[发明专利]一种基于液芯柱透镜的液体吸水性研究方法

说明书

本发明公开一种基于液芯柱透镜的液体吸水性研究方法。在柱透镜液芯区下部注入吸湿液体，上端开口与湿空气接触；调节探测器的位置使单色准直光束经液芯柱透镜后在CMOS/CCD面上清晰成像；吸湿液体不断吸收湿空气中的水分后浓度发生改变导致折射率改变，图像探测器上接收到的图像不再是一条明锐的细线，而是具有一定宽度的弥散像；根据不同时刻在不同位置处的图像宽度，求出其对应的溶液浓度和水分含量随时间和空间位置的变化，得到对应吸湿液体的吸湿能力。本发明方法以可视方式描述吸湿过程，可以获得吸湿液体溶液的浓度梯度、吸水量、吸湿速率，以及水气分子在吸湿液体中的微观输运信息。该发明的研究方法也适用于研究温室气体的液体吸收过程。

技术领域

本发明属于利用光学方法研究微观吸湿过程的技术领域，具体涉及一种快速、准确、可视的基于液芯柱透镜的液体吸水性研究方法。

背景技术

湿度和温度一样，对人体健康和舒适感有重要影响。空气湿度过大不仅影响人的生活环境，还会严重影响食品、精密电子仪器、光学成像系统等产品的质量。空气湿度控制问题越来越被人们重视，各种除湿技术得到了广泛的关注和发展。液体除湿技术因具有空气处理量大，无污染，对环境友好，湿度易于控制，能充分利用低品位热源等优点被越来越多地应用到各种除湿环境中。经常使用的液体吸湿剂有乙二醇、丙三醇、氯化钙、氯化锂、离子性液体等。液体除湿过程是一个复杂的传热与传质过程，适用于多环境条件、高效率、高节能、高性能的液体除湿系统的基础数据十分缺乏。但液体除湿技术可以应用在很多场合，因此对液体吸水性开展系统深入的研究是十分必要的。目前吸水性研究主要是通过天平在不同时刻分别称量吸湿样品在不同环境(温度、湿度等)下吸湿性液体的质量变化情况。通过称量吸水过程前后液体质量的变化，获得吸水量、吸水速率等物理参量的研究是一种宏观研究。传统方法不能直接获得水气分子在吸湿液体中的微观输运信息(如不同位置的吸水情况、扩散系数、溶液的浓度梯度等)。

本发明提出之前，我们做了许多“液芯柱透镜成像方法”研究液芯内液体折射率空间分布、液体扩散等方面的相关工作。根据平行光经过装有不同液体的柱透镜后会聚焦点位置不同及柱透镜特有浓度空间分辨能力设计了液芯柱透镜，并提出测量液体浓度(折射率)和液相扩散系数的方法。用液芯柱透镜快速测量液相扩散系数-折射率空间分布瞬态测量法[J]，(“物理学报”，2015,64(11),114205-1～114205-7)；为提高测量折射率和液相扩散系数的精度和准确度设计了一个成像质量好、宽浓度(折射率)内无球差或球差小且消球差位置可按需调整等优点的双液芯柱透镜，并利用双液芯柱透镜的特点提出了测量扩散系数的新方法，基于双液芯柱透镜测量液相扩散系数—等观察高度测量法[J]，(“光学学报”，2018,38(1),0112002-1～0112002-7)。

传统的通过天平在不同时刻分别称量吸湿样品在不同环境(温度、湿度等)下吸湿性液体的质量变化情况。通过称量吸水过程前后液体质量的变化，获得吸水量、吸水速率等物理参量的研究是一种宏观研究，不能直接获得水气分子在吸湿液体中的微观输运信息(如不同位置的吸水情况、扩散系数、溶液的浓度梯度等)。而能够获得微观世界中各分子状态的X-ray衍射、中子散射、拉曼光谱等虽然可以得到分子的微观状态，但会受限于仪器、环境及技术条件等因素使得很多实验方法无法直接获得人们关心的物理化学过程，不适用于吸湿研究。因此，开发一种能解决上述问题的研究吸水性的方法是非常必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微观、准确、可视化的基于液芯柱透镜的液体吸水性研究方法。

本发明是通过以下几个过程实现：

A、在液芯下端注入吸湿液体，上端封口使其与空气隔绝，调节探测器的位置，使单色准直光束经液芯柱透镜后在CMOS/CCD面上成一条细锐等宽的亮线，打开上端封口让吸湿液体自然暴露于一定相对湿度的空气中，记为t＝0时刻；

B、吸湿液体不断吸收空气中的水分后浓度发生改变导致折射率改变，图像探测器上接收到的图像不再是一条明锐的细线，而是具有一定宽度的弥散像，即吸湿图像；