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基于最小偏向角法的高精度液体折射率测量装置的优化设计与测量研究

付兴丽 冯杰 范晓辉 潘梦芸 韦秋叶

付兴丽, 冯杰, 范晓辉, 潘梦芸, 韦秋叶. 基于最小偏向角法的高精度液体折射率测量装置的优化设计与测量研究[J]. 中国光学(中英文), 2022, 15(4): 789-796. doi: 10.37188/CO.2022-0064
引用本文: 付兴丽, 冯杰, 范晓辉, 潘梦芸, 韦秋叶. 基于最小偏向角法的高精度液体折射率测量装置的优化设计与测量研究[J]. 中国光学(中英文), 2022, 15(4): 789-796. doi: 10.37188/CO.2022-0064
FU Xing-li, FENG Jie, FAN Xiao-hui, PAN Meng-yun, WEI Qiu-ye. Optimization design and test of a high-precision measuring device of liquid refractive index based on the method of minimum deviation angle[J]. Chinese Optics, 2022, 15(4): 789-796. doi: 10.37188/CO.2022-0064
Citation: FU Xing-li, FENG Jie, FAN Xiao-hui, PAN Meng-yun, WEI Qiu-ye. Optimization design and test of a high-precision measuring device of liquid refractive index based on the method of minimum deviation angle[J]. Chinese Optics, 2022, 15(4): 789-796. doi: 10.37188/CO.2022-0064

基于最小偏向角法的高精度液体折射率测量装置的优化设计与测量研究

doi: 10.37188/CO.2022-0064
基金项目: 2020年度广西中青年教师科研基础能力提升项目(No. 2020KY39006);2018年度广西科技计划重点研发项目(No. AB1850039);广西工业职业技术学院2019年院级教科研项目
详细信息
    作者简介:

    付兴丽(1984—),女,四川简阳人,硕士研究生,2010年于四川大学获得理学硕士学位,主要从事有机化学、化学化工等方面研究。E-mail:327551158@qq.com

    冯 杰(1985—),男,广西南宁人,博士,高级工程师,2012年于四川大学获得理学博士学位,主要从事光学计量、化学计量等方面的研究。E-mail:38652808@qq.com

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

Optimization design and test of a high-precision measuring device of liquid refractive index based on the method of minimum deviation angle

Funds: Supported by 2020 Guangxi Young and Middle-Aged Teachers’ Basic Scientific Research Ability Improvement Project (No. 2020KY39006); 2018 Key R & D Project of Guangxi Science and Technology Plan (No. AB1850039); 2019 Scientific Research Project of Guangxi Vocational & Technical Institute of industry
More Information
  • 摘要:

    为了实现利用最小偏向角法对无定形流体的高精度折射率测量,设计了一种全新的恒温空心三棱镜装置,对该装置的光路和恒温组件进行精确设计,将其应用于测量液体折射率,对测量结果和不确定度进行定量分析。首先,通过对三棱镜光学平面的精确设计和加工,实现对测量光线的精准控制。其次,通过对恒温夹套内空心管路的迂回设计,使测量池内液体的温度波动和温场均匀性满足高精度折射率测量要求。最后,将该装置应用于液体折射率测量,定量分析了各影响因素的测量不确定度。实验结果表明:对于水、异辛烷、四氯乙烯3种液体,其折射率测量精度达到10−7,测量不确定度可低至10−5。实现了用最小偏向角法对液体折射率的高精度测量。

     

  • 图 1  最小偏向角法原理图

    Figure 1.  Principle of minimum deviation angle method

    图 2  恒温夹套和空心三棱镜实物图

    Figure 2.  Physical pictures of thermostatic jacket and hollow prism

    图 3  恒温空心三棱镜装置立体示意图

    Figure 3.  The stereoscopic model of thermostatic hollow prism

    图 4  恒温夹套平面示意图。(a)无测量窗的侧面;(b)有测量窗的侧面;(c)顶面和底面

    Figure 4.  The planar graph of thermostatic inner layer. (a) Side without measuring window; (b) side with measuring window; (c) top and bottom

    图 5  测量池三棱镜器皿加工测试数据

    Figure 5.  Processing test data of prism vessels in measuring cell

    图 6  高精度手动折射率测量仪

    Figure 6.  High precision manual refractive index measuring instrument

    表  1  实验仪器

    Table  1.   Experimental instruments

    名称型号厂商
    高精度手动折射率
    测量仪
    SpectroMaster®TRIOPTICS
    高精度台式液体折射仪Abbemat 550奥地利安东帕公司
    手持式参考测温仪1524美国福禄克公司
    空心三棱镜/苏州诺威特测控科技
    有限公司
    数字气压表370美国Setra公司
    温湿度计608-H1德图仪表(深圳)有限公司
    恒温水浴RTS-0AT湖州唯立仪表厂
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    表  2  实验试剂

