專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測(cè)量裝置及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
介質(zhì)折射率的測(cè)量可分為透射型和反射型兩類(lèi)。透射型是利用光線穿過(guò)被測(cè)介質(zhì)的透射光的特性來(lái)計(jì)算得到介質(zhì)的折射率。主要的方法是通過(guò)測(cè)量入射光線的入射角和折射光線的折射角，再利用折射定律(又稱(chēng)Snell定律)的公式計(jì)算得到。其特點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；測(cè)量精度依賴(lài)于對(duì)入射角和折射角的精確測(cè)量，裝置較為復(fù)雜；同時(shí)要求所測(cè)量的介質(zhì)為光學(xué)透明介質(zhì)，如水、玻璃、晶體等，對(duì)于渾濁介質(zhì)(液體，如牛奶)，透射光將受到散射和吸收影響，該方法是不適用的。 反射型是利用光線在介質(zhì)界面處的反射特性，如反射率、偏振、相位、臨界角等特征參數(shù)，來(lái)得到被測(cè)介質(zhì)的折射率。臨界角法是反射型的典型代表。根據(jù)折射定律，光線自光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角，而且，隨著入射角的增大，折射角將增大，當(dāng)入射角增大到一定值時(shí)，折射角將增大到90度，即折射光將沿兩介質(zhì)界面折射，此時(shí)的入射角稱(chēng)為臨界角。若入射角達(dá)到臨界角后繼續(xù)增大，光線將不再折射入光疏介質(zhì)，而全部被界面反射回原光密介質(zhì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光的全反射現(xiàn)象。當(dāng)光密介質(zhì)折射率一定時(shí)，介質(zhì)臨界角由光疏介質(zhì)折射率唯一確定。利用該方法設(shè)計(jì)的儀器，稱(chēng)為臨界角折光計(jì)。這種測(cè)量方法原理簡(jiǎn)單，測(cè)量精確依賴(lài)于對(duì)角度的準(zhǔn)確測(cè)量，裝置較為復(fù)雜，可測(cè)量對(duì)象范圍較廣，可覆蓋非透明、部分透明和透明等大部分介質(zhì)，例如金屬和牛奶等。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，其旨在解決現(xiàn)有介質(zhì)折射率的測(cè)量方法需要對(duì)光線角度進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)問(wèn)題，而針對(duì)光線角度的測(cè)量系統(tǒng)較復(fù)雜，成本高、效率低。本發(fā)明的工作原理在信號(hào)處理與控制模塊的控制下，電信號(hào)經(jīng)光發(fā)射模塊調(diào)制到光載波上，發(fā)射某一確定波長(zhǎng)的光信號(hào)，并注入被測(cè)介質(zhì)傳輸，延遲后的光信號(hào)到達(dá)光接收模塊，完成光電轉(zhuǎn)換、放大后電信號(hào)送到信息處理與控制模塊，信號(hào)處理與控制模塊測(cè)量發(fā)射光信號(hào)和接收光信號(hào)的延遲時(shí)間，再利用已知的被測(cè)介質(zhì)長(zhǎng)度，由此計(jì)算得到被測(cè)介質(zhì)在某一確定波長(zhǎng)處的折射率。例如當(dāng)某一波長(zhǎng)Itl的光信號(hào)在介質(zhì)中傳輸將會(huì)產(chǎn)生延遲，其延遲時(shí)間用公式表示為At= (L*n)/c，其中At為延遲時(shí)間，L為介質(zhì)傳輸路徑的長(zhǎng)度，η為介質(zhì)在波長(zhǎng)Itl處的折射率，c為真空中的光速(為常數(shù)300000km/s)。由此可見(jiàn)通過(guò)準(zhǔn)確的測(cè)量延遲時(shí)間、已知傳輸介質(zhì)長(zhǎng)度L，即可以計(jì)算得到傳輸介質(zhì)在波長(zhǎng)^處的折射率 n，n= (c · At) /L0為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測(cè)量裝置，其特征在于，包括信號(hào)處理與控制模塊、光發(fā)射模塊和光接收模塊；所述信號(hào)處理與控制模塊控制光發(fā)射模塊發(fā)出確定波長(zhǎng)的光信號(hào)，所述光信號(hào)注入被測(cè)介質(zhì)，光信號(hào)在被測(cè)介質(zhì)內(nèi)傳輸產(chǎn)生延遲，延遲后的光信號(hào)傳輸至光接收模塊，所述光接收模塊將延遲后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并放大后傳輸至信號(hào)處理與控制模塊，信號(hào)處理與控制模塊測(cè)量發(fā)射光信號(hào)和接收光信號(hào)的延遲時(shí)間，利用已知的被測(cè)介質(zhì)長(zhǎng)度，計(jì)算得到被測(cè)介質(zhì)在某一確定波長(zhǎng)的折射率。所述光發(fā)射模塊采用半導(dǎo)體激光器或固體激光器，能夠發(fā)射某一確定波長(zhǎng)的光信號(hào)，通過(guò)直接強(qiáng)度調(diào)制或間接強(qiáng)度調(diào)制，發(fā)射連續(xù)正弦波或脈沖光波信號(hào)，并注入被測(cè)介質(zhì)。