课程设计论文-液体折射率的测量.docx

桂林电子科技大学基础工程设计说明书 编号： 课程设计说明书 题 目： 液体折射率的测量 院（系）： 电子工程与自动化学院 专 业： 光电信息科学与工程 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 副教授 2017年 1 月5日II桂林电子科技大学专业工程设计说明书摘 要测量液体折射率是光学课程学习的重要时间环节，是对专业课程学习的重要检测手段，是每一个光学学习者的必备专业素养。在食品、化工、医药、航天等生产部门在生产的过程中经常需要测量液体的浓度，而大多数液体的液体的折射率和浓度有一定的关系。因此测量液体折射率成为一些生产部门必要的生产工序。折射率是反应光在两种各向同性媒介中光速比值的一个物理量。测量液体折射率的方法有很多，近年来在液体折射率的测量上经常用到五种方法-衍射光栅法、激光照射法、光纤杨氏干涉法、CCD法和略面入射法。用不同的测量方法其测量精度各有差异，在这几种测量方法中，CCD测量法和光纤杨氏干涉法精度较高，同时考虑到实验室仪器设备的限制，本次液体折射率的测量采用两种方法进行，几何法和光纤杨氏干涉法，其中几何方法直接从用折射率的定义出发进行测量，这种方法误差相对较大，而干涉法精度高一些。关键字：液体；折射率：几何法；光纤杨氏干涉；精度Abstract Measurement of liquid refractive index is an important part of the optical course learning, is an important means of professional course learning, is the essential professional accomplishment of every optical learner.In the food, chemical, pharmaceutical, aerospace and other production sectors in the production process often need to measure the concentration of liquid, and most of the liquid liquid refractive index and concentration have a certain relationship. So measuring the refractive index of the liquid as some of the production sector the necessary production processes.Refractive index is a physical quantity of the ratio of the speed of light in two isotropic media.There are many methods to measure the refractive index of the liquid. In recent years, five methods are commonly used in the measurement of the refractive index of the liquid - diffraction grating method, laser irradiation method, optical fiber Youngs interference method, CCD method and rough surface incidence method.With different measurement methods of their measurement accuracy are different,Among these measurement methods, the CCD measurement method and the optical fiber Youngs interference method are more accurate,Taking into account the limitations of laboratory equipment, the liquid refractive index measurement using two methods, geometric and fiber Youngs interference method,The geometric method directly from the definition of refractive index measurement, this method error is relatively large, while the interference