基于邁克爾遜干涉儀測(cè)液體折光度實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法

翟志濤+曹林+向尚

摘 要 本文提出了一種新的方法和思路去測(cè)量液體以及透光固體的折射率的一種方法，應(yīng)用邁克爾遜干涉儀，以及比色皿等實(shí)驗(yàn)裝置，通過光敏傳感器自動(dòng)測(cè)量邁克爾遜試驗(yàn)儀上光圈的吞吐數(shù)目，其次將得到的數(shù)據(jù)輸入進(jìn)Labview虛擬程序框圖中，達(dá)到自動(dòng)化測(cè)量液體的折射率的一種新方法。本文從測(cè)量的原理和方案操作角度進(jìn)行了詳細(xì)的說明，并且做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作獲得了大量的有效的數(shù)據(jù)。本文也對(duì)這些相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了合理的分析，提出了新型測(cè)量方案的優(yōu)勢(shì)和缺陷。同時(shí)結(jié)合實(shí)際情況，我們對(duì)測(cè)量方案的前景提出了一些可行的觀點(diǎn)和猜想。

關(guān)鍵詞 折射率；Labview虛擬器；邁克爾遜干涉儀；比色皿；液體；光敏探頭；計(jì)數(shù)器

中圖分類號(hào) O5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）08-0024-03

折射率對(duì)于大家來說已然不是陌生，但是它的應(yīng)用范圍之廣大家卻不知道，它既可以通過液態(tài)食品的折射率的測(cè)量來鑒別食品的組成，也可以通過側(cè)利郎某液體的折射率來確定其濃度判斷其純度和品質(zhì)等等。測(cè)量折射率不管在食品行業(yè)還是化學(xué)以及工業(yè)上都有很重要的應(yīng)用，如果方便快捷的測(cè)量物體的折射率也成為了研究的重點(diǎn)和核心。本文提出了一種基于邁克爾遜干涉儀測(cè)量液體折射率的一種改進(jìn)方案，使得其方法更加快捷和靈敏準(zhǔn)確，希望能和大家一起探討研究。

1 研究背景及其發(fā)展

邁克爾遜干涉儀是利用分振幅產(chǎn)生雙光束進(jìn)而發(fā)生干涉現(xiàn)象可以產(chǎn)生等厚干涉條紋也可以產(chǎn)生等傾干涉條紋，在近代物理和近代計(jì)量測(cè)試技術(shù)中心有著重要的應(yīng)用。傳統(tǒng)的折射率測(cè)量方法有很多，在近代工業(yè)和理學(xué)中常用的幾種方法有全反射法、劈尖干涉法、阿貝折射儀測(cè)量法還有利用最小偏向角測(cè)量的方法等等。其中屬于比較實(shí)驗(yàn)的有最小偏角法和全反射法，所以兩者的測(cè)量條件是能夠提前知道標(biāo)準(zhǔn)樣品的折射率，還需要折射液來使得標(biāo)準(zhǔn)液和被測(cè)物體表面能夠充分的接觸，測(cè)量范圍受到了很大的限制，應(yīng)用范圍也相對(duì)來說較窄。最小偏向角法的缺點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)的測(cè)量過程十分的繁瑣，實(shí)驗(yàn)步驟復(fù)雜，所以應(yīng)用范圍也不是很大。

本文提出的測(cè)量方法的改進(jìn)不需要標(biāo)準(zhǔn)樣品和折射液，實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)單，主要基于邁克爾遜干涉儀，測(cè)量方法也十分簡(jiǎn)單適用性很強(qiáng)，從光學(xué)材料到透光液體和透光氣體，均可實(shí)現(xiàn)折射率的自動(dòng)測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 基本原理

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，在補(bǔ)償鏡和可移動(dòng)的反光鏡中間加上一個(gè)兩面透光的比色皿，再在比色皿的垂直斷面的表面上加一個(gè)指針，將比色皿放在一個(gè)轉(zhuǎn)盤上？即可。

實(shí)驗(yàn)中緩緩地轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤到一定的角度，帶動(dòng)了比色皿的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以光線通過比色皿的路程發(fā)生了改變。根據(jù)邁克爾遜干涉儀的實(shí)驗(yàn)原理，干涉條紋的變化數(shù)目正可以表示光程的變化。之后加入待測(cè)液體，在相同旋動(dòng)角度下測(cè)量干涉條紋變化數(shù)目（待測(cè)液體和比色皿對(duì)于光程改變都有貢獻(xiàn)）。

根據(jù)幾何光學(xué)原理可以看出，在轉(zhuǎn)動(dòng)相同情況的角度下，光線與比色皿面的夾角始終不變。因此在轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度的情況下比色皿壁厚所引起的光程差的變化是一致的（轉(zhuǎn)動(dòng)相同角度的情況下路徑是平行的），這和承載的液體沒有任何關(guān)系。