    Table  2.   Experimental reagent

    名称级别或标准号生产厂家
    纯水电阻值大于18 MΩ自制
    异辛烷纯度99.8%阿拉丁
    四氯乙烯纯度≥99%阿拉丁
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    表  3  液体折射率的实验数据与统计学分析

    Table  3.   Experimental data and statistical analysis of liquid refractive index

    待测液体目标温度( °C)123456平均值
    $ \overline {{n_x}} $
    标准偏差S
    15.001.33336321.33336481.33336951.33336541.33336651.33336471.33336572.16×10−6
    20.001.33299051.33299221.33299291.33299241.33299161.33299181.33299198.25×10−7
    25.001.33250781.33250841.33250591.33250631.33250681.33250801.33250721.01×10−6
    异辛烷15.001.39391651.39391481.39391901.39391541.39391361.39391731.39391611.92×10−6
    20.001.39146941.39146811.39146911.39146911.39146951.39146811.39146896.27×10−7
    25.001.38905321.38904951.38905411.38905081.38904771.38905101.38905112.35×10−6
    四氯乙烯15.001.50849951.50850501.50850231.50849861.50849931.50850521.50850172.96×10−6
    20.001.50578951.50578871.50579081.50579411.50579031.50579091.50579071.86×10−6
    25.001.50312551.50312561.50312641.50312511.50312681.50312621.50312596.38×10−7
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    表  4  两种不同原理的测量结果

    Table  4.   Comparative results of two different principles

    待测液体最小偏向角法
    测量平均值
    全反射角法
    测量平均值
    折射率
    测量偏差
    1.33299191.332993−1.1×10−6
    异辛烷1.39146891.3914671.9×10−6
    四氯乙烯1.50579071.5057907.0×10−7
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    表  5  环境温度下的液体折射率

    Table  5.   Refractive indices of liquid at ambient temperature

    测温( °C)18.9719.7519.9219.9920.02
    1.33306911.33301211.33299531.33299321.3329896
    (20±1) °C时,水折射率随温度变化系数:−7.6×10−5/°C
    测温(°C)20.0420.1420.3220.4020.77
    异辛烷1.39148951.39139841.39130751.39126161.3910314
    (20±1) °C时,异辛烷折射率随温度变化系数:−6.1×10−4/ °C
    测温(°C)19.2019.3119.9019.9820.08
    四氯乙烯1.50624041.50621931.50585091.50580021.5057544
    (20±1) °C时,四氯乙烯折射率随温度变化系数:−5.8×10−4/°C
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    表  6  空气折射率引入的标准不确定度分量

    Table  6.   Standard uncertainty introduced by air refractive index

    待测液体$ u({n_0}) $$ {n_x} $u1
    3.46×10−61.33299324.62×10−6
    异辛烷3.46×10−61.39147274.82×10−6
    四氯乙烯3.46×10−61.50580025.22×10−6
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    表  7  测温误差引入的标准不确定度

    Table  7.   Standard uncertainty introduced by temperature measurement error

    待测液体ab$ {c_t} $$ {u_2} $
    −8.11×10−5−3.63×10−6−8.11×10−5−1.40×10−6
    异辛烷−4.84×10−4−4.72×10−6−4.84×10−4−8.39×10−6
    四氯乙烯−5.48×10−41.25×10−4−5.48×10−4−9.49×10−6
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    表  8  顶角及最小偏向角实验数据

    Table  8.   Experimental data of vertex angle and minimum deviation angle

    待测液体顶角A最小偏向角D$ {n_x} $
    54.99965°20.97748°1.3329932
    异辛烷54.99972°24.95978°1.3914727
    四氯乙烯54.99970°33.10221°1.5058002
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    表  9  角度测量误差引入的标准不确定度分量

    Table  9.   Standard uncertainty introduced by angle measurement error

    待测液体$ {u_{{\rm{rad}}}} $$\dfrac{ {\partial {n_x} } }{ {\partial A} }$$\dfrac{ {\partial {n_x} } }{ {\partial D} }$$ {u_3} $
    1.41×10−64.271.716.46×10−6
    异辛烷1.41×10−64.331.666.52×10−6
    四氯乙烯1.41×10−64.451.566.63×10−6
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    表  10  不确定度分量及合成不确定度

    Table  10.   Uncertainty component and combined uncertainty

    待测液体$ u_s^{} $$ {u_1} $$ {u_2} $$ {u_3} $$ u({n_x}) $
    3.37×10−74.62×10−6−1.40×10−66.46×10−68.1×10−6
    异辛烷2.56×10−74.82×10−6−8.39×10−66.52×10−61.2×10−5
    四氯乙烯7.59×10−75.22×10−6−9.48×10−66.63×10−61.3×10−5
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-08
  • 修回日期:  2022-04-24
  • 网络出版日期:  2022-07-02

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