基本信息
- 项目名称：
- 液体折射率在线测量仪
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 提出了一种液体折射率在线精确测量方法。通过对测量探头的创新性设计，从根本上消除了以往测量中普遍存在的器壁对液体折射率测量的影响，提高了测量精度。该装置还可测量少量液体的折射率。另外，该装置整体密封，配有水温计和标尺，可测不同温度、不同深度处的折射率及其变化。该装置不仅可用于液体折射率的实验室研究，还可广泛应用于工业生产中液体折射率在线监测。
- 详细介绍：
- 此作品设计了一种新颖的液体折射率测量仪。其基本思路是基于双折射法来测定液体折射率。由半导体激光器发出的一束激光通过测量探头，在接收光屏上形成激光光斑。当探头置于空气和待测液体中时，通过测量激光光斑的位移来测量待测液体的折射率。通过对测量探头的创新性设计，完全消除了以往液体测量中容器器壁的影响显著提高了液体折射率的测量精度。该装置还可测量少量液体的折射率。 另外，该装置整体密封，可以测量不同环境条件下（不同温度、不同深度）液体折射率及其变化情况，从而实现工业生产中对液体折射率的在线监测。 该装置还可进一步拓展其功能，实现对液体浓度的测量及在线监测。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：设计了一种液体折射率测量仪，可实现对液体折射率的精确测量，以及在不同条件（不同温度，不同深度）下液体折射率的在线监测。另外还可精确测量少量液体的折射率。基本思路：本设计是基于双折射法来测定液体折射率。一束激光通过测量探头，由CCD接收激光光斑位置。当探头置于空气和待测液体中时，通过测量激光光斑的位移来测量待测液体的折射率。通过对测量探头的创新性设计，从根本上消除了以往液体折射率测量中容器器壁的影响。创新点：（1）测量探头由两个严格保持平行的光学玻璃片组成，使最终折射率的计算与器壁厚度无关，消除了器壁对测量结果的影响。两光学玻璃片斜面角度精确设计，斜面相互垂直，从而能使光线在两光学玻璃的斜面上发生全反射，又保证了出射光线始终与光屏垂直，消除了由于斜入射造成的误差。（2）本装置可测少量未知液体折射率。（3）该设备整体密封,具有防水功能；装配刻度尺及水温计，可测不同深度处、不同温度下的液体折射率；还可在工业上用于远距离实时监测易挥发或有毒液体的折射率及其变化。技术关键：通过对测量探头的创新性设计，使液体折射率的计算与器壁厚度无关，消除了器壁对测量结果的影响。两光学玻璃片斜面角度巧妙设计，既能使得光线在两光学玻璃斜面上发生全反射，又能保证出射光线始终与光屏垂直。技术指标：本作品所测液体折射率的测量范围广，为1~1.8，测量精度可达到99.8%，温度测量范围为-40℃~90℃。
科学性、先进性
- 目前测液体折射率的方法有比重法、旋光法、分光计法、超声波法和折射率法等[1]。比重法精度较高但操作繁琐；旋光法[2]是检测偏振光光强的变化规律，需要不同成分具有不同的旋光性且精度不高；分光计法[3]是检测液体透光率，灵敏度不高；超声波法精度虽高，但设备体积大不易携带；折射率法中典型的是基于全反射的阿贝折射仪[4]，其测量精度较高，但测定范围相对较窄。 本作品提出了一种新颖的基于双折射法的测量技术，可以对液体的折射率进行一体化在线测量，且测量精度较高。与现有技术相比，此方法消除了以往实验普遍存在的器壁对液体折射率测量的影响和人为因素的引入。 此装置能精确测少量未知液体的折射率。在以往技术中，可精确测未知液体折射率的设备体积比较大，用的液体都比较多；体积比较小的设备测量的待测液体的折射率的都会受器壁的影响。 以往设备功能单一，而此设备还配有水温计及刻度尺，可以测不同温度、不同深度处的液体折射率及其变化，在工业生产中可广泛应用于液体折射率在线监测。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品在2010年山东省第二届大学生物理科技创新大赛中获特等奖,此大赛由山东省科学技术协会主办，山东物理学会承办。 以本作品为基础的项目获学校大学生科技创新基金立项项目1项。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 采用成套设备引进和转让
