用线阵CCD测定液体折射率实验研究.doc

精品文档用线阵CCD测定液体折射率实验研究一、实验目的1. 了解线阵CCD图象传感器的原理及图象数据的采集和分析方法2. 用CCD-3型液体折射率测定仪进行一些测定液体折射率的实验研究3. 学会用Excel进行数值解法及数据处理的方法二、实验原理CCD概述：电荷耦合器件（Charge-Coupled Device）简称CCD，是1970年由美国贝尔实验室首先研制出来的新型固体器件。60年代末，美国贝尔实验室的W.S.波涅尔和G.E.史密斯等人在研究磁泡时，发现了电荷通过半导体势阱时会发生转移现象，他们据此提出了电荷耦合这一新的概念和一维（CCD）模型，预言了CCD在信号处理、信号存储和图像传感中的应用前景。自1970年电荷耦合器件问世以来，这种器件的研究及应用已经取得了十分惊人的发展，并且迅速地从实验室走向实际应用阶段，目前CCD在图像传感、模拟信号处理、以及数字存储等领域都有着十分广泛的应用。CCD图像传感器既具有光电转换功能，又具有信号存储、转移和读出功能，其工作过程可分为四步。第一是光积分期，即曝光时间，这是CCD像元把入射光量子按比例地转换成光生电荷，完成光-电转换。第二是在光积分的同时，把每一个像元产生的光电荷暂时存储在相应的光敏二极管势阱中，实现信号电荷存储。第三是在曝光结束后，把存储的光生电荷沿CCD移位寄存器转移到输出区，完成电荷转移。第四是在读出放大器中把每一个光生电荷包依次转变成相应的视频信号，完成信号读出。因此CCD图像传感器可以看成是一个变换器，它能把一幅空间分布的光学图像变成按时间顺序分布的视频电压信号。线阵CCD图象传感器能把一维图像记录下来。测量原理：让一束波长为的平行光在空气中斜射到装有待测液体的矩形玻璃容器的一个侧面，并从另一平行侧面射出，如图1（a）。由几何光学原理可知，出射光束与入射光束平行但不在同一直线上，即出射光相对入射光有一侧向位移，此位移大小与待测液体的折射率和容器参数（容器的几何尺寸、容器材料的折射率）有关。为了消除容器壁材料的参数对测量的影响，让同一束光在同样的入射角下先后通过空矩形容器和装有待测液体的该矩形容器，测量上述两种情况下出射点的位移，便可求出待测液体的折射率而无需知道容器壁的厚度和器壁材料的折射率。计算公式推导如下： (a) (b)图1 测量原理当容器中空时，设0为入射角，n1是玻璃的折射率，n0是空气的折射率（1.000291）。根据几何知识有: （1）式中，d1为容器玻璃壁的厚度，d为容器壁之间的间距，S为出射点与入射点沿平行于容器壁方向的距离。当容器中装有待测液体时，设n为液体的折射率，同理可得： （2）（1）式-（2）式及折射定律可得： （3）由此可得： （4）（4）式中，d、n0与0已知，只要测出，便可求出n。如果待测液体是某种溶液则可根据溶液浓度与n的对应关系得到该溶液浓度的数值。出射光点位置利用线阵CCD图像传感器测定,使线阵CCD光敏面平行于容器前后壁放置, 光点照在线阵CCD上，由计算机控制对CCD像素进行扫描，获取光点位置的视频信号，经A/D转换成数码图象传送到计算机，用软件处理得到光点位置数据。如图1（b），当容器中无液体时光束在Q点出射,当容器中有液体时光束在Q点出射,很容易得到: 。如果已知线阵CCD光敏元中心间距及AB所对应的光敏元数目，则。入射光线角度可调，适合测量各种折射率（1）的液体。仪器没有安装精密复杂的机械游标测角装置，对角度的确定是巧妙地利用定标液定标，可用Excel进行手工数值解法或专用软件自动计算入射角。实验装置如图2所示。CCD m0m1m2光源容器图2 实验装置A/D转换电脑三，实验仪器CCD测量仪，小烧杯，清水，蔗糖，酒精，溴代萘，三氯甲烷晶体四、实验内容（实验前必须仔细阅读说明书，根据课时数选择下列内容）1. 测量容器尺寸d和d1（手不要接触容器透明面），各测5次填入表1。2. 