用线阵CCD测定液体折射率的实验研究.doc

用线阵CCD测定液体折射率的实验研究 秦 挺 李 敏 宓轶捷(2000 级) 孙文光(指导老师) 1. 目的 了解线性CCD图像传感器的原理及图像数据的采集和分析方法。 用CCD-2型液体折射率测定仪测定液体的折射率。 学习用Excel进行数值解法的数据处理。 2. CCD简介 电荷耦合器件（Charge-Coupled Device）简称CCD,是1970年由美国贝尔实验室首相研制出来的新型固体器件。60年代末，美国贝尔实验室的W.S.波涅尔和G.E.施密斯等人在研究磁泡时，发现了电荷通过半导体势阱时会发生转移现象，他们据此提出了电荷耦合这一新的概念和一维（CCD）模型，预言了CCD在信号处理、信号存储和图像传感中的应用前景。自1970年电荷耦合器件问世以来，这种器件的研究及应用已经取得了十分惊人的发展，并且迅速地从实验室走向实际应用阶段，目前CCD在图像传感、模拟信号处理、以及数字存储等领域都有着十分广泛的应用。 CCD图像传感器既具有光电转换功能，又具有信号存储、转移和读出功能，其工作过程可分为四步：第一，光积分期，即曝光时间。这是CCD象元把入射光量子按比例的转化成光生电荷，完成光-电转换。第二，在光积分的同时，把每个象元产生的光电荷暂时存储在相应的光敏二极管势阱中，实现信号电荷存储。第三，曝光结束后，把存储的光生电荷沿CCD移位寄存器转移到输出区，完成电荷转移。第四，在读出放大器中把每个光生电荷包一次转变成相应的视频信号，完成信号读出。因此CCD图像传感器可以看成是一个变换器，它能把一幅空间分布的光学图像变成按时间顺序分布的视频电压信号。线性CCD图像传感器能把一维图像记录下来。 3. 液体折射率测量原理 液体折射率测量仪的原理是：一束激光以一定角度照射到液体上，然后经过液体的折射，照射到CCD元件上，通过比较有无液体时，CCD元件上光点的位移，从而计算出该液体的折射率。这就要求我们必须准确测量出光点的位移。我们通过计算机可以读出光点位移所对应的CCD元件的象素数目，所以只要知道相邻两个象素之间的距离，就可以根据公式：位移=象素数目*象素间的距离，计算出液体的折射率了。 如图1（a），让一束平行光斜射到装有待测溶液的矩形玻璃容器的一个侧面，并从另一平行侧面射出。从几何光学原理可知，出射光束与入射光束平行但不在同一直线上，既出射光相对入射光有一侧向位移，此位移大小与待测溶液的折射率和容器壁材料的参数有关。为了消除容器壁材料的参数对测量的影响，让同一束光在同样的入射角下先后通过空矩形容器和装有待测溶液的矩形容器，测量上述两种情况下出射点的位移S,便可测出待测溶液的折射率（浓度）而无需知道容器壁的厚度和折射率。计算公式推到如下： 当容器中空时，设θ0为入射角，n1是玻璃的折射率，n0是空气的折射率。根据几何知识有： (1) 式中，d1容器玻璃壁的厚度, d为容器壁之间的间距，S为出射点与入射点沿平行于容器壁方向的距离。 （b） 图1 测量原理 当容器中装有待测溶液时，设n为溶液的折射率，同理可得： (2) 式--（2）式及折射率可得： (3) 由（3）式变形可得： （4） （4）式中，d，n0与θ0已知，只要给出S，便可求出n，从而可根据溶液浓度与n的对应关系得到溶液浓度的数值。 如 图1（b），让线性CCD光敏面平行于容器前后壁放置。当容器中有溶液时光束在Q’点射出，’=S=AB。如果已知线阵CCD光敏元中心间距L及AB所对应的光敏元数目M，则S可从下列公式算出： S=M*L。 4. 注意事项： 手不要接触容器透光面，以免弄脏容器，影响测量结果。 将容器放入机箱时，使容器底面与右面贴紧机箱内支架，从而保证在定标与测量过程中入射角保持一致。容器透明面外壁若残留有液体，可用擦镜纸擦干，以免影响成像质量，进而影响测量结果。 5. CCD-2液体折射率测量操作步骤 连上USB连线，插上仪器电源，打开电脑。 双击桌面上的ImageStar III 图标，打开图象处理软件，按扫描钮，在扫描设定窗口中设定扫描类型为灰度、分辨率为600dip、宽5099象素、高60象素，如图3所示。 定标（若原来已定标过了，且容器尺寸、光束入射角没变，可跳过这一步。） 测量容器尺寸，数据记入表1，然后将空容器放入机箱。 点击‘高级控制面板：预览’、窗口中的扫描钮，获取光斑图象，关闭