高精度数字折光仪

　　0引言

　　目前,国内测量液体折射率的仪器主要有手持式折光仪及阿贝折光仪。这些仪器测量液体折射率的不确定度偏大,约为0.0003。应用较多的是测量蔗糖溶液(以下简称糖液)的浓度,其原理是糖液浓度和折射率有固定的关系。测量糖液浓度大都采用折光仪或旋光仪,旋光仪测量糖液浓度的不确定度要小于折光仪,但是,旋光仪不能在线测量,要将糖液装入专用的测试管中,而且一般都是在实验室内才能测量。国外的自动折光仪的测量不确定度能达到0.0001或更小,而且体积小,密封好,可用于在线测量。看到国内在该领域的空白,我们进行了这一项目的研究开发,希望能为国内厂家开发新产品提供参考。

　　1仪器的测量原理

　　我们研制的数字折光仪是利用光的折射原理设计而成。根据光的折射定律,光线从一种介质n1到另一种介质n2时,n1sini1=n2sini2,i1是入射角,i2是折射角。当i1和n1保持不变时,i2随着n2的变化而变化。我们就是利用这一原理来测量折射率的。如图1所示:经过准直的平行光束首先入射到棱镜1(n0),再入射到被测液体n′中,再通过棱镜2(n0)折射出来,射到位置传感器上。当被测液体的折射率变化时,光点就会移动,通过测量光点的位移就可测量液体的折射率。

　　2仪器的主要特点

　　我们研制的折光仪有以下特点:

　　1)分辨力高,首先选择两次折射的结构使液体折射率变化引起光线的出射角度的变化大,其次位置传感器的分辨力要高,位置传感器与棱镜间的距离尽可能远,这样仪器的灵敏度就高。为此我们选择了折射率是1.5163的镜,位置传感器的像素宽度是14μm的CCD线性接收器件,激光光束经过准直和空间滤波后是一个约1mm宽,5mm长的矩形光斑。影响分辨力的因素还有入射角,被测液体的折射率变化范围。由于液体折射率的变化与光斑位置变化不是线性关系,因此,分辨力在测量范围内是一个变量,该仪器测量范围是1.333~1.373时,折射率分辨力小于0.00003;当测量范围是1.333~1.523时,折射率分辨力小于0.00005。

　　2)仪器的体积小,由仪器分辨力的设计可知,位置传感器上的光斑位移大小是和位置传感器与棱镜间的距离有关的,体积问题实际是位置传感器与棱镜间的距离问题。也就是在分辨力满足要求的情况下尽可能缩短这个距离。另外选用半导体激光器作光源,具有体积小,安装后不容易损坏,光线发散小,光斑质量好等优点。仪器的实际体积大约是160mm×160mm×300mm。仪器的外观图见图2。

　　3)温度自动修正,液体折射率本身是随温度变化而变化的,例如,糖液的折射率随温度变化情况是在常温下温度每变化1℃,折射率变化大约在0.00006到0.00016之间。因此,在高精度测量液体折射率时,温度修正是必不可少的。我们在仪器的液槽边设置了温度传感器实时测量液体温度并给予自动修正。