用液芯柱透鏡的瞬時(shí)折射率空間分布測(cè)量液相擴(kuò)散系數(shù)的方法
【專利摘要】用液芯柱透鏡的瞬時(shí)折射率空間分布測(cè)量液相擴(kuò)散系數(shù)的方法，屬于光學(xué)測(cè)量液相擴(kuò)散系數(shù)的方法。本發(fā)明以液芯柱透鏡作為液相擴(kuò)散池和成像元件，在介質(zhì)擴(kuò)散時(shí)間內(nèi)選擇若干采樣點(diǎn)，利用MicrosoftVisualBasic程序控制CMOS芯片采集瞬時(shí)擴(kuò)散圖像，根據(jù)圖像像寬與折射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系得出折射率ni與位置Zi的序偶集，再通過Fick第二定律直接計(jì)算出液相擴(kuò)散系數(shù)。用純水分別與乙二醇以及不同濃度的蔗糖溶液的擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)表明，該方法測(cè)量速度極快（小于1秒），測(cè)量數(shù)值準(zhǔn)確（相對(duì)誤差小于3%）。
【專利說明】用液芯柱透鏡的瞬時(shí)折射率空間分布測(cè)量液相擴(kuò)散系數(shù)的方法
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量液相擴(kuò)散系數(shù)的方法，特別是通過CMOS采集得到瞬時(shí)圖像即可自動(dòng)、快速得到折射率的空間分布和擴(kuò)散系數(shù)。

【背景技術(shù)】
[0003]液相擴(kuò)散系數(shù)是研究傳質(zhì)過程，計(jì)算傳質(zhì)速率及化工設(shè)計(jì)與開發(fā)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，已廣泛應(yīng)用在生物、化工、醫(yī)學(xué)及環(huán)保等新興行業(yè)中。但液相擴(kuò)散系數(shù)主要依靠實(shí)驗(yàn)方法獲得，即間接地測(cè)量溶液隨空間和時(shí)間擴(kuò)散分布所形成的濃度，根據(jù)擴(kuò)散過程Fick定律計(jì)算液相擴(kuò)散系數(shù)。這些測(cè)量方法要求高穩(wěn)定性的儀器設(shè)備，成本貴，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，還沒有一種儀器簡(jiǎn)化，且能精確、快速地測(cè)量液相擴(kuò)散系數(shù)的方法。
[0004]本發(fā)明提出之前，我們根據(jù)平行光經(jīng)過裝有不同液體的柱透鏡后會(huì)聚焦點(diǎn)位置不同的物理現(xiàn)象，提出了利用柱透鏡測(cè)量液體折射率的原理和方法(普小云，白然，邢曼男等，中國(guó)發(fā)明專利ZL200710066016.2[P];邢曼男，白然，普小云，精確測(cè)量微量液體折射率的新方法[J]，“光學(xué)精密工程”，2008，16(7)，1196-1202);李強(qiáng)，孫麗存，孟偉東，普小云，用液芯變焦柱透鏡精確測(cè)量液體折射率[J]，“中國(guó)激光”，2012，39 (10)，1008005-Γ?008005-7)ο在柱透鏡成像法測(cè)量折射率的基礎(chǔ)上，我們研究了液相擴(kuò)散過程，提出了用等折射率薄層測(cè)量液相擴(kuò)散系數(shù)的方法。(李強(qiáng)，李宇，孫麗存等，中國(guó)發(fā)明專利ZL201110283339.3 [P])基于非對(duì)稱液芯柱透鏡精確測(cè)量液體折射率及液相擴(kuò)散系數(shù)的裝置”(孫麗存，普小云，孟偉東等，實(shí)用新型專利ZL2013205785108[P]);“基于非對(duì)稱液芯柱透鏡精確測(cè)量液體折射率及液相擴(kuò)散系數(shù)的方法”(孫麗存，普小云，孟偉東等，中國(guó)發(fā)明專利201310412166X[P]);李強(qiáng)，普小云，用毛細(xì)管成像法測(cè)量液相擴(kuò)散系數(shù)一等折射率薄層測(cè)量方法[J]，(“物理學(xué)報(bào)”，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(cè)量法、動(dòng)態(tài)光散射測(cè)量法、熒光分子示蹤測(cè)量法、放射性元素示蹤測(cè)量法和全息干涉法相比，用等折射率薄層測(cè)量液相擴(kuò)散系數(shù)的方法需要的測(cè)量時(shí)間大幅度縮短，且抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)穩(wěn)定性好，進(jìn)步明顯。