用線陣CCD測(cè)定液體折射率實(shí)驗(yàn)研究

用線陣CCD測(cè)定液體折射率實(shí)驗(yàn)研究【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私饩€陣CCD圖象傳感器的原理及圖象數(shù)據(jù)的采集和分析方法。用CCD-3型液體折射率測(cè)定儀進(jìn)行一些測(cè)定液體折射率的實(shí)驗(yàn)研究。學(xué)會(huì)用Excel進(jìn)行數(shù)值解法及數(shù)據(jù)處理的方法?！綜CD概述】電荷耦合器件（Charge-CoupledDevice）簡(jiǎn)稱CCD，是1970年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室首先研制出來的新型固體器件。60年代末，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S.波涅爾和G.E.史密斯等人在研究磁泡時(shí)，發(fā)現(xiàn)了電荷通過半導(dǎo)體勢(shì)阱時(shí)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，他們據(jù)此提出了電荷耦合這一新的概念和一維（CCD）模型，預(yù)言了CCD在信號(hào)處理、信號(hào)存儲(chǔ)和圖像傳感中的應(yīng)用前景。自1970年電荷耦合器件問世以來，這種器件的研究及應(yīng)用已經(jīng)取得了十分驚人的發(fā)展，并且迅速地從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用階段，目前CCD在圖像傳感、模擬信號(hào)處理、以及數(shù)字存儲(chǔ)等領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用。CCD圖像傳感器既具有光電轉(zhuǎn)換功能，又具有信號(hào)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移和讀出功能，其工作過程可分為四步。第一是光積分期，即曝光時(shí)間，這是CCD像元把入射光量子按比例地轉(zhuǎn)換成光生電荷，完成光-電轉(zhuǎn)換。第二是在光積分的同時(shí)，把每一個(gè)像元產(chǎn)生的光電荷暫時(shí)存儲(chǔ)在相應(yīng)的光敏二極管勢(shì)阱中，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷存儲(chǔ)。第三是在曝光結(jié)束后，把存儲(chǔ)的光生電荷沿CCD移位寄存器轉(zhuǎn)移到輸出區(qū)，完成電荷轉(zhuǎn)移。第四是在讀出放大器中把每一個(gè)光生電荷包依次轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的視頻信號(hào)，完成信號(hào)讀出。因此CCD圖像傳感器可以看成是一個(gè)變換器，它能把一幅空間分布的光學(xué)圖像變成按時(shí)間順序分布的視頻電壓信號(hào)。線陣CCD圖象傳感器能把一維圖像記錄下來。【實(shí)驗(yàn)原理】讓一束波長(zhǎng)為λ的平行光在空氣中斜射到裝有待測(cè)液體的矩形玻璃容器的一個(gè)側(cè)面，并從另一平行側(cè)面射出，如圖1（a）。由幾何光學(xué)原理可知，出射光束與入射光束平行但不在同一直線上，即出射光相對(duì)入射光有一側(cè)向位移，此位移大小與待測(cè)液體的折射率和容器參數(shù)（容器的幾何尺寸、容器材料的折射率）有關(guān)。為了消除容器壁材料的參數(shù)對(duì)測(cè)量的影響，讓同一束光在同樣的入射角下先后通過空矩形容器和裝有待測(cè)液體的該矩形容器，測(cè)量上述兩種情況下出射點(diǎn)的位移，便可求出待測(cè)液體的折射率而無需知道容器壁的厚度和器壁材料的折射率。計(jì)算公式推導(dǎo)如下：(b)圖1測(cè)量原理當(dāng)容器中空時(shí)，設(shè)θ0為入射角，n1是玻璃的折射率，n(b)圖1測(cè)量原理（1）式中，d1為容器玻璃壁的厚度，d為容器壁之間的間距，S為出射點(diǎn)與入射點(diǎn)沿平行于容器壁方向的距離。當(dāng)容器中裝有待測(cè)液體時(shí)，設(shè)n為液體的折射率，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與θ0已知，只要測(cè)出，便可求出n。