2.3 光敏計(jì)數(shù)器原理

我們知道光敏電阻的阻值是跟隨著光強(qiáng)而變化的，邁克爾遜干涉儀所形成的干涉條紋光強(qiáng)也是強(qiáng)弱相間的，所以講光信號(hào)應(yīng)該呈現(xiàn)的是周期性分布，通過電路的設(shè)計(jì)捕捉其波峰出現(xiàn)的次數(shù)我們就能準(zhǔn)確的測(cè)量其干涉條紋的變化數(shù)目。

3 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器名稱

邁克爾遜干涉儀、比色皿（兩支）、待測(cè)液體、刻度指針轉(zhuǎn)盤、Labview虛擬機(jī)（軟件）、光敏探頭、激光傳感器、計(jì)數(shù)器、鐵架臺(tái)。

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器搭建

實(shí)驗(yàn)儀器搭建如圖2所示。

3.3 Labview虛擬端口的程序設(shè)計(jì)

Labview面板板程序框圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

4 實(shí)驗(yàn)步驟介紹

1）打開光敏計(jì)數(shù)器電源，并用鐵架臺(tái)固定光敏計(jì)數(shù)器探頭。

2）打開邁克爾遜干涉儀實(shí)驗(yàn)裝置的電源，調(diào)節(jié)光路使其出現(xiàn)明亮的干涉條紋，隨后把指針和比色皿一起放置于補(bǔ)償鏡與可移動(dòng)反光鏡之間的一個(gè)合適的位置。

3）調(diào)整激光的光線與比色皿器的壁面垂直，使得指針對(duì)準(zhǔn)刻度盤的0刻度線，調(diào)節(jié)邁克爾遜干涉儀使之出現(xiàn)明亮清晰的干涉條紋。

4）調(diào)節(jié)光敏計(jì)數(shù)器探頭的位置，使之正對(duì)干涉條紋中心，然后取下光屏，旋動(dòng)微調(diào)旋鈕觀察計(jì)數(shù)器讀數(shù)是否發(fā)生變化，確認(rèn)無誤后按下計(jì)數(shù)器“重置”按鈕，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備完畢。

5）從0開始緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)指針到θ1，同時(shí)觀察光敏計(jì)數(shù)器上的讀數(shù)變化，最后讀取在θ范圍內(nèi)干涉條紋變化數(shù)目D1。

6）在比色皿內(nèi)加入待量的透光液體，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟3、4、5測(cè)量得到的干涉條紋數(shù)目記為D2。

7）重復(fù)5、6步8次，結(jié)果取平均值。

8）測(cè)量比色皿內(nèi)壁厚度L。

9）將所得到的數(shù)據(jù)輸入Labview程序中，并且記錄運(yùn)行結(jié)果。

10）關(guān)閉電源，整理實(shí)驗(yàn)儀器。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析

5.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

為避免轉(zhuǎn)動(dòng)角度過小而引起角度測(cè)量的誤差過大，亦不可選取過小的測(cè)量角度，實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過多角度多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)θ在為5°時(shí)的測(cè)量結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確。

在θ=5°時(shí)，水的折射率測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示：

相關(guān)常數(shù)：n0？=1.333，L=10mm。

在θ=5°時(shí)，無水乙醇的折射率測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示：

相關(guān)常數(shù)：n0=1.361，L=10mm。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由以上數(shù)據(jù)可以肯定，基于邁克爾遜干涉儀測(cè)量透明液體折射率的方案可行有效。但是在測(cè)量無水乙醇時(shí)因?yàn)闈舛鹊牟淮_定性以及實(shí)驗(yàn)室提供的光敏計(jì)數(shù)器只能整數(shù)計(jì)數(shù)，所以有了較小的誤差，我們相信如果能使用更高精度的光敏計(jì)數(shù)器來進(jìn)行條紋計(jì)數(shù)，該方法的精度完全能達(dá)到10-4左右甚至更高。

5.3 與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的比較

近代物理學(xué)最常用的測(cè)量方法是阿貝折射儀法測(cè)量，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，但是阿貝折射儀的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)儀器昂貴并且阿貝折射儀適用范圍有限。相比較而言我們實(shí)驗(yàn)的方法操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)儀器易搜尋，在精度允許的情況下更加的快捷方便。

6 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

1）應(yīng)用了新型的基于邁克爾遜等傾干涉法的測(cè)量原理，使得測(cè)量的結(jié)果更加可靠可信。

2）測(cè)量方法簡(jiǎn)單，易于操作且精確度高可以滿足一般測(cè)量要求。

3）實(shí)驗(yàn)采用光敏計(jì)數(shù)器進(jìn)行干涉條紋數(shù)目的測(cè)量，減輕了實(shí)驗(yàn)者的視覺疲勞和實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)度。大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，使得實(shí)驗(yàn)更加快捷方便。

4）在電腦終端進(jìn)行Labview虛擬機(jī)的編程，自動(dòng)求得最終的折射率，省去了大量的計(jì)算額度和時(shí)間。

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