一种液体膨胀系数的测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种液体膨胀系数的测量方法及装置。所述方法包括：激光器发出激光，经过透镜扩束，经过分束镜BS分为测量光和参考光；测量光经过反射镜调整光路长度，再经与竖直方向为45

【技术实现步骤摘要】
一种液体膨胀系数的测量方法及装置


[0001]本专利技术涉及一种液体膨胀系数的测量装置，具体是基于迈克尔逊非定域干涉仪的液体膨胀系数的测量方法及装置。

技术介绍

[0002]热膨胀是指物体因温度的改变而发生体积膨胀的现象。热膨胀在我们的日常生话中无处不在，热膨胀在海平面的上升、极地冰川融化到桥梁的设计，钢材性能等级的评定等方面都起到重要作用。目前已有的液体膨胀系数测量装置有：利用毛细管(中国专利CN201610458450.4)、大肚滴定管(中国专利CN202220139671.6)或力传感器(中国专利CN103728336A)测量高于室温状态的液体，以及利用U型振动管密度计(中国专利CN105548244A)对液体热膨胀系数进行测量。基于大肚滴定管的液体膨胀系数测量装置，其温度分度值为0.5℃，精度不高。基于重物视重法的液体膨胀系数测量装置(中国专利CN201120375047.8)通过刚性杆连接探测器和测量设备，这样不能控制液体温度。基于力传感器测量并未给出详细参数和测量温度，但是无法控制温度至室温以下。基于U型振动管密度计的测量方法，并未考虑到缔合作用，因此在测量存在较强缔合作用的液体的热膨胀系数时，存在较大误差，且完全无法用于水的热膨胀系数测量。
[0003]综上，目前液体膨胀系数测量装置或只能够测量高于室温的液体，或存在方法上的缺陷，应用范围较窄。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种液体膨胀系数的测量装置，包含浮子、迈克尔逊非定域干涉仪、液体均匀制冷设备。利用该专利技术装置与方法，实现不同温度的液体膨胀系数的精确测量。
[0005]根据本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种液体膨胀系数的测量方法，具体包括如下步骤：
[0006]S1，激光器LASER发出激光，经过透镜L1、L2、L3扩束，经过分束镜BS分为测量光和参考光；
[0007]S2，测量光经过反射镜M3、M4、M5、M6调整光路长度，再经与竖直方向为45
°
反射镜反射入制冷箱CC中水面上的反射镜M7，经M7反射后沿原光路返回至BS；
[0008]S3，参考光经过补偿板PCP后，再经过偏振片PL1起偏，经与竖直方向为45
°
的反射镜反射入制冷箱CC中底板上的反射镜M8，经M8反射后沿原光路返回至BS；
[0009]S4，两束光在BS处合束，经过偏振片PL2和光阑DP调整衬比度去除杂光后进入sCMOS相机，获得非定域干涉条纹分布，利用中心光强分析算法，获得液面高度变化速率及温度变化速率，并进一步得到液体的膨胀系数及不确定度。
[0010]具体为：
[0011]在光轴附近，迈克尔逊干涉仪的非定域干涉条纹强度分布为：
[0012][0013]式(1)中r1为由激光束腰位置到sCMOS相机的测量光的光程，r2为由激光束腰位置到sCMOS相机的参考光的光程，r为sCMOS相机处图样上一点距离中心的半径，I0为干涉环中心光强，λ为激光器的波长。
[0014]进一步地，当r＜＜r1且r＜＜r2时，则因此干涉图样由圆心到给定半径位置的光强之和W
r0
满足：
[0015][0016]因此，图样中心光强之和和干涉、参考两臂光程差近似为三角函数关系，可以通过测量图样中心光强变化来计算位移变化。
[0017]当光强小于sCMOS相机的最大灰度值时，光强与灰度值近似为线性关系，逐帧读取sCMOS相机画面灰度值，可以得到光强随时间的变化关系。
[0018]进一步地，将液体的体积膨胀转化为迈克尔逊干涉仪干涉臂的位移变化，在液体无相变情形下，液体的膨胀系数定义式以及Δa＝Δ(r1
‑
r2)，得到液体的膨胀系数为：
[0019][0020]式(3)中A为液体的表面积，V为液体的体积，T为液体的温度，Δa为水面发生的位移，Δt为测量时的时间间隔，ΔT为测量时的温度变化量。
[0021]所述中心光强分析算法，通过分析已获得的非定域干涉图样变化视频和温度随时间变化的数据，并得出此温度区间内的待测液体热膨胀系数和方差。
[0022]所述中心光强分析算法通过线性拟合已求解的位移数据，近似获得测量时间内的液面高度变化速率，根据给定温度数据，该算法通过线性拟合，近似计算出测量时间内的温度变化速率。
[0023]根据本专利技术的另一方面，本专利技术提出了一种液体膨胀系数的测量装置，具体包括：
[0024]激光器LASER，用于发出激光，
[0025]透镜L1、L2、L3，用以将激光器发出的激光进行扩束，
[0026]分束镜BS，用于把扩束的激光分为测量光和参考光；
[0027]反射镜M3、M4、M5、M6，用于将测量光调整光路长度，再经与竖直方向为45
°
反射镜反射入制冷箱CC中水面上的反射镜M7，经M7反射后沿原光路返回至BS；
[0028]参考光经过补偿板PCP后，再经过偏振片PL1起偏，经与竖直方向为45
°
