.引言1.1課題研究背景及現(xiàn)狀空氣折射率，即光在空氣中的傳播速度與在真空中的速度之比，是理解和預測光在空氣介質(zhì)中傳播行為的關(guān)鍵參數(shù)。目前，國內(nèi)外學者對空氣折射率的研究已相當深入，其測量方法主要可分為直接測量法和間接測量法兩大類。這些方法各有特點，為空氣折射率的精確測量提供了多種途徑。首先，空氣折射率的直接測量是利用真空路徑與空氣路徑的差和干涉相位差來求解相應的空氣折射率。根據(jù)真空腔結(jié)構(gòu)的不同，測量方法可分為真腔提取法和封閉真腔法。[1]真正的腔提取方法是通過泵送或充氣，創(chuàng)建真空環(huán)境和大氣環(huán)境連續(xù)交替，記錄在兩種環(huán)境下干涉相位差的變化，使用（N+?）λν=2（na-1）L獲得空氣折射率(N+?=Δφ）為兩種環(huán)境，N為干涉條紋整數(shù)周期整數(shù)相位，?干涉條紋小值或小數(shù)相位，L為真空腔長度）REF_Ref32313\n\h[1]；英國國家物理實驗室（NPL）實驗室在1983年進行了抽水法，如圖1.1所示，該實驗中將入射光通過分光鏡產(chǎn)生兩束光束，一路進入真正空氣室的外管，另一路進入真正空氣室的中心管。兩束光束在偏振分束器后形成干涉。真空腔氣室與氣泵相連，氣泵被泵送或充氣。兩個干涉信號由光電探測器記錄，隨后的解調(diào)得到干擾信號的相位差值并計算空氣折射率。REF_Ref32313\n\h[1]在干燥環(huán)境中，空氣折射率的測量結(jié)果與利用埃德倫公式計算所得的折射率之間的差異被精確控制在±3.2×10-8以內(nèi)。荷蘭的Schellskens教授對多個知名實驗室，包括英國國家物理實驗室（NPL）、德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究所（PTB）、VanSwinden（VSL）以及埃因霍溫測量實驗室（THE）的研究數(shù)據(jù)進行了深入分析，發(fā)現(xiàn)這些實驗室在空氣折射率測量方面均達到了優(yōu)于5×10-8的精度水平。REF_Ref25523\n\h[33]KrugerO則采用了真腔與激光外差干涉信號解調(diào)的方法，成功將空氣折射率測量不確定度降低至優(yōu)于1×10-7的水平。REF_Ref25555\n\h[32]圖1.1英國NPL抽氣法空氣折射率測量裝置光路圖在中國，清華大學的殷純永教授團隊也取得了令人矚目的研究成果。他們成功研制了一套雙頻激光干涉空氣折射率測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用分束器BS將光束分為兩路，分別通過真實腔的外部大氣環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境，如圖1.2所示，這一設計使得真實腔可以靈活地進行泵送和充氣操作。在測量前，通過精確控制，確保真實腔內(nèi)的壓力與外部大氣環(huán)境保持一致。REF_Ref26812\n\h[34]此外，通過真空折射率對雙頻干擾解調(diào)法的優(yōu)化，該裝置在空氣折射率測量方面的精度達到了優(yōu)于1×10-7的極高水平。REF_Ref26812\n\h[34]這一研究成果為空氣折射率的精確測量提供了新的方法和手段，對于相關(guān)領域的研究和應用具有重要的推動作用。圖1.3抽氣法雙頻激光干涉空氣折射率測量系統(tǒng)光路圖其次，PTF公式法，即：空氣折射率法的間接測量法。該方法利用高精度環(huán)境參數(shù)傳感器測量空氣中的壓力值(P)、溫度值(T)和相對濕度值(F)，并利用Edlen在1966年提出計算空氣折射率的公式——Edlen公式計算當前環(huán)境中的空氣折射率。REF_Ref32313\n\h[1]其公式為 ns?1×108 (ntp?1)=p(n?1) ntpf?ntp=?f(5.7224?0.0457σ2在特定的標準條件下，即溫度為15℃，大氣壓強為760torr（101.325kPa）的干燥環(huán)境中，空氣的折射率可以通過特定的公式進行計算。其中，σ作為真空激光波數(shù)，表示為1/λ，λ則代表光的波長。這一公式為理解空氣折射率的基礎特性提供了有力的工具。為了更全面地考慮實際測量環(huán)境的多變性，式（1-2）在原有基礎上進行了擴展，允許我們在任意溫度t℃和大氣壓強Ptorr下計算干燥環(huán)境中的空氣折射率。