软件自动测量液体折射率：根据说明书介绍的基本方法，拟订一个软件自动测量实验室提供的样品（如无水乙醇、三氯钾烷）折射率的方案，必须包含入射角检查、用图象处理软件观察分析调试图象、定标、多次测量折射率计算平均值等内容（重复测量每次都要将容器取出再放入），建议用水作定标液。3. 人工图象数据采集分析及数值解法处理数据测量液体折射率1) 根据实验原理及公式（4），试设计一个Excel电子表格数据处理软件，如果不行的话再使用实验室提供的液体折射率计算表03.xls Excel电子表格，但是必须先搞清该Excel电子表格的结构原理（取消隐藏显示所有表格）。2) 拟订一个用Photoshop 6.0法或ImageStar III法测量实验室提供的样品（如无水乙醇、三氯钾烷）折射率的方案，必须包含定标、多次测量折射率计算平均值等内容（重复测量每次都要将容器取出再放入），建议用水作定标液，实验完成后将Excel电子表格另存为“自起名.xls”。4. 测定糖溶液浓度1) 设计一套调配不同浓度的糖溶液的方法，并且用CCD-3型液体折射率测定仪测定（建议用分析纯蔗糖，注意防潮）。2) 对液体折射率计算表03.xls Excel电子表格进行扩充，使其能反映调配浓度数据和测得的浓度数据。5. 测量固体折射率1) 研究是否能用CCD-3型液体折射率测定仪测量固体折射率，需要什么条件？2) 试探用最简单的材料实现一、二种固体折射率的测量。五、实验数据及数据处理表1 容器尺寸记录表 d1为壁厚，d外为容器总宽度，d为容器内宽度。12345平均d外 （mm）34.2034.2034.2034.2034.2034.20d1（mm）2.002.002.002.002.002.00d （mm） d= d外-2 d1= 30.20 mm表2 液体折射率计算表定标测量液体名称水无水乙醇无液光斑中心位置（像素）873873有液中心位置（像素）26252720入射角（度）41.0541.05容器宽度d（mm）30.2030.2测得折射率1.3331.363定标液折射率1.333/标准值：1.362测量误差：0.07%表3 固体折射率计算表定标测量固体名称溴代萘三氯甲烷无液光斑中心位置（像素）873873有液中心位置（像素）11563039入射角（度）41.0541.05容器宽度d（mm）4.732.1测得折射率1.3511.565表4 糖溶液折射率计算表溶液浓度（%）510152025无液光斑中心位置（像素）873873873873873有液中心位置（像素）26722689270527362750入射角（度）41.0541.0541.0541.0541.05容器宽度d（mm）30.130.130.130.130.1测得折射率1.3491.3551.3601.3701.375作出折射率-糖溶液浓度曲线图，并进行二次拟合，求得折射率和糖溶液浓度之间的关系式设折射率为n，糖溶液浓度为e，则n，e满足：n=8.571*10(-6)*e+0.001083e+1.343实验结论：1，使用CCD法，以清水为基准液体，成功测量了无水乙醇液体的折射率，与标准值相比误差极小，实验成功2，使用同样的方法，测量了固体溴代萘，三氯甲烷晶体的折射率，但因为找不到参考值，无法进行误差比较3，探究了蔗糖溶液的浓度和折射率之间的关系，求得了折射率-糖溶液关系式，以此公式，在已知糖溶液浓度的情况下，可以非常便捷的求得其折射率，因此具有重要的实用价值。4，在蔗糖溶液的配置中，难免出现些许误差，比如不是纯糖溶液，而是混杂了其他离子等，这是造成结果误差的主要原因。六、附录1. 表4 一些固体和液体对钠D线（589.3nm）的折射率物质名称nD测量温度（）固体金刚石2.41715冰1.3115云母1.561.6015糖1.5615黄玉1.6315石英玻璃1.4586020液体水1.333020一氧醋酸乙烷1.41920火油1.44620丙酮1.35920乙醚1.35120乙醇1.36215乙醇1.360520甘油1.4715甘油1.46020氯苯1.52420苯1.50415三氯甲烷1.44915三氯甲烷1.446