作品可展示的形式
- 展示方式： （1）实物、产品（2）现场演示（3） 图片（4）样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：设备置于空气中，激光器发出激光，光线通过测量探头在光屏上形成光斑，用CCD记录斑点的位置；把此装置置入被测液体中，用CCD记录光斑偏移量Δd。利用编程计算出待测液体的折射率。 技术特点和优势：（1）所设计的测量探头可完全消除器壁的影响。（2）可测量少量液体的折射。（3）可在工业上规模应用及远程监测。（4）以低成本实现对液体折射率的在线精确测量。 适应范围及推广前景：可广泛应用于对液体折射率的实验测量及工业在线监测；可检测任何未知液体的折射率；可用于挥发性、有毒性液体折射率的监测。 市场分析和经济效益：目前的化工、饮料、制药、酒厂、环保等行业，对液体折射率的分析、监测是必不可少的。市场上的液体折射率在线精密测量仪的价位大多在两万元以上，如国产WYA-ZT自动阿贝折射仪（上海精密科学仪器有限公司生产）售价:58000元；而本作品的测量设备规模化生产成本在2000元左右。按照全国每年企业需求量3万台计，仅此一项市场收益就可达6亿元人民币以上。
同类课题研究水平概述
- 液体折射率在化工、饮料、酿酒、医药、环保等行业，以及一些科学研究、国防领域中都是一个非常重要的物理参数。折射率的精确测量是一项非常关键的技术。目前国内外对液体折射率的测量研究已较为成熟，有比重法、旋光法、分光计法、超声波法和折射率法等[1]。比重法精度较高但操作繁琐，需多次使用分析天平；旋光法[2]是检测偏振光光强的变化规律，需要不同成分具有不同的旋光性且精度不高；分光计法[3]是检测液体透光率，精度也不高；超声波法具有精度高的特点，但设备体积较大不易携带；折射率法中典型的是基于全反射的阿贝折射仪[4]，其测量精度较高，但测定范围相对较窄。 目前基于折射率法的测量方法大致分为两类：一是使用光纤直接插入水中发射和接收，但对激光有较高的要求，在激光的入射方向要和光纤成特定角度，在工业使用时接口就易发生变形，使精度达不到要求；二是用激光在容器外部射入待测溶液，而现有装置都不可避免引入了容器壁对折射率的影响，且装置功能单一。 本设备就是在上述背景下，提出了一种新颖的基于折射率法的测量技术，实现了对液体折射率的一体化在线精确测量。此作品测量探头采取双折射特殊设计，从根本上消除了容器壁对测量结果的影响；可对少量液体的折射率及其变化进行测量；也适用于挥发性液体和有毒性液体折射率的测量；此设备既可以用于对液体折射率的实验测量也可以用于工业在线监测；同时此设备具有成本低、操作简单、测量精度较高等优点。 本作品测量技术可进一步延伸，拓展其功能。如，根据经验公式还可以测液体的浓度；还可以用于葡萄酒品质的在线测量等。基于本技术的测量，可实现多功能、多环境下的低成本高精度测量。 参考文献： [1] 辛督强 朱民 解延雷 张涛 测量液体折射率的几种方法[ J ].大学物理，2007,26(1):34-37. [2] 包弈舰 黄吉 陆申龙.新型旋转液体实验——介绍一个研究性物理实验[J].大学物理,2003,22(2):27-30. [3] 黄文龙. 利用全反射原理测量液体折射率的分光计方法[ J ].物理通报， 1997,23(2):27-28. [4] 孙流星.邵懿芳.自动阿贝折射仪的研究[J].光学器件, 2010, 25(5): 80- 83.