REF_Ref32313\n\h[1]這一改進為在不同環(huán)境條件下進行空氣折射率的精確測量提供了理論支持，具有廣泛的應用前景。進一步地，式（1-3）將相對濕度f納入考慮范圍，從而能夠在潮濕環(huán)境下計算空氣折射率。REF_Ref32313\n\h[1]在戶外等自然環(huán)境中，濕度的變化尤為顯著，因此這一公式的提出對于實際應用具有重要意義。值得注意的是，該折射率的測量不確定度約為5×10-8，這充分證明了該測量技術(shù)的高精度特性。對于精密光學應用而言，這一精確度是至關(guān)重要的，能夠確保測量結(jié)果的準確性和可靠性。REF_Ref32313\n\h[1]除了上述公式外，Ciddor公式也是計算空氣折射率的一種有效方法。它特別適用于可見光與近紅外光波段，并且對空氣環(huán)境的要求相對寬松，因此非常適用于室外環(huán)境的測量工作。然而，隨著全球氣候變暖等環(huán)境問題的加劇，大氣成分正在發(fā)生微妙的變化，尤其是CO2含量的增加。這種變化對Edlén公式的準確性產(chǎn)生了一定的影響。為了解決這一問題，學者們對Edlén公式進行了不斷的修正和改進，為空氣折射率的精確測量提供了新的解決方案。其中，德國PTB研究院的B?nsch和Potulski在1998年提出的修正后的Edlén公式因其精確性和適用性而被廣泛采用，即： (ns?1)×108=8091.37+2333983在CO2濃度偏離0.04%時： (nx?1)=[1+0.5327(x?0.0004)](ns?1) 當溫度與大氣壓強均偏離標準壓強時： (ntp?1)=p(ns當空氣潮濕影響時： ntpf?綜上所述，空氣折射率的測量是一個復雜而重要的任務，需要考慮多種環(huán)境因素。正確選擇和應用公式對于確保測量結(jié)果的準確性和可靠性至關(guān)重要。隨著科學技術(shù)的進步，需要更精確的測量方法和公式的出現(xiàn)，以滿足不斷提高的工程需求。1.2研究目的及意義測量空氣折射率具有重要的科學和實際應用的意義。折射率是描述光在不同介質(zhì)中傳播速度變化的物理量，它定義為光在真空中的速度與在某一介質(zhì)中的速度之比。對于空氣而言，其折射率雖然接近但略小于1，這一細微的差別對于光學、氣象學、環(huán)境科學、天文學等眾多領域都有著不可忽視的影響。在光學設計中，空氣折射率的精確測量對于制造高質(zhì)量的透鏡、反射鏡、光纖等光學元件至關(guān)重要。通過了解空氣折射率，可以更準確地計算光線在光學系統(tǒng)中的傳播路徑，從而設計出性能更優(yōu)越的光學儀器；在氣象學和環(huán)境科學中，由于空氣折射率與空氣的組成、溫度、濕度和壓力等因素有關(guān)。因此，通過測量空氣折射率，可以間接獲得這些環(huán)境參數(shù)的信息。這對于天氣預報、氣候變化研究、大氣污染監(jiān)測等領域具有重要意義；在天文學中：天文學家利用空氣折射率來校正由于大氣折射造成的天文觀測誤差。例如，當觀測地平線附近的天體時，由于大氣折射的影響，天體的實際位置會有所偏移。通過測量和計算空氣折射率，可以更準確地確定天體的位置，提高觀測數(shù)據(jù)的精度；在通信領域中：在無線通信中，空氣折射率的變化會影響電磁波的傳播路徑和速度。特別是在高頻通信和衛(wèi)星通信中，對空氣折射率的了解有助于優(yōu)化通信系統(tǒng)的設計，減少信號傳播的損耗和誤差；在軍事和航空領域中：在軍事和航空領域，對空氣折射率的了解有助于提高導航系統(tǒng)的準確性，例如激光制導和紅外探測等。此外，對于飛行器的設計，了解空氣折射率也有助于減少大氣阻力，提高飛行效率。所以，在論文旨在測量出高精度的空氣折射率的精確值，通過搭載傳感器系統(tǒng)，測量在不同溫度、濕度、氣壓，二氧化碳不同值對空氣折射率值的影響以及基于Labview進行軟件界面設計，通過曲線圖鮮明簡潔地體現(xiàn)出溫度、濕度、氣壓以及二氧化碳對空氣折射率的影響。

2.PTF測量系統(tǒng)PTF測量系統(tǒng)設計原理2.1.1總體設計思路如下圖2.1所示，PTF測量系統(tǒng)包含以下組成部分。其中，DHT11溫濕度傳感器、CO2傳感器、AHT20+BMP280氣壓傳感器對周圍環(huán)境進行監(jiān)測，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32F103單片機中進行處理，最終將數(shù)據(jù)顯示到OLED上。再通過A/D轉(zhuǎn)化將收集到的數(shù)據(jù)通過串口上傳到上位機，通過軟件計算分析得到空氣折射率。