accuracy is higher.Keywords:liquid;Refractive index;Geometric method;Fiber Young s interference;Precision桂林电子科技大学基础工程设计说明书目 录前 言.11 设计任务及要求.21.1 设计任务.21.2 设计要求.22 方案论证与选择.22.1 方案论证.22.1.1 衍射光栅法.22.1.2 CCD 测量法.32.1.3 激光照射法.32.1.4 比较选择.42.2 几何法测量液体折射率.42.2.1 光路的设计.42.2.2 工作原理.42.2.3 实验步骤.52.2.4 数据处理.5 2.2.5 误差分析.6 2.3 光纤杨氏干涉法测量液体折射率.6 2.3.1 光路的设计.6 2.3.2 工作原理.62.3.3 实验步骤.72.3.4 实物装置.72.3.5 数据处理.8 2.3.6 误差分析.103 总结.10谢 词.12参考文献.13附 录.14附录一：几何法所用元器件.14附录二：光纤杨氏干涉法所用元器件.14附录三：光纤杨氏干涉法光路.15第 16 页桂林电子科技大学基础工程设计说明书前 言折射率，英文名Refractive index，是物质的重要光学常数之一，能借以了解物质的光学性能、纯度及浓度大小等物理参数。利用光在通过液体是光路发生偏移，建立测量液体折射率的方法和实验装置，并用实验室现有器件搭建相应光路实现之。 目前测量液体折射率的方法有很多，液体表面的光学检测为研究液体的物理性质提供了非常有用的一种方法。液体表面测量可以分为两大类：静态表面检测和动态表面检测。静态表面检测中常用的光学方法是利用液体表面的反射或透射等光学效应，通过光强的分布及光强与液体相关物理参数的之间的关系来研究液体的性质；动态表面测量时利用液体对光的衍射和折射等效应，并根据衍射和干涉光强与液体表面波的关系以及表面物理参数之间的关系，通过检测衍射和干涉的光强分布来研究液体的性质，达到本课程设计要求与目的。影响测量液体折射率的因素有很多，由于受周围环境温度、湿度等因素的影响，对液体的折射率进行测量时可能会存在差异，但是在误差允许的范围内是正确的。另外，基于不同的测量方案，测量准确度不同，因此选择测量方案尤其重要。一个号的方案不仅可以提高测量结果的准确性，还能避免实验操作的繁琐过程。针对本次测量液体折射率的课程设计，提出了两种不同的测量方案，一种是几何法，这种方法，也就是直接利用折射率的定义式测量液体的折射率，式中为入射角，为出射角，只要测量出这两个角，液体的折射率就可以由公式直接计算出来。另一种方法是光纤杨氏干涉法，通过两条光纤产生具有干涉条件的两束光，并产生干涉现象，利用CCD拍摄记录实验得出的条纹，并领用计算机对拍摄结果进行了智能化处理分析。第二种方法处理数据比较繁琐，要用到atlab软件进行曲线拟合，进而得出所需要的实验数据，但是这种方法的准确度高，计算结果基本与理论值吻合，达到预期的效果。 本次课程设计所用液体为自来水，通过两种方案对水的折射率进行测量，加深对折射率这个去力量的理解，达到学以自用的效果，并进一步提升自身的动手能力。1 设计任务及要求1.1 设计任务 （1）、掌握几种液体折射率测量的光学方法； （2）、选择选择两种测量方法； （3）、设计液体折射率测量光路； （4）、完成测量光路的搭建及物理量的测量； （5）、分析测量精度。1.2 设计要求 （1）、掌握两种折射率测量方法及其原理，明确每种方法需要测量的物理量及其注意事项，设计两种测量方法的具体光路； （2）、光路的设计，参数计算和元件选择，画出完整的光路图，说明工作原理，搭建光路，选择合适的被测物完成测量。 （3）、测量相关物理量，进行折射率的计算，分析系统中各参数对测量结果的影响，总结设计的特点和方案的优缺点，指出课题核心价值，提出改进意见。 （4）、拟写论文，并提交内容完整的设计报告。2 方案论证与选择2.1 方案论证2.1.1 衍射光栅法C玻璃池衍射光栅B激光A坐标纸水图2.1 衍射光栅法光路如上图所示，激光垂直入射到衍射光栅上，玻璃池空时，零级衍射点为A点，一级衍射点为C点；装入水以后，一级衍射点变为B点。布拉格定理： （2-1） 则液体的折射率为： / （2-2）式中L为玻璃池宽度。2.1.2 CCD测量法当光束入射空玻璃池和有液体的玻璃池时，透射光线都会发生偏移，待测液的折射率正和这两个偏移量的差有关，而与玻璃池的的折射率无关。水CCD激光玻璃池图2.2 CCD测量法光路设玻璃折射率为，壁厚为，液体折射率为，两壁距离为，定义一个新物理量，其中为无液体时的偏移量，空气折射率为1，则液体的折射率为 （2-3）因此，在规定下测出和就可以算出液体的折射率。利用CCD自动测量光束的偏移量来计算，将线阵CCD沿光束偏移方向放置，探测不同位置通过的光强，由计算机通过曲线拟合确定光轴位置X，求出光轴位置X（）、X（）后，=X（）-X（）。