基于超聲波測距傳感器的光波測量方法

趙靜媛　王夢　梁寬寬

摘 要：本文簡述了一種基于超聲波測距傳感器測量液體折射率和光的波長的簡單方法，依據斯涅爾定律和光線傳播的幾何關系，建立方程式，可計算出光的波長和液體的折射率。測量方法簡單易懂，測量設備和操作方法具有簡便可行的特點。

關鍵詞：斯涅爾定律;超聲波測距;折射率;波長

一、緒論

折射率是指光在真空中的傳播速度與光在該介質中的傳播速度之比，是物質的一種物理性質。它是食品生產中常用的工藝控制指標，用來鑒別食品的組成，確定食品的濃度，判斷食品的純凈程度及品質。波長是指波在一個振動周期內傳播的距離，波長λ等于波速V和周期T的乘積，即λ=VT。在大學本科物理實驗課程中介紹了幾種常用的測量液體折射率的方法，本文介紹的測量液體折射率的方法是對“激光照射法”的改進創新，并且運用單片機和超聲波測距傳感器測量相關變量，使測量結果更加準確，操作方便，易于讀取。

二、實驗原理

本實驗采用“激光照射法[1]”進行光在液體中的折射實驗，并對該實驗方法做出創新改進，光路圖如圖1所示。激光由O點發出照射到水面上，發生反射和折射現象，折射角小于入射角（入射角為i，折射角為r），為使光線在液體中完全發生反射，本實驗在液體底部放置一塊平面鏡，然后光線在液體水平面再一次折射后，光屏上呈現出兩個光斑，光斑距離為Δx。由斯涅爾定律和光線的幾何關系可得出：

實驗中光屏上會呈現出兩個亮度不同的光斑，通過分析可知亮度較淺的是光線經過水面反射得到的，而較亮的光斑是經過折射得到的。本實驗利用超聲波測距傳感器測量光斑距離Δx和液體深度h，并且經過單片機的數據處理后使得測量結果顯示在LCD顯示屏上，方便讀取。

三、實驗步驟與結果

首先在水箱中注入一定量的水，然后打開激光燈，最后打開單片機系統，利用超聲波測距傳感器測量水深和光屏上的光斑距離，當水面平穩時，可以看到顯示器上的數據不再變化，讀取數據即可。為使實驗數據方便處理，該實驗將入射角i固定為30°，即sini=0.5，該實驗所用光源為波長為λ0=650nm的點狀激光。實驗數據如下表所示：

根據水的標準折射率為1.33，所以水中的光波標準為488.72nm，利用MATLAB分別做出測量得到的液體折射率和光波的誤差棒圖如下：

由圖可知，隨著實驗次數的增加，水的折射率和水中的光波標準測量值趨于真實值，但數據存在誤差。

四、誤差分析

（一）系統誤差

根據測量結果，可計算出折射率的算術平均值n-=15∑5i=1ni=1.354，將算術平均值代替被測量的真值進行計算，則有殘余誤差：

（二）溫度的影響

溫度的影響是最主要的，它不僅直接影響了液體的折射率而且影響到超聲波測距傳感器的靈敏度。根據文獻資料顯示，前人利用邁克爾遜干涉儀探究了液體折射率與溫度的關系[3]，定性分析出液體折射率與溫度存在一定的線性關系，并且說明了引起液體折射率發生改變的主要因素是液體分子尺寸以及分子間距[4]。張宏等人進一步探究了液體折射率隨溫度之間的變化關系[5]，并歸納出了如下的經驗公式：

利用它可以將某一溫度下測得的液體折射率轉化成20攝氏度時的折射率。其中，水的溫度系數α=1.37×10-4。此外，有文獻資料顯示溫度變化影響超聲波傳播速度[6]，因此在測距時需要對超聲波速度進行溫度補償。

（三）水面的波動造成了數據測量的不準確

五、總結

本文介紹了一種利用超聲波測距傳感器測量液體折射率和光的波長的簡單方法，通過實驗數據分析可知該方法具有可行性，操作簡單，方便讀取。但是存在系統誤差，并且溫度也對該實驗方法造成了直接的影響。總之，本文對測量液體折射率和光波提供了一種有效的方法，對提高知識的應用能力和創新能力具有重要意義。

參考文獻：

[1]辛督強，朱民，解延雷，張濤.測量液體折射率的幾種方法[J].大學物理，2007，26（1）：34-37.

[2]費業泰.誤差理論與數據處理[M].北京：機械工業出版社，2015.5：14-16.

[3]宋民青，張影影，何金鴿，王榮輝.用邁克爾遜干涉儀測液體折射率與溫度的關系[J].青海大學學報（自然科學版），2015，33（5）：47-51.

[4]吳俊慷，劉博，劉鵬，張建華.液體折射率隨溫度改變的研究[J].大學物理實驗，2014，27（5）：32-35.

[5]張宏.萬葆紅.測量液體折射率隨溫度的變化[J].大學物理實驗，1998，11（1）：1-3.

[6]徐秀麗，劉美麗，王丹.溫度修正的超聲波測距系統[J].科學家，2016，3（32）：32-33.

作者簡介：趙靜媛（2000-），女，河南洛陽人，本科，學生，測控技術與儀器;王夢（2000-），女，河南洛陽人，本科，學生，食品工程;梁寬寬（1997-），男，河南周口人，本科，學生，測控技術與儀器。