圖2.1電路設計原理框架2.1.2電路設計圖2.2電路仿真圖單片機：STM32F103C8T6是基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，支持Thmb-2指令集，提供高效的代碼執(zhí)行率。在此設計電路中，BOOT0，BOOT1，通過1K的限流電阻接上電源，此時的啟動方式為內(nèi)嵌的SRAM啟動。Y1（XTAL),C2,C3組成晶振模塊，當在晶體兩端接入電壓后，會導致晶體發(fā)生形變，在恢復時便會產(chǎn)生振蕩信號并作為時鐘信號傳遞給STM32F103C8T6。DHT11溫濕度傳感器：該傳感器與微處理器之間通過DATA端口實現(xiàn)同步通訊，采用單總線數(shù)據(jù)格式，在通訊過程中，每次數(shù)據(jù)傳輸所需的時間約為4ms，滿足了實時性的需求。并且抗干擾性較強，在一次完整的數(shù)據(jù)輸出過程中，傳感器會發(fā)送40bit的數(shù)據(jù)，涵蓋了溫度和濕度的詳細信息。當接收到主機發(fā)送的開始信號后，DHT11傳感器會從低消耗模式迅速切換至高速模式，以準備進行數(shù)據(jù)傳輸。在開始信號結(jié)束后，DHT11會發(fā)送響應信號以及40bit的數(shù)據(jù)，同時觸發(fā)一次溫濕度采集操作。CO2傳感器模塊：A0被定義為芯片的PA0-WKUP。氣壓溫度傳感器模塊：該模塊采用AHT20+BMP280溫濕度氣壓模組，這是一種集成了溫濕度以及氣壓傳感器為一體的模塊，是一款能夠提供較高精確度的數(shù)字型器件。AHT20是一款數(shù)字溫濕度傳感器，而BMP280則是一款數(shù)字氣壓傳感器。兩者結(jié)合在一起，可以提供一個完整的解決方案，用于監(jiān)測和記錄環(huán)境中的溫度、濕度和氣壓變化。這樣的模組通常會通過I2C接口與其他微控制器或處理器進行通信，以便于數(shù)據(jù)的讀取和分析。在技術(shù)規(guī)格方面，AHT20通常能夠提供±0.3°C的溫度測量精度和±3%RH的濕度測量精度，而BMP280則能提供±1hPa的氣壓測量精度。這些數(shù)據(jù)使得模組能夠在多種環(huán)境下提供準確的天氣參數(shù)測量。在此系統(tǒng)中，B10定義為芯片的PB10，B11定義為芯片的PB11。OLED模塊：B7定義為芯片的PB7,B6定義為芯片的PB6，通過程序編寫最終監(jiān)測到周圍環(huán)境的溫度、濕度、CO2以及大氣壓的數(shù)值顯示到LED屏幕上。串口模塊：A9定義為芯片的PA9，A10定義為芯片的AP10,此模塊用于與外部設備進行數(shù)據(jù)傳輸。POWERN1模塊：該模塊用于提供直流電壓源，C5和C6的作用在于減少電源波動，提到穩(wěn)定性。2.1.3實物展示以及PCB板圖2.3PTF測量實物圖（a）PCB板正面（b）PCB板背面圖2.4PCB板圖2.2PTF數(shù)據(jù)測量2.2.1溫濕度測量值數(shù)據(jù)對于溫濕度的測量，本系統(tǒng)中為確保精確度分別采用DHT11溫濕度傳感器和AHT20溫濕度傳感器，其都是一種常用的低成本數(shù)字溫濕度傳感器，其工作原理都基于溫度敏感元件以及濕度敏感元件的電阻變化。當當濕度增大或者溫度降低時；其阻值會增大；當濕度減小或者溫度升高時其阻值會降低，同時其具有一個模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。DHT11通過單一的數(shù)據(jù)線與微控制器通信，采用單總線通信協(xié)議。數(shù)據(jù)傳輸時，DHT11首先發(fā)送一個起始信號，然后發(fā)送40位的數(shù)據(jù)，其中包括溫度和濕度信息以及校驗位。微控制器接收到數(shù)據(jù)后，通過內(nèi)置的算法對數(shù)據(jù)進行解碼，從而得到溫度和濕度的讀數(shù)分別為26.44℃和19%。2.2.2CO2的測量數(shù)據(jù)對于二氧化碳的測量，本系統(tǒng)采用了MG-812傳感器，是一種用于測量室內(nèi)外二氧化碳濃度的非分散紅外（NDIR）傳感器?；诜欠稚⒓t外光譜吸收技術(shù)，通過精確測量二氧化碳分子對特定波長紅外光的吸收程度，實現(xiàn)對氣體濃度的準確測定。其核心部件——Header4傳感器，內(nèi)部集成了紅外光源、光路以及紅外探測器等關(guān)鍵組件。紅外光源發(fā)射出特定波長的紅外光，這一波長與二氧化碳分子的吸收峰高度匹配。