的反射镜反射入制冷箱CC中底板上的反射镜M8，经M8反射后沿原光路返回至BS；
[0029]两束光在BS处合束，经过偏振片PL2和光阑DP调整衬比度去除杂光后进入sCMOS相
机，获得非定域干涉条纹分布，利用中心光强分析算法，获得液面高度变化速率及温度变化速率，并进一步得到液体的膨胀系数及不确定度。
[0030]本专利技术相对于现有技术的优点和积极效果：
[0031]1、本专利技术装置适用于不同液体，并且易于清洗；
[0032]2、本专利技术装置在室温为19℃时，最低制冷温度可达
‑
2℃，可以实时监测温度均匀性；
[0033]3、本专利技术装置可以精确测量低于室温液体的膨胀系数；
[0034]4、本专利技术开发的算法能够监测半个波长之内发生的非线性位移，误差率约为2％。这种方法可以直接应用于迈克尔逊干涉仪。
附图说明
[0035]图1示出液体膨胀系数测量装置结构示意图；
[0036]图2示出制冷装置的结构示意图；
[0037]图3示出中心光强分析算法流程示意图；
[0038]图4中(a)示出干涉图样及中心光强选区示例，(b)示出干涉臂反射镜的位移随时间变化测量数据及结果；
[0039]图5不同位置的水温随时间变化示意图。
具体实施方式
[0040]下面结合附图和具体的实施方式对本技术专利技术的作进一步详细说明。
[0041]图1为本专利技术的一种液体膨胀系数精确测量装置的示意图。激光器LASER发出激光，经过透镜L1、L2、L3扩束，经过分束镜BS分为测量光和参考光。测量光经过反射镜M3、M4、M5、M6调整光路长度，再经与竖直方向为45
°
反射镜反射入制冷箱CC中水面上的反射镜M7，经M7反射后沿原光路返回至BS。参考光经过补偿板PCP后，再经过偏振片PL1起偏，经与竖直方向为45本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液体膨胀系数的测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：S1，激光器LASER发出激光，经过透镜L1、L2、L3扩束，经过分束镜BS分为测量光和参考光；S2，测量光经过反射镜M3、M4、M5、M6调整光路长度，再经与竖直方向为45
°
反射镜反射入制冷箱CC中水面上的反射镜M7，经M7反射后沿原光路返回至BS；S3，参考光经过补偿板PCP后，再经过偏振片PL1起偏，经与竖直方向为45
°
的反射镜反射入制冷箱CC中底板上的反射镜M8，经M8反射后沿原光路返回至BS；S4，两束光在BS处合束，经过偏振片PL2和光阑DP调整衬比度去除杂光后进入sCMOS相机，获得非定域干涉条纹强度分布，利用中心光强分析算法，获得液面高度变化速率及温度变化速率，并进一步得到液体的膨胀系数及不确定度。2.根据权利要求1所述液体膨胀系数的测量方法，其特征在于，在光轴附近，迈克尔逊干涉仪的非定域干涉条纹强度I分布为：式(1)中，r1为由激光束腰位置到sCMOS相机的测量光的光程，r2为由激光束腰位置到sCMOS相机的参考光的光程，r为sCMOS相机处图样上一点距离中心的半径，I0为干涉环中心光强，λ为激光器的波长。3.根据权利要求2所述液体膨胀系数的测量方法，其特征在于，当r＜＜r1且r＜＜r2时，则干涉图样由圆心到给定半径r0≈1.4cm位置的光强之和W
r0
满足：因此，图样中心光强之和和干涉、参考两臂光程差近似为三角函数关系，可以通过测量图样中心光强变化来计算位移变化。4.根据权利要求3所述液体膨胀系数的测量方法，其特征在于，当光强小于sCMOS相机的最大灰度值时，光强与灰度值近似为线性关系，逐帧读取sCMOS相机画面灰度值，可得到光强随时间的变化关系。5.根据权利要求3所述液体膨胀系数的测量方法，其特征在于，将液体的体积膨胀转化为迈克尔逊干涉仪干涉臂的位移变化，在液体无相变情形下，液体的膨胀系数定义式以及Δa＝Δ(r1
‑
r2)，得到液体的膨胀系数为：式(3)中A为液体的表面积，V为液体的体积，T为液体的温度，Δa为水面发生的位移，Δt为测量时的时间间隔，ΔT为测量时的温度变化量。
6.根据权利要求1所述液体膨胀系数的测量方法，其特征在于，所述中心光强分析算法，通过分析已获得的非定域干涉图样变化视频和温度随时间变化的数据，并得出此温度区间内的待测液体热膨胀系数和方差。7.根据权利要求1所述液体膨胀系数的测量方法，其特征在于，所述中心光强分析算法主要分为四个部分：温度处理、确定选区、视频处理和计算结果；在温度处理部分中，通过给定USB温度计数据地址、开始读取时刻与总读取时间，进行线性拟合并近似计算出测量时间内的温度变化速率；随后进入确定选区部分，所述选区部分需要在输入视频地址后，根据第一帧的图像，确定需要分析的选区范围，并将参数复制入视频处理部分。8.根据权利要求3所述液体膨胀系数的测量方法，其特征在于，根据sCMOS相机接受图样的灰度值与光强近似为线性关系，通过累和给定图样的中心灰度值，近似地计算出光强，随后根据所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王中平，罗诗茁，张子蓦，马明辉，郑鹏宇，吴天铭，代如成，张增明，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：