用線陣CCD測定液體折射率實驗研究

用線陣CCD測定液體折射率實驗研究【實驗目的】了解線陣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型液體折射率測定儀進行一些測定液體折射率的實驗研究。學會用Excel進行數(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）簡稱CCD，是1970年由美國貝爾實驗室首先研制出來的新型固體器件。60年代末，美國貝爾實驗室的W.S.波涅爾和G.E.史密斯等人在研究磁泡時，發(fā)現(xiàn)了電荷通過半導體勢阱時會發(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，預言了CCD在信號處理、信號存儲和圖像傳感中的應(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，并且迅速地從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用階段，目前CCD在圖像傳感、模擬信號處理、以及數(shù)字存儲等領(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，又具有信號存儲、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，把每一個像元產(chǎn)生的光電荷暫時存儲在相應(yīng)的光敏二極管勢阱中，實現(xiàn)信號電荷存儲。第三是在曝光結(jié)束后，把存儲的光生電荷沿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光生電荷包依次轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的視頻信號，完成信號讀出。因此CCD圖像傳感器可以看成是一個變換器，它能把一幅空間分布的光學圖像變成按時間順序分布的視頻電壓信號。線陣CCD圖象傳感器能把一維圖像記錄下來?！緦嶒炘怼孔屢皇ㄩL為λ的平行光在空氣中斜射到裝有待測液體的矩形玻璃容器的一個側(cè)面，并從另一平行側(cè)面射出，如圖1（a）。由幾何光學原理可知，出射光束與入射光束平行但不在同一直線上，即出射光相對入射光有一側(cè)向位移，此位移大小與待測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)對測量的影響，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液體的該矩形容器，測量上述兩種情況下出射點的位移，便可求出待測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。計算公式推導如下：(b)圖1測量原理當容器中空時，設(shè)θ0為入射角，n1是玻璃的折射率，n(b)圖1測量原理（1）式中，d1為容器玻璃壁的厚度，d為容器壁之間的間距，S為出射點與入射點沿平行于容器壁方向的距離。當容器中裝有待測液體時，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，只要測出，便可求出n。如果待測液體是某種溶液則可根據(jù)溶液濃度與n的對應(yīng)關(guān)系得到該溶液濃度的數(shù)值。出射光點位置利用線陣CCD圖像傳感器測定,使線陣CCD光敏面平行于容器前后壁放置,光點照在線陣CCD上，由計算機控制對CCD像素進行掃描，獲取光點位置的視頻信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)碼圖象傳送到計算機，用軟件處理得到光點位置數(shù)據(jù)。如圖1（b），當容器中無液體時光束在Q點出射,當容器中有液體時光束在Q′點出射,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)，適合測量各種折射率（1~∞）的液體。儀器沒有安裝精密復雜的機械游標測角裝置，對角度的確定是巧妙地利用定標液定標，可用Excel進行手工數(shù)值解法或?qū)Ｓ密浖詣佑嬎闳肷浣恰嶒炑b置如圖2所示。CCDm0mCCDm0m1m2光源容器圖2實驗裝置A/D轉(zhuǎn)換電腦測量容器尺寸d和d1（手不要接觸容器透明面），各測3次填入表1。軟件自動測量液體折射率：根據(jù)說明書介紹的基本方法，擬訂一個軟件自動測量實驗室提供的樣品（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、多次測量折射率計算平均值等內(nèi)容（重復測量每次都要將容器取出再放入），建議用水作定標液。人工圖象數(shù)據(jù)采集分析及數(shù)值解法處理數(shù)據(jù)測量液體折射率根據(jù)實驗原理及公式（4），試設(shè)計一個Excel電子表格數(shù)據(jù)處理軟件，如果不行的話再使用實驗室提供的‘液體折射率計算表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）。擬訂一個用Photoshop6.0法或ImageStarIII法測量實驗室提供的樣品（如無水乙醇、三氯鉀烷）折射率的方案，必須包含定標、多次測量折射率計算平均值等內(nèi)容（重復測量每次都要將容器取出再放入），建議用水作定標液，實驗完成后將Excel電子表格另存為“自起名.xls”。測量不同厚度的玻璃折射率測定糖溶液濃度（選做）設(shè)計一套調(diào)配不同濃度的糖溶液的方法，并且用CCD-3型液體折射率測定儀測定（建議用分析純蔗糖，注意防潮）。對‘液體折射率計算表03.xls’Excel電子表格進行擴充，使其能反映調(diào)配濃度數(shù)據(jù)和測得的濃度數(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?！緦嶒灁?shù)據(jù)記錄與處理】定標測量測量測量測量液體名稱水酒精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