2.1.3 激光照射法激光器NO水玻璃池接受屏D玻璃板图2.3 激光照射法光路激光以某一角度入射，假设空气的折射率为1，则待测液的折射率计算公式为 （2-4）因此，只要测量出需要的物理量，则可由上式计算出液体的折射率。2.1.4 比较选择 以上三种方法均可实现液体折射率的测量，但是基于实验室现有仪器设备以及考虑实验操作复杂程度和处理数据难度，本次课程设计不采用上述三种方法，而采用另外两种方案，一种是几何法，另一种是光纤杨氏干涉法，其具体原理和实验过程在后面将会详细描述。2.2 几何法测量液体折射率2.2.1 光路的设计图钉空气水平面 泡沫水 图2.4 几何法光路设计2.2.2 工作原理光线自一种透明介质进入另一透明介质的时候，由于两种介质的密度不同，光的进行速度发生变化，即发生折射现象，一般折光率系指光线在空气中进行的速度与供试品中进行速度的比值。 根据折射定律，折光率是光线入射角的正弦与折角的正弦的比值，即 （2-5）式中n为折光率，Sin 为光线入射角的正弦，Sin 为折射角的正弦。一般地说，光在两个不同介质中的传播速度是不相同的。所以光线从一个介质进入另一个介质，当它的传播方向与两个介质的界面不垂直时，则在界面处的传播方向发生改变。这种现象称为光的折射现象。根据折射定律，波长一定的单色光线，在确定的外界条件(如温度、压力等)下，从一个介质A进入另一个介质B时，入射角和折射角的正弦之比和这两个介质的折光率N(介质A的)与n(介质B的)成反比，即: 若介质A是真空，则定其N=1，n为介质的绝对折光率，所以一个介质的折光率，就是光线从真空进入这个介质时的入射角和折射角的正弦之比。这种折光率称为该介质的绝对折光率。通常测定的折光率，都是以空气作为比较的标准。因此，只要测量出入射角和出射角的大小，就可以由式2-5计算出液体的折射率。2.2.3 实验步骤（1）将泡沫放置于盛有水的玻璃池中，取出泡沫并画出水平面位置和法线。（2）设定一个出射角，并用两个图钉沿出射光线固定好。（3）将泡沫重新放入水中同一位置，用激光往水里照射，使激光同时打到预先插好的图钉上，在入射光线上固定两个图钉，是其他三个图钉被第一个图钉挡住光线。（4）取出泡沫，由图钉位置画出入射光线并用量角器测量出入射角。（5）记录数据并用式2-5计算水的折射率。（6）多次重复以上操作取平均值，并进行误差分析与计算。2.2.4 数据处理实验数据：入射角2026405070出射角1520303545折射率计算：平均值：2.2.5 误差分析水的折射率的理论值：绝对误差：相对误差：标准差：通过以上计算，在误差允许的范围内，测量结果与理论值基本一致，达到预期的测量结果，实验有效。 此方案误差主要来源于理论误差、测量时因固定图钉不准确所引起的认为误差和计算结果取舍引起的随机误差。其中，测量时的人为误差影响较大。2.3 光纤杨氏干涉法测量液体折射率2.3.1 光路的设计L光纤干涉技术以光纤作为构成干涉仪的光路，并将待测物理量调制到光载波的相位上，最后进行干涉测量的技术，在医学、工程检测等领域发挥着重要的作用。本次侧廊液体折射率的光路设计如下玻璃池水CCD两条光纤激光器图2.5 光纤杨氏干涉法光路2.3.2 工作原理单模光纤心径小、传光性能好、光斑均匀，可以作为产生干涉图样光源，光纤杨氏干涉法就是利用光纤作为相干光源实现杨氏干涉，获得条纹较宽、明暗的干涉图样，再利用MATLAB软件测量条纹宽度，从而获得液体的折射率。如上图光路所示，由He-Ne激光器发出的光照射到两根光纤中，由于这两条光纤的端面在同一平面上，因此两条光纤同时接收到来自同一波阵面上的光，耦合是从端入射并从另一端以一定的发散角射出。若两条光线的长度相同，则经过光纤出射的两束光的相位相同，此时出射端面相当于两个发光圆孔。由于保偏光纤具有保持光的偏振方向恒定的特性，所以两束出射光具有相同的偏振方向，进而得到明暗相间的干涉条纹，由CCD读出并在计算机上显示出来。设两条光纤中心的距离为2R，出射端面到CCD的距离是L，干涉条纹的宽度为X，则玻璃池中水的折射率为 （2-6）采用逐差法测出未加水时的条纹宽度和加入水后的条纹宽度，则有式2.6可得 （2-7）为空气的折射率，其值近似为1，则 （2-8）由此可见，只要分别测量出有水和无水时的干涉条纹宽度，就可以用式2-8直接算出水的折射率了。2.3.3 实验步骤（1） 按照设计光路摆放器件，将光纤入射端面对准激光，是从出射端面可以看到到较刺眼的出射光。（2） 将光纤的出射端面靠近玻璃池侧面固定好，CCD靠近玻璃池的另一则放置，使获得条纹清晰的明暗干涉条纹，并保存有水和无水时的干涉图样。（3） 改变CCD的位置得到多组干涉图样。 （4）用MATLAB进行数据处理，得到无水时的条纹宽度和有水时的条纹宽度。 （5）由式2-8计算水的折射率。并误差分析。2.3.4 实物装置按照上述实验步骤可得以下实验装置图：图2.6 光纤杨氏干涉法实物装置图2.3.5 数据处理实验数据：图2.7 未加水前的干涉图样图2.8 加水后的干涉图样由于水中含杂质比较多，得到的干涉图样看上去有点模糊，因此在用MATLAB软件计算条纹间距之前可做适当的图像增强处理，以达到较好的效果。