所述光接收模塊采用PIN或APD光電探測(cè)器，探測(cè)由被測(cè)介質(zhì)傳輸延遲的光信號(hào)，其接收波長(zhǎng)應(yīng)與發(fā)射模塊的波長(zhǎng)匹配，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)放大后輸出，送達(dá)信號(hào)處理與控制模塊。所述被測(cè)介質(zhì)為各種能夠透過(guò)光信號(hào)的介質(zhì)，如各種玻璃、各種晶體材料、石英光 纖、朔料光纖等。 所述信號(hào)處理與控制模塊采用高精度模擬和數(shù)字電路來(lái)產(chǎn)生和控制發(fā)射信號(hào)，并測(cè)量發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的延遲時(shí)間，由此來(lái)計(jì)算折射率。本發(fā)明提供的一種基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，包括如下步驟
①利用基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測(cè)量裝置，首先測(cè)量已知折射率和長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)具(參數(shù)為/^Z1)的延遲時(shí)間,測(cè)得值為G ;
②將標(biāo)準(zhǔn)具移去，置入被測(cè)介質(zhì)(參數(shù)為Z2),并保持其他測(cè)試狀態(tài)不變，再次測(cè)量延遲時(shí)間，測(cè)得值為t2 ’
③計(jì)算被測(cè)介質(zhì)引起光信號(hào)的附加延遲時(shí)間，附加延遲時(shí)間Ji= & - 2 ;
④計(jì)算被測(cè)介質(zhì)的折射率，由公式」t二Qi1 · L1 -n2 · L2) /c，計(jì)算得到被測(cè)介質(zhì)的折射率為-M2 =( H1' L1-C · Δ t) /L2 ；
所述標(biāo)準(zhǔn)具為已知折射率和長(zhǎng)度的介質(zhì)，或者為空氣或真空形成的傳輸介質(zhì)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果表現(xiàn)在
一、光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、易行，將光學(xué)參數(shù)的測(cè)量轉(zhuǎn)化為光電信號(hào)的測(cè)量，降低了測(cè)量系統(tǒng)地復(fù)雜度；
二、利用本發(fā)明提出的方法建立的裝置成本低，易于推廣應(yīng)用；
三、所采用的測(cè)量方法和步驟，消除了電路系統(tǒng)的影響，提高了測(cè)量精度。


圖I是本發(fā)明提供的一種基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為測(cè)量石英光纖折射率的測(cè)量方案示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。一種基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測(cè)量裝置，如圖I所示，包括信號(hào)處理與控制模塊、光發(fā)射模塊和光接收模塊；所述信號(hào)處理與控制模塊控制光發(fā)射模塊發(fā)出確定波長(zhǎng)的光信號(hào)，所述光信號(hào)注入被測(cè)介質(zhì)，光信號(hào)在被測(cè)介質(zhì)內(nèi)傳輸產(chǎn)生延遲，延遲后的光信號(hào)傳輸至光接收模塊，所述光接收模塊將延遲后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并放大后傳輸至信號(hào)處理與控制模塊，信號(hào)處理與控制模塊測(cè)量發(fā)射光信號(hào)和接收光信號(hào)的延遲時(shí)間，利用已知的被測(cè)介質(zhì)長(zhǎng)度，計(jì)算得到被測(cè)介質(zhì)在某一確定波長(zhǎng)的折射率。
實(shí)施例所述光發(fā)射模塊采用I. 55 μ m半導(dǎo)體激光器，通過(guò)直接強(qiáng)度調(diào)制，發(fā)射脈沖光波信號(hào)。而被測(cè)介質(zhì)由石英光纖構(gòu)成。光接收模塊采用1.55μπι波段PIN光電探測(cè)器、前置放大器和主放大器構(gòu)成，探測(cè)經(jīng)過(guò)被測(cè)石英光纖傳輸延遲的光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)放大后輸出，送達(dá)信號(hào)處理與控制模塊。信號(hào)處理與控制模塊采用高精度模擬和數(shù)字電路來(lái)產(chǎn)生和控制發(fā)射信號(hào)，并測(cè)量發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的延遲時(shí)間，再利用已知的被測(cè)石英光纖的長(zhǎng)度，即可計(jì)算得到被測(cè)石英光纖在I. 55 μ m的折射率。采用如下步驟來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量光信號(hào)的延遲時(shí)間 ①利用基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測(cè)量裝置，如圖2所示，首先測(cè)量已知折射率和長(zhǎng)度的的石英光纖(參數(shù)為L(zhǎng)1)的延遲時(shí)間，測(cè)得值為q ；
②將標(biāo)準(zhǔn)具移去，置入被測(cè)光纖(參數(shù)為Z2),并保持其他測(cè)試狀態(tài)不變，再次測(cè)量延遲時(shí)間，測(cè)得值為t2 ’