如果待測(cè)液體是某種溶液則可根據(jù)溶液濃度與n的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到該溶液濃度的數(shù)值。出射光點(diǎn)位置利用線陣CCD圖像傳感器測(cè)定,使線陣CCD光敏面平行于容器前后壁放置,光點(diǎn)照在線陣CCD上，由計(jì)算機(jī)控制對(duì)CCD像素進(jìn)行掃描，獲取光點(diǎn)位置的視頻信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)碼圖象傳送到計(jì)算機(jī)，用軟件處理得到光點(diǎn)位置數(shù)據(jù)。如圖1（b），當(dāng)容器中無液體時(shí)光束在Q點(diǎn)出射,當(dāng)容器中有液體時(shí)光束在Q′點(diǎn)出射,很容易得到:。如果已知線陣CCD光敏元中心間距及AB所對(duì)應(yīng)的光敏元數(shù)目，則。兩光敏元之間的間距為0.005246mm.入射光線角度可調(diào)，適合測(cè)量各種折射率（1~∞）的液體。儀器沒有安裝精密復(fù)雜的機(jī)械游標(biāo)測(cè)角裝置，對(duì)角度的確定是巧妙地利用定標(biāo)液定標(biāo)，可用Excel進(jìn)行手工數(shù)值解法或?qū)Ｓ密浖詣?dòng)計(jì)算入射角。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。CCDm0mCCDm0m1m2光源容器圖2實(shí)驗(yàn)裝置A/D轉(zhuǎn)換電腦測(cè)量容器尺寸d和d1（手不要接觸容器透明面），各測(cè)3次填入表1。軟件自動(dòng)測(cè)量液體折射率：根據(jù)說明書介紹的基本方法，擬訂一個(gè)軟件自動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)室提供的樣品（如無水乙醇、三氯鉀烷）折射率的方案，必須包含入射角檢查、用圖象處理軟件觀察分析調(diào)試圖象、定標(biāo)、多次測(cè)量折射率計(jì)算平均值等內(nèi)容（重復(fù)測(cè)量每次都要將容器取出再放入），建議用水作定標(biāo)液。人工圖象數(shù)據(jù)采集分析及數(shù)值解法處理數(shù)據(jù)測(cè)量液體折射率根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理及公式（4），試設(shè)計(jì)一個(gè)Excel電子表格數(shù)據(jù)處理軟件，如果不行的話再使用實(shí)驗(yàn)室提供的‘液體折射率計(jì)算表03.xls’Excel電子表格，但是必須先搞清該Excel電子表格的結(jié)構(gòu)原理（取消隱藏顯示所有表格）。擬訂一個(gè)用Photoshop6.0法或ImageStarIII法測(cè)量實(shí)驗(yàn)室提供的樣品（如無水乙醇、三氯鉀烷）折射率的方案，必須包含定標(biāo)、多次測(cè)量折射率計(jì)算平均值等內(nèi)容（重復(fù)測(cè)量每次都要將容器取出再放入），建議用水作定標(biāo)液，實(shí)驗(yàn)完成后將Excel電子表格另存為“自起名.xls”。測(cè)量不同厚度的玻璃折射率測(cè)定糖溶液濃度（選做）設(shè)計(jì)一套調(diào)配不同濃度的糖溶液的方法，并且用CCD-3型液體折射率測(cè)定儀測(cè)定（建議用分析純蔗糖，注意防潮）。對(duì)‘液體折射率計(jì)算表03.xls’Excel電子表格進(jìn)行擴(kuò)充，使其能反映調(diào)配濃度數(shù)據(jù)和測(cè)得的濃度數(shù)據(jù)。糖溶液濃度和折射率的關(guān)系：（%）（5）其中e為糖溶液濃度n為糖溶液折射率?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理】定標(biāo)測(cè)量測(cè)量測(cè)量測(cè)量液體名稱水酒精10%糖溶液玻璃1玻璃2玻璃3無液光斑中心253025302530194519451945有液中心位置380038954251219525254155入射角（°度）35.0035.0035.0035.0035.0035.00容器寬度d（mm）29.8029.8029.803.927.9632.100.610.610.700.610.610.610.570.570.640.570.570.570.330.330.420.330.330.330.700.700.840.700.700.70光斑偏移（mm）6.667.169.031.313.0411.5914.2013.7016.071.432.5310.881.201.25