用软件对干涉图样进行曲线拟合，进而得出条纹间距和，用于计算干涉图样条纹间距的m程序如下I=imread(D:学习资料大四课设图片.png);m n=size(I);for y=1:n S(y)=mean(I(1:m,y)endy=1:n;figuresubplot(211),plot(y,S(y);s=find(diff(sign(diff(S(y)=2)+1;A=S(find(diff(sign(diff(S(y)=2)+1);q=find(A20000);m=s(q);c=diff(m);n=mean(c);运行得如下曲线：图2.9 未加水前的曲线图2.10 加水后的曲线从左边第一个波谷往右算起，按照比例得出如下参数：波谷序号123456距离/无水46mm96mm144mm192mm242mm288mm距离/有水33mm71mm103mm141mm174mm216mm逐差法计算条纹间距：-=147mm，-=146mm，-=144mm=（147+146=144）/48.56mm-=108mm，-=103mm，-=113mm=（108+103+113）/=36mm其中，是未加水之前的干涉条纹间距，是加水之后干涉条纹的间距。由式2-8可以算出水的折射率为：=/=48.56/361.34892.3.6 误差分析水的折射率的理论值：=1.3333绝对误差：相对误差：/=0.0156/1.33331.17% 此方法只需要测量干涉条纹宽度，避免了测量两根光纤中心的距离2R和出射端面到CCD的距离L的不便以及其带来的测量误差。此方案的主要误差来源于方案及所用仪器产生的系统误差、计算过程以及环境条件等引起的随机误差和人为误差。其中光纤的处理尤其关键，处理好坏直接影响鲜果的准确性和正确性，只有光纤满足条件才能够得到正确的干涉图样。3 总结这次课程设计是本科学习的最后一个课程设计，历时两个星期，现在即将圆满结束。课程设计作为检测同学们学以自用的能力的手段，不仅可以对以往专业学习的总结，也是一次自我动手实践的过程，这些对于培养一个人的思考方式、动手能力等方面有着不可低估的作用。课程设计是将课程学习基本理论转化为实践的活动的“桥梁”，课程设计水平的高低不仅能反映课程理论研究的成果，更是制约教育、教学质量的重要因素，在本科学习的整个过程中具有不可替代的作用。我在本次课程设计的题目是液体折射率的测量，并采用了两种测量方案：第一种是几何法测量，这种测量方案限度来说比较粗糙，测量结果误差也比较大，因为直接利用折射率的定义公式进行测量计算，所以它具有装置简单、操作简便的优点。第二种方案是光纤杨氏干涉法，这种方法的优点是通过测量干涉条纹间距来计算折射率，避免其他物理量的引入而产生的误差，因此测量精度比较高。但是它也有不足之处，那就是装置比较复杂，操作繁琐，特别是光纤的耦合需要消耗大量的时间，我在整个方案操作过程中仅仅在耦合光纤上就花了两三天的时间。另外，数据处理也比较复杂。测量液体折射率的方法有很多，但是比较科学的测量方法是采用CCD采集，利用计算机处理数据，这样得到的数据准确率才高。基于以上两种方案，可以做适当的改进，在第二个方案中可以把光纤换成干涉仪，以提高干涉图样的清晰度，便于后期数据处理。也可以采用牛顿环进行测量，或者采用衍射光栅的方法。在这次实验中，我学到了很多东西，加强了我的动手能力，培养了我独立思考的能力，这些在课本上是学不到的。特别是在做实验时，因为要用到MATLAB软件进行数据处理，在处理过程中遇到了一定的困难，如果不解决这些问题的话，接下来的工作将无法展开。谢 词 为期两个星期的基础课程设计结束了，在这两个星期里，我之所以能够顺利完成老师布置的任务，除了自身努力之外，还与他人的帮助是分不开的。在此，我真诚地向帮助过我的老师和同学们致以诚挚感谢，若不是他们在背后默默为我付出，恐怕我课程设计完成有一定的困难因为考研耽误了我好多时间。特别要感谢的是指导老师，在我提出的每一个方案上都热心给予我指导意见，为我提供了不少方便，让我更加顺利地完成实验。参考文献【1】光学教程第二版.叶玉堂，肖峻，饶建珍著.清华大学出版社.2011年9月【2】误差理论与数据处理第六版.费业泰著.合肥工业大学出版社.2015年1月【3】液体折射率测定方法分析.徐世刚.2007年【4】应用MATLAB语言处理数字信号与数字图像第三版.陈桂明著.2001年5月【5】MATLAB信号处理详解.陈亚男著.人们邮电出版社.2001年9月【6】大学物理第二版.罗益民，余燕著.北京邮电大学出版社.2013年7月附 录附录一：几何法所用元器件序号名称数量（大小）1He-Ne激光器1台2玻璃池一个3水若干4泡沫10cmX15cm5图钉4个6量角器一把附录二：光纤杨氏干涉法所用元器件序号名称数量1He-Ne激光器一台2玻璃池一个3水若干4光纤两条5CCD一个6计算机一台7光纤座两个附录三：光纤杨氏干涉法光路