用液芯柱透鏡的瞬時折射率空間分布測量液相擴散係數的方法
2023-05-27 12:32:11 2
用液芯柱透鏡的瞬時折射率空間分布測量液相擴散係數的方法
【專利摘要】用液芯柱透鏡的瞬時折射率空間分布測量液相擴散係數的方法，屬於光學測量液相擴散係數的方法。本發明以液芯柱透鏡作為液相擴散池和成像元件，在介質擴散時間內選擇若干採樣點，利用MicrosoftVisualBasic程序控制CMOS晶片採集瞬時擴散圖像，根據圖像像寬與折射率的對應關係得出折射率ni與位置Zi的序偶集，再通過Fick第二定律直接計算出液相擴散係數。用純水分別與乙二醇以及不同濃度的蔗糖溶液的擴散實驗表明，該方法測量速度極快（小於1秒），測量數值準確（相對誤差小於3%）。
【專利說明】用液芯柱透鏡的瞬時折射率空間分布測量液相擴散係數的方法
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明屬於光學測量液相擴散係數的方法，特別是通過CMOS採集得到瞬時圖像即可自動、快速得到折射率的空間分布和擴散係數。
【背景技術】
[0003]液相擴散係數是研究傳質過程，計算傳質速率及化工設計與開發的重要基礎數據，已廣泛應用在生物、化工、醫學及環保等新興行業中。但液相擴散係數主要依靠實驗方法獲得，即間接地測量溶液隨空間和時間擴散分布所形成的濃度，根據擴散過程Fick定律計算液相擴散係數。這些測量方法要求高穩定性的儀器設備，成本貴，測量時間長，還沒有一種儀器簡化，且能精確、快速地測量液相擴散係數的方法。
[0004]本發明提出之前，我們根據平行光經過裝有不同液體的柱透鏡後會聚焦點位置不同的物理現象，提出了利用柱透鏡測量液體折射率的原理和方法(普小雲，白然，邢曼男等，中國發明專利ZL200710066016.2[P];邢曼男，白然，普小雲，精確測量微量液體折射率的新方法[J]，「光學精密工程」，2008，16(7)，1196-1202);李強，孫麗存，孟偉東，普小雲，用液芯變焦柱透鏡精確測量液體折射率[J]，「中國雷射」，2012，39 (10)，1008005-Γ?008005-7)ο在柱透鏡成像法測量折射率的基礎上，我們研究了液相擴散過程，提出了用等折射率薄層測量液相擴散係數的方法。(李強，李宇，孫麗存等，中國發明專利ZL201110283339.3 [P])基於非對稱液芯柱透鏡精確測量液體折射率及液相擴散係數的裝置」(孫麗存，普小雲，孟偉東等，實用新型專利ZL2013205785108[P]);「基於非對稱液芯柱透鏡精確測量液體折射率及液相擴散係數的方法」(孫麗存，普小雲，孟偉東等，中國發明專利201310412166X[P]);李強，普小雲，用毛細管成像法測量液相擴散係數一等折射率薄層測量方法[J]，(「物理學報」，2013，62 (9)，094206-1 ?094206-7);LI Qiang PU Xiao-Yun,YANG Ru1-Fen, ZHAI Ying,Measurement of Diffus1n Coefficient of Liquids by Usingan Asymmetric Liquid-Core Cylindrical Lens: Observing the Diffus1n ProcessDirectly [J], (「CHIN.PHYS.LETT」，2014，31 (5)，054203-1 ?054203-4。)與折射率測量法、動態光散射測量法、螢光分子示蹤測量法、放射性元素示蹤測量法和全息幹涉法相比，用等折射率薄層測量液相擴散係數的方法需要的測量時間大幅度縮短，且抗幹擾能力強、系統穩定性好，進步明顯。但是，等折射率薄層測量方法需要採集不同擴散時刻的多幅擴散圖像，多幅圖像的採集要求使等折射率薄層方法不是一種液相擴散係數的瞬時測量方法。
【發明內容】
[0005]為了進一步縮短液相擴散係數的測量時間，提高抗環境幹擾能力和測量效率，本發明基於液芯柱透鏡測量液體折射率及液相擴散係數的裝置和方法，提出一種液相擴散係數的瞬時測量方法，即基於液芯柱透鏡的瞬時折射率空間分布測量液相擴散係數的方法。
[0006](一)本發明基於液芯柱透鏡的瞬時折射率空間分布測量液相擴散係數的方法，包括:
(1)測量兩種溶液擴散開始前在界面(Z=O)兩邊的初始濃度q和G，根據式(I)計算擴散溶液濃度:
/ (λ(Ζ,Ι)) =+C0, m 與 C0 為常數，(I)
根據高斯反誤差函數計算
【權利要求】
1.用液芯柱透鏡的瞬時折射率空間分布測量液相擴散係數的方法，包括步驟: (1)測量兩種溶液擴散開始前在界面(Z=O)兩邊的初始濃度q和G，根據式(I)計算擴散溶液濃度:與 G 為常數(I); 根據高斯誤差反函數計算構成空間分布的序偶關係 1? _ΑΛ/(Μ|(4Ι)卜的集； (2)對乙與進行線性擬合，得到方程，計算擴散係數D:Z=t^erfimr{[f [n{2?￡))-.........*.....?..........1 ]/[.....}-b ,其中,,t = 2^/Λ ；
>￡t -- 其特徵是: (1)得到式(I)折射率Wi(? 的方法是: 用單色平行光為柱透鏡入射光，待柱透鏡內注入的兩種液體擴散後形成在觀察屏ff上清晰成像的折射率為和像寬為的若干液體薄層，在時刻七採集一幅液體擴散圖像，使各液體薄層經非對稱柱透鏡的成像光束的焦距 <滿足關係: A kd ?, = (2)
^-Li 其中，A是在傍軸情況下的柱透鏡通光孔徑,d為觀察屏邙與柱透鏡管軸之間的距離；(2)記錄式(I)中折射率為Hi的液體薄層到溶液分界面的距離Zi;將式(I)計算得到的焦距Cli值代入柱透鏡高斯成像公式得到折射率》2 (ζ ,?)。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵是採集一幅液體擴散圖像的時刻?在1500s?2700s範圍內。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵是在柱透鏡內的兩種液體擴散後，選擇10個以上各液體薄層的位置作為折射採樣點，即i彡?ο。
4.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵是或者用刻度尺測量像寬和位置乙，或者編寫程序控制圖像傳感器(7)，用計算機(8)採集和分析圖像的像寬Σ?和位置A對應關係，兩種之中優選後者。
5.根據權利要求3所述的方法，其特徵是或者用刻度尺測量像寬和位置乙，或者編寫程序控制圖像傳感器(7)，用計算機(8)採集和分析圖像的像寬&和位置A對應關係，兩種之中優選後者。
6.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵是進一步取得任意時刻的擴散通量J = -D-γ胃，其中，D表不擴散係數，.■丨一表不濃度梯度，負號表不擴散方向為濃度梯度的反
dxdx方向。
【文檔編號】G01N21/41GK104165863SQ201410440938
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年9月2日 優先權日:2014年9月2日
【發明者】孟偉東, 普小雲, 孫麗存, 楊瑞芬, 瞿影 申請人:雲南大學