述激光通過所述雙折射調(diào)制裝置的調(diào)制功能入射至基準(zhǔn)非偏振分束鏡并發(fā)生折射和反射，其中反射光由所述基準(zhǔn)光電探測裝置接收，折射光進(jìn)入偏振分束鏡，并發(fā)生折射和反射，其中折射光進(jìn)入第1組測量單元的第1非偏振分束鏡C，反射光進(jìn)入第1組測量單元的第1非偏振分束鏡A；

第i非偏振分束鏡A用于將入射光折射后進(jìn)入第i+1非偏振分束鏡A，還用于將入射光反射后再經(jīng)過第i透明容器進(jìn)入第i非偏振分束鏡C并發(fā)生折射；第i非偏振分束鏡B用于使入射光折射后進(jìn)入第i+1非偏振分束鏡B，還用于使入射光反射后再經(jīng)過第i光學(xué)補(bǔ)償板進(jìn)入第i非偏振分束鏡C并發(fā)生反射；第i透明容器用于呈裝已知折射率的液體或待測液體；經(jīng)過第i非偏振分束鏡C反射和折射的光被第i測量單元接收；

第N組測量單元的第N非偏振分束鏡A以及第N非偏振分束鏡B僅發(fā)生反射，不發(fā)生折射，其余部件的工作原理與第i組測量單元相同。

本發(fā)明的有益效果為：結(jié)構(gòu)簡單，所采用的自由空間光路便于更換不同長度的透明容器；可通過變換透明容器長度，實(shí)現(xiàn)對折射率測量精度和測量范圍的靈活變更，變更范圍不受限制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于干涉法的液體折射率檢測裝置的結(jié)構(gòu)圖；

圖2(a)～圖2(d)分別為當(dāng)N＝3時(shí)，擴(kuò)展光電探測裝置接收到的光信號(hào)示意圖；

圖3(a)～圖3(d)分別為當(dāng)N＝3時(shí)，將透明容器中的溶液替換為待測溶液后，光信號(hào)的同一峰值點(diǎn)發(fā)生相對位移的示意圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式的一種基于干涉法的液體折射率檢測裝置，包括：激光器1、雙折射調(diào)制裝置2、偏振分束鏡3、基準(zhǔn)非偏振分束鏡4、基準(zhǔn)光電探測裝置、N組測量單元以及N組擴(kuò)展光電探測裝置，N為正整數(shù)，其中：

第i組測量單元包括第i非偏振分束鏡A、第i非偏振分束鏡B、第i非偏振分束鏡C、第i光學(xué)補(bǔ)償版以及長度為L_i的第i透明容器；其中i為從1到N-1的正整數(shù)；

其中，激光器用于發(fā)射激光，激光通過雙折射調(diào)制裝置的調(diào)制功能入射至基準(zhǔn)非偏振分束鏡并發(fā)生折射和反射，其中反射光由基準(zhǔn)光電探測裝置接收，折射光進(jìn)入偏振分束鏡，并發(fā)生折射和反射，其中折射光進(jìn)入第1組測量單元的第1折射非偏振分束鏡，反射光進(jìn)入第1組測量單元的第1反射非偏振分束鏡；

第i非偏振分束鏡A用于將入射光折射后進(jìn)入第i+1非偏振分束鏡A，還用于將入射光反射后再經(jīng)過第i透明容器進(jìn)入第i非偏振分束鏡C并發(fā)生折射；第i非偏振分束鏡B用于使入射光折射后進(jìn)入第i+1非偏振分束鏡B，還用于使入射光反射后再經(jīng)過第i光學(xué)補(bǔ)償板進(jìn)入第i非偏振分束鏡C并發(fā)生反射；第i透明容器用于呈裝已知折射率的液體或待測液體；經(jīng)過第i非偏振分束鏡C反射和折射的光被第i測量單元接收；

第N組測量單元的第N非偏振分束鏡A以及第N非偏振分束鏡B僅發(fā)生反射，不發(fā)生折射，其余部件的工作原理與第i組測量單元相同。

如圖1所示，當(dāng)N＝3時(shí)，第1組測量單元包括第1非偏振分束鏡A，第1非偏振分束鏡B和第1非偏振分束鏡C，即41A，41B和41C，還包括第1透明容器51，第1光學(xué)補(bǔ)償版61，和第i測量單元71。同理，第2組測量單元與第3組測量單元的形式也與第1組形式相同。其區(qū)別在于第i透明容器的高度不同，并且通過設(shè)置不同高度的透明容器，可以調(diào)節(jié)折射率的測量精度和測量范圍。設(shè)置的測量單元越多，則測量范圍越大，且測量精度越高。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：

