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基于超声波测距传感器测量光波的方法探究

2020-06-29 249 上传者：管理员

摘要：本文简述了一种基于超声波测距传感器测量液体折射率和光的波长的简单方法,依据斯涅尔定律和光线传播的几何关系,建立方程式,可计算出光的波长和液体的折射率。测量方法简单易懂,测量设备和操作方法具有简便可行的特点。

关键词：
工程物理学
折射率
斯涅尔定律
波长
测量设备
超声波测距
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一、绪论

折射率是指光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比，是物质的一种物理性质。它是食品生产中常用的工艺控制指标，用来鉴别食品的组成，确定食品的浓度，判断食品的纯净程度及品质。波长是指波在一个振动周期内传播的距离，波长λ等于波速V和周期T的乘积，即λ=VT。在大学本科物理实验课程中介绍了几种常用的测量液体折射率的方法，本文介绍的测量液体折射率的方法是对“激光照射法”的改进创新，并且运用单片机和超声波测距传感器测量相关变量，使测量结果更加准确，操作方便，易于读取。

二、实验原理

本实验采用“激光照射法[1]”进行光在液体中的折射实验，并对该实验方法做出创新改进，光路图如图1所示。激光由O点发出照射到水面上，发生反射和折射现象，折射角小于入射角(入射角为i，折射角为r)，为使光线在液体中完全发生反射，本实验在液体底部放置一块平面镜，然后光线在液体水平面再一次折射后，光屏上呈现出两个光斑，光斑距离为Δx。由斯涅尔定律和光线的几何关系可得出:

式中:n为液体的折射率(空气折射率为1),h为液体深度。

当光线从空气中进入水中时，光速减小而频率不变，所以波长会减小，水中光的波长与原波长λ0的关系如下:

式中:λ为水中光的波长，n为折射率。

图1光路图

实验中光屏上会呈现出两个亮度不同的光斑，通过分析可知亮度较浅的是光线经过水面反射得到的，而较亮的光斑是经过折射得到的。本实验利用超声波测距传感器测量光斑距离Δx和液体深度h，并且经过单片机的数据处理后使得测量结果显示在LCD显示屏上，方便读取。

三、实验步骤与结果

首先在水箱中注入一定量的水，然后打开激光灯，最后打开单片机系统，利用超声波测距传感器测量水深和光屏上的光斑距离，当水面平稳时，可以看到显示器上的数据不再变化，读取数据即可。为使实验数据方便处理，该实验将入射角i固定为30°，即sini=0.5，该实验所用光源为波长为λ0=650nm的点状激光。实验数据如下表所示:

测量结果表

根据水的标准折射率为1.33，所以水中的光波标准为48872nm，利用MATLAB分别做出测量得到的液体折射率和光波的误差棒图如下:

图2水的折射率误差棒图

图3波长误差棒图

由图可知，随着实验次数的增加，水的折射率和水中的光波标准测量值趋于真实值，但数据存在误差。

四、误差分析

(一)系统误差

根据测量结果，可计算出折射率的算术平均值，将算术平均值代替被测量的真值进行计算，则有残余误差:

公式

根据贝塞尔[2]公式，可由残余误差求得测量的标准差的估计值:

公式

所以本次实验测量的数据具有不可靠性。

利用残余误差校核法，可发现线性系统误差，即:

公式

所以有理由认为该测量方法存在线性系统误差。

(二)温度的影响

温度的影响是最主要的，它不仅直接影响了液体的折射率而且影响到超声波测距传感器的灵敏度。根据文献资料显示，前人利用迈克尔逊干涉仪探究了液体折射率与温度的关系[3]，定性分析出液体折射率与温度存在一定的线性关系，并且说明了引起液体折射率发生改变的主要因素是液体分子尺寸以及分子间距[4]。张宏等人进一步探究了液体折射率随温度之间的变化关系[5]，并归纳出了如下的经验公式:

公式

利用它可以将某一温度下测得的液体折射率转化成20摄氏度时的折射率。其中，水的温度系数α=1.37×10-4。此外，有文献资料显示温度变化影响超声波传播速度[6]，因此在测距时需要对超声波速度进行温度补偿。

(三)水面的波动造成了数据测量的不准确

五、总结

本文介绍了一种利用超声波测距传感器测量液体折射率和光的波长的简单方法，通过实验数据分析可知该方法具有可行性，操作简单，方便读取。但是存在系统误差，并且温度也对该实验方法造成了直接的影响。总之，本文对测量液体折射率和光波提供了一种有效的方法，对提高知识的应用能力和创新能力具有重要意义。

参考文献：

[1]辛督强,朱民,解延雷,张涛.测量液体折射率的几种方法[J].大学物理,2007,26(1):34-37.

[2]费业泰.误差理论与数据处理[M].北京:机械工业出版社,2015.5:14-16.

[3]宋民青,张影影,何金鸽,王荣辉.用迈克尔逊干涉仪测液体折射率与温度的关系[J].青海大学学报(自然科学版),2015,33(5):47-51.

[4]吴俊慷,刘博,刘鹏,张建华.液体折射率随温度改变的研究[J].大学物理实验,2014,27(5):32-35.

[5]张宏.万葆红.测量液体折射率随温度的变化[J].大学物理实验,1998,11(1):1-3.

[6]徐秀丽,刘美丽,王丹.温度修正的超声波测距系统[J].科学家,2016,3(32):32-33.