[发明专利]一种基于直角三角液槽的扩散系数测量装置与方法

权利要求书

1.一种基于直角三角液槽的扩散系数测量方法，其特征在于，所述测量方法应用于一种基于直角三角液槽的扩散系数测量装置，所述测量装置包括线激光器、直角三角液槽、观察白屏、采样装置以及处理器，其中：

所述线激光器用于产生水平发散角远小于竖直发散角的细长的线激光；

所述直角三角液槽为中空三角柱且所述线激光器发出的线激光从所述直角三角液槽穿透而出，所述直角三角液槽存放用于进行扩散的两种液体；

所述观察白屏上带有网格刻度，所述线激光器发出的线激光经所述直角三角液槽折射后，投射于所述观察白屏上；

所述采样装置拍摄所述观察白屏上的激光图案随时间的变化过程；

所述处理器利用图像处理技术，根据采样装置拍摄的激光图案的变化，获得扩散系数；

所述直角三角液槽采用玻璃材质或石英材质制成的中空三角柱腔体，其截面形状为等腰三角形，所述线激光器发出的线激光正入射于所述直角三角液槽的直角边，所述直角三角液槽的上底面开有第一端口a，用于排出空气；所述直角三角液槽的上底面开有第二端口b，用于注入液体；所述直角三角液槽的侧面开有第三端口c，用于将所述直角三角液槽固定；

所述测量方法包括以下步骤：

S1：将所述的测量装置根据光路依次摆放安装；

S2：配置多个具有浓度梯度的待测液体的水溶液，分别测量其折射率，拟合得到待测液体浓度与折射率的函数关系；

S3：测量和计算装置中的相关参数，所述参数包括直角三角液槽出射面到观察白屏的距离L、液槽上下内底的距离d、液槽入射面与出射面的夹角参数cotα、入射角参数sini；

S4：保持入射角不变，通过第二端口b向直角三角液槽的腔体内注入水，再于同一端口注入待测液体，扩散开始，令扩散开始时扩散时间t＝0；

S5：使用固定位置和角度的采样装置拍摄所述观察白屏上的激光图案，每次拍摄多张照片；

S6：根据观察白屏上网格刻度进行标定，获得像素坐标与真实坐标的变换关系；

S7：通过测量激光图案中某个位置的偏移量随时间的变化或测量某时刻下偏移量关于液槽位置的分布，利用菲克定律线性拟合，测量得到待测液体的扩散系数；

利用下式以及步骤S2获得的待测液体折射率与浓度的关系，通过线性拟合计算扩散系数D：

式中，N为折射率，y为偏移量，t为扩散时间，z是液槽腔体中某个位置，erfinv(x)是高斯误差函数的反函数，C₂是待测液体的初始浓度，u(z,t)表示在z位置上扩散时间为t时的浓度。

2.根据权利要求1所述的基于直角三角液槽的扩散系数测量方法，其特征在于，步骤S3中夹角参数cotα、入射角参数sini的测量方法具体为：

通过第二端口b分别向直角三角液槽腔内注入适量纯水、一定浓度梯度的待测液体，每次注入时要保持入射角不变，并测量它们对应于观察白屏上的激光图案的偏移量以及液体的折射率，利用下式拟合得到cotα与sini：

式中，N为折射率，y为偏移量，L为直角三角液槽出射面到观察白屏的距离，i为线激光入射液槽直角边立面的入射角，α为直角三角液槽入射面与出射面的夹角，系定值。

3.根据权利要求2所述的基于直角三角液槽的扩散系数测量方法，其特征在于，步骤S3和步骤S4中保持入射角不变的方法，具体为：

在直角三角液槽固定于的平台上固定一个反射镜，在线激光器后方放置带有刻度线的校准白屏，线激光器部分光线经反射镜反射成像于校准白屏上，每次注入液体时调节平台至校准白屏上像的位置一致。

4.根据权利要求3所述的基于直角三角液槽的扩散系数测量方法，其特征在于，步骤S6中根据观察白屏上网格刻度进行标定，获得像素坐标与真实坐标的变换关系，具体为：

通过测量液面稳定时观察白屏上空气折射线与水折射线的真实距离及计算照片中空气折射线与水折射线的像素距离得到像素坐标与真实坐标的变换关系。