但是，等折射率薄層測(cè)量方法需要采集不同擴(kuò)散時(shí)刻的多幅擴(kuò)散圖像，多幅圖像的采集要求使等折射率薄層方法不是一種液相擴(kuò)散系數(shù)的瞬時(shí)測(cè)量方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了進(jìn)一步縮短液相擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量時(shí)間，提高抗環(huán)境干擾能力和測(cè)量效率，本發(fā)明基于液芯柱透鏡測(cè)量液體折射率及液相擴(kuò)散系數(shù)的裝置和方法，提出一種液相擴(kuò)散系數(shù)的瞬時(shí)測(cè)量方法，即基于液芯柱透鏡的瞬時(shí)折射率空間分布測(cè)量液相擴(kuò)散系數(shù)的方法。
[0006](一)本發(fā)明基于液芯柱透鏡的瞬時(shí)折射率空間分布測(cè)量液相擴(kuò)散系數(shù)的方法，包括:
(1)測(cè)量?jī)煞N溶液擴(kuò)散開始前在界面(Z=O)兩邊的初始濃度q和G，根據(jù)式(I)計(jì)算擴(kuò)散溶液濃度:
/ (λ(Ζ,Ι)) =+C0, m 與 C0 為常數(shù)，(I)
根據(jù)高斯反誤差函數(shù)計(jì)算

【權(quán)利要求】
1.用液芯柱透鏡的瞬時(shí)折射率空間分布測(cè)量液相擴(kuò)散系數(shù)的方法，包括步驟: (1)測(cè)量?jī)煞N溶液擴(kuò)散開始前在界面(Z=O)兩邊的初始濃度q和G，根據(jù)式(I)計(jì)算擴(kuò)散溶液濃度:與 G 為常數(shù)(I); 根據(jù)高斯誤差反函數(shù)計(jì)算構(gòu)成空間分布的序偶關(guān)系 1? _ΑΛ/(Μ|(4Ι)卜的集； (2)對(duì)乙與進(jìn)行線性擬合，得到方程，計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)D:Z=t^erfimr{[f [n{2?￡))-.........*.....?..........1 ]/[.....}-b ,其中,,t = 2^/Λ ；
>￡t -- 其特征是: (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(nèi)注入的兩種液體擴(kuò)散后形成在觀察屏ff上清晰成像的折射率為和像寬為的若干液體薄層，在時(shí)刻七采集一幅液體擴(kuò)散圖像，使各液體薄層經(jīng)非對(duì)稱柱透鏡的成像光束的焦距 <滿足關(guān)系: 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(jì)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(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是采集一幅液體擴(kuò)散圖像的時(shí)刻?在1500s?2700s范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是在柱透鏡內(nèi)的兩種液體擴(kuò)散后，選擇10個(gè)以上各液體薄層的位置作為折射采樣點(diǎn)，即i彡?ο。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是或者用刻度尺測(cè)量像寬和位置乙，或者編寫程序控制圖像傳感器(7)，用計(jì)算機(jī)(8)采集和分析圖像的像寬Σ?和位置A對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩種之中優(yōu)選后者。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征是或者用刻度尺測(cè)量像寬和位置乙，或者編寫程序控制圖像傳感器(7)，用計(jì)算機(jī)(8)采集和分析圖像的像寬&和位置A對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩種之中優(yōu)選后者。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是進(jìn)一步取得任意時(shí)刻的擴(kuò)散通量J = -D-γ胃，其中，D表不擴(kuò)散系數(shù)，.■丨一表不濃度梯度，負(fù)號(hào)表不擴(kuò)散方向?yàn)闈舛忍荻鹊姆?br> dxdx方向。
【文檔編號(hào)】G01N21/41GK104165863SQ201410440938
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月2日
【發(fā)明者】孟偉東, 普小云, 孫麗存, 楊瑞芬, 瞿影 申請(qǐng)人:云南大學(xué)