③計(jì)算被測(cè)光纖引起光信號(hào)的附加延遲時(shí)間，附加延遲時(shí)間Ji= q - t2。④計(jì)算被測(cè)光纖的折射率，由公式Z = Ifll · L1 ~η2 · Q /c，計(jì)算得到被測(cè)介質(zhì)的折射率為-M2 =( Til-Ll-C- Δ t) /L20本說(shuō)明書(shū)實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
權(quán)利要求
1.一種基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測(cè)量裝置，其特征在于，包括信號(hào)處理與控制模塊、光發(fā)射模塊和光接收模塊；所述信號(hào)處理與控制模塊控制光發(fā)射模塊發(fā)出某一確定波長(zhǎng)的光信號(hào)，所述光信號(hào)注入被測(cè)介質(zhì)，光信號(hào)在被測(cè)介質(zhì)內(nèi)傳輸產(chǎn)生延遲，延遲后的光信號(hào)傳輸至光接收模塊，所述光接收模塊將延遲后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并放大后傳輸至信號(hào)處理與控制模塊，信號(hào)處理與控制模塊測(cè)量發(fā)射光信號(hào)和接收光信號(hào)的延遲時(shí)間，利用已知的被測(cè)介質(zhì)長(zhǎng)度，計(jì)算得到被測(cè)介質(zhì)在某一確定波長(zhǎng)的折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測(cè)量裝置，其特征在于，所述光發(fā)射模塊采用半導(dǎo)體激光器或固體激光器發(fā)射某一確定波長(zhǎng)的光信號(hào)，通過(guò)直接強(qiáng)度調(diào)制或間接強(qiáng)度調(diào)制，輸出連續(xù)正弦波或脈沖光波信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測(cè)量裝置，其特征在于，所述光接收模塊采用PIN或Aro光電探測(cè)器和放大器組成，探測(cè)由被測(cè)介質(zhì)傳輸延遲的光信號(hào)，其工作波長(zhǎng)與所述光發(fā)射模塊匹配。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測(cè)量裝置，其特征在于，所述被測(cè)介質(zhì)為各種能夠透過(guò)光信號(hào)的介質(zhì)。
5.一種如權(quán)利要求I所述的基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，包括如下步驟 ①利用基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測(cè)量裝置，測(cè)量已知折射率和長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)具的延遲時(shí)間，延遲時(shí)間的測(cè)得值為G，標(biāo)準(zhǔn)具的折射率為&、標(biāo)準(zhǔn)具的長(zhǎng)度為Z1 ； ②將標(biāo)準(zhǔn)具移去，置入被測(cè)介質(zhì)，并保持其他測(cè)試狀態(tài)不變，再次測(cè)量延遲時(shí)間，測(cè)得值為； ③計(jì)算被測(cè)介質(zhì)引起光信號(hào)的附加延遲時(shí)間，附加延遲時(shí)間為J =匕- 2 ; ④計(jì)算被測(cè)介質(zhì)的折射率，由公式」t二Qi1 · L1 -n2 · L2) /c，計(jì)算得到被測(cè)介質(zhì)的折射率為-M2 =( H1' L1- c · Δ t) /L20
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，所述標(biāo)準(zhǔn)具為已知折射率和長(zhǎng)度的介質(zhì)或?yàn)橛煽諝饣蛘婵招纬傻膫鬏斀橘|(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，涉及光電技術(shù)領(lǐng)域，包括信號(hào)處理與控制模塊、光發(fā)射模塊和光接收模塊；光發(fā)射模塊經(jīng)信號(hào)處理與控制模塊控制發(fā)出某一確定波長(zhǎng)的光信號(hào)，注入被測(cè)介質(zhì)，光信號(hào)在被測(cè)介質(zhì)內(nèi)傳輸產(chǎn)生延遲，光接收模塊接收延遲后的光信號(hào)，并將延遲后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并放大后傳輸至信號(hào)處理與控制模塊，信號(hào)處理與控制模塊測(cè)量發(fā)射光信號(hào)和接收光信號(hào)的延遲時(shí)間，利用已知的被測(cè)介質(zhì)長(zhǎng)度，即可計(jì)算得到被測(cè)介質(zhì)在某一確定波長(zhǎng)的折射率。本發(fā)明回避了測(cè)量反射角或折射角獲取折射率的復(fù)雜方法，采用測(cè)量光信號(hào)在介質(zhì)中的傳輸延遲來(lái)得到折射率，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高了效率，便于推廣運(yùn)用。
文檔編號(hào)G01N21/41GK102879358SQ201210425600
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者邱琪 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)