基準(zhǔn)光電探測裝置包括基準(zhǔn)四分之一玻片9以及基準(zhǔn)光電探測器10，入射光經(jīng)過基準(zhǔn)四分之一玻片9后被基準(zhǔn)光電探測器10接收；以及第N組擴(kuò)展光電探測裝置包括第i四分之一玻片以及第i光電探測器，入射光經(jīng)過第i四分之一玻片后被第i光電探測器接收。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是：第1透明容器、第2透明容器……第N透明容器依次連通。

這樣設(shè)置的好處是，相互連通的透明容器僅需要通過一個(gè)管道進(jìn)行注入就可以使所有容器中都注有液體，節(jié)省了測量的操作步驟。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是：

本實(shí)施方式提供了一種基于具體實(shí)施方式一至三中任意一項(xiàng)的基于干涉法的液體折射率檢測裝置的檢測方法，其中激光器的波長為λ，第1透明容器、第2透明容器……第N明容器的高度分別為L₁,L₂,…L_N，已知折射率的液體的折射率為n₀，雙折射電調(diào)制裝置的相位差調(diào)制精度為調(diào)制周期為T，包括如下步驟：

步驟1)向第1透明容器中倒入折射率為n₀的溶液；

步驟2)啟動(dòng)雙折射點(diǎn)調(diào)節(jié)裝置，用于對激光器所發(fā)射的光束的兩個(gè)垂直偏振的光信號(hào)的相位差進(jìn)行周期性調(diào)制，并使基準(zhǔn)光電探測裝置、第1組擴(kuò)展光電探測裝置至第N組擴(kuò)展光電探測裝置接收到的光信號(hào)發(fā)生同步起伏；

當(dāng)N＝3時(shí)，擴(kuò)展光電探測裝置接收到的光信號(hào)如圖2所示。

步驟4)將透明容器中的溶液替換為待測溶液；此時(shí)光信號(hào)的同一峰值點(diǎn)發(fā)生相對位移?；鶞?zhǔn)光電探測裝置、第1組擴(kuò)展光電探測裝置、第2組擴(kuò)展光電探測裝置……第N組擴(kuò)展光電探測裝置同一峰值點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻分別為t₀、t₁、t₂……t_N；

當(dāng)N＝3時(shí)，將透明容器中的溶液替換為待測溶液后，光信號(hào)的同一峰值點(diǎn)發(fā)生相對位移的示意圖如圖3所示。

步驟5)通過如下公式計(jì)算待測溶液的折射率n：

其中，i＝0,1,2,…N，j＝0,1,2,…N；且i≠j；L₀＝0；[]表示十進(jìn)制取整。

該計(jì)算公式是針對L_i與L_j組合的折射率測量公式，不同的組合具有不同的測量精度和測量范圍。公式最后一項(xiàng)為根據(jù)測量精度進(jìn)行四舍五入產(chǎn)生的結(jié)果。

可以使用多個(gè)組合進(jìn)行聯(lián)合測量，以獲得更高的測量精度和更大的測量范圍。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至三之一相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是：

激光器的波長λ為532納米；雙折射電調(diào)制裝置的相位差調(diào)制精度為0.2π，調(diào)制周期時(shí)間為1秒；L₁,L₂,L₃分別為0.089米、0.09米、0.1米，則所述待測溶液的折射率n為：

通過上述公式可以看出，在本實(shí)施方式中我們使用了如下三種測量組合來提高測量精度：

第一個(gè)組合：L₂與L₁組合測量精度為3.343×10^-4，測量范圍為n₀-3.343×10^-3到n₀+3.343×10^-3；

第二個(gè)組合：L₃與L₂組合測量精度為3.343×10^-5，測量范圍為n₀-3.343×10^-4到n₀+3.343×10^-4，超過該測量范圍后第二個(gè)組合的信號(hào)周期變化；

第三個(gè)組合：L₃與L₀組合測量精度為3.343×10^-6，測量范圍為n₀-3.343×10^-5到n₀+3.343×10^-5，超過該測量范圍后第三個(gè)組合的信號(hào)周期變化；

以上三個(gè)組合聯(lián)合測量，測量范圍為n₀-3.343×10^-4到n₀+3.343×10^-4，測量精度為3.343×10^-6。該過程可以理解為：利用第二組和第三組測量信號(hào)的周期性，后一個(gè)測量組合在前一個(gè)測量組合的精度上以更高精度進(jìn)行測量。上述公式的最后一項(xiàng)為聯(lián)合測量的測量精度進(jìn)行四舍五入產(chǎn)生的結(jié)果。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至四之一相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至五之一不同的是：

激光器的波長λ為532納米；所述雙折射電調(diào)制裝置的相位差調(diào)制精度為0.2π，調(diào)制周期時(shí)間為1秒；L₁,L₂,L₃分別為0.89米、0.9米、1米，則所述待測溶液的折射率n為：

本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。