當含有二氧化碳的空氣流經(jīng)光路時，二氧化碳分子會選擇性地吸收部分紅外光，使得剩余的光能夠順利抵達紅外探測器。紅外探測器則負責精確測量通過光路的紅外光強度，并將其轉(zhuǎn)化為相應的電信號。傳感器內(nèi)部的微處理器根據(jù)電信號的強度和已知的二氧化碳吸收光譜，計算出空氣中的二氧化碳濃度為2121PPM.2.2.3大氣壓的測量數(shù)據(jù)BMP280傳感器是一種高精度的氣壓傳感器，其工作原理基于壓阻式原理。當大氣壓力作用于傳感器內(nèi)部的壓阻元件時，壓阻值會發(fā)生變化。BMP280內(nèi)部的模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）將壓阻值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過內(nèi)部的微處理器進行處理。微處理器根據(jù)預存的校準數(shù)據(jù)，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為大氣壓力的讀數(shù)為927.147hPa。3.PTF測量軟件界面設計3.1界面設計思路PTF測量系統(tǒng)的上位機軟件界面設計依托于LabVIEW這一強大的圖形化編程語言和開發(fā)環(huán)境。LabVIEW，全稱為LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench，是由NationalInstruments公司開發(fā)的一款專業(yè)軟件，它主要用于控制和測量領域的開發(fā)工作。LabVIEW提供了一系列豐富的工具和資源，使得用戶能夠輕松創(chuàng)建出各種類型的用戶界面，從而實現(xiàn)對測量系統(tǒng)的精確控制和數(shù)據(jù)的有效展示。在PTF測量系統(tǒng)中，我們充分利用了LabVIEW的這些優(yōu)勢，設計出了直觀、易用的軟件界面，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和數(shù)據(jù)的準確采集提供了有力保障。在LabVIEW中，界面設計不僅涉及外觀的美觀，還包括用戶體驗的優(yōu)化，確保界面既美觀又易于使用。在本次頁面設計中首先對軟件的功能模塊進行梳理，將其分為串口鏈接、監(jiān)測界面以及采樣頻率幾個主要模塊，對軟件進行個性化設置整體結(jié)構(gòu)清晰，層次分明；在視覺設計方面，對軟件的整體布局進行規(guī)劃，采用柵格化布局，使得各個元素在屏幕上有條不紊地排列；在元素選用上，采用了圖形化的方式呈現(xiàn)信息，使得信息更直接、易讀。在樣式方面，采用簡潔大氣的設計風格，通過色彩、字體、大小等調(diào)節(jié)，營造出舒適和諧的視覺效果。圖3.1界面設計思路框架圖3.2界面模塊介紹3.2.1串口配置界面串口界面如下圖所示，大致分為串口號、波特率布爾控件，“打開串口”、“進入”以及“退出”控件按鈕，和操作提示框組成。串口界面使用溫振變送器（485），這是一種集成了溫度和振動傳感技術(shù)的復合型傳感器，它具有高性能MEMS芯片、采用嵌入式技術(shù)、以及溫度傳感器技術(shù)，并通過RS-485接口傳輸數(shù)據(jù)，能夠同時采集機械設備的溫度和振動數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)對于監(jiān)測和維護工業(yè)設備的健康狀況至關(guān)重要。溫振變送器通常用于煤礦、電力、冶金、石油化工等領域，以確保設備的正常運行和安全。串口界面中的控件按鈕是通過自定義完成的，首先選擇了以本界面背景主色調(diào)相同的淡綠色作為按鈕的圖片素材，采用了Labview中的自定義控件功能編輯控件的內(nèi)容，并根據(jù)識別串口連接情況在提示框種進行操作提示。提示內(nèi)容如下圖所示：（a）串口配置界面（b）串口操作提示界面圖3.2串口配置界面圖3.2.2數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測界面在LabVIEW中創(chuàng)建曲線圖使用到了XY圖（XYGraph）控件，它可以用來展示Y值隨X值變化的規(guī)律。以下是大致的步驟來創(chuàng)建曲線圖：1.加XY圖控件：在前面板（FrontPanel）中，找到圖形（Graphics）類別下的XY圖（XYGraph）控件，將其拖拽到前面板上。2.配置XY圖控件：雙擊XY圖控件，進入其屬性配置頁面。在此處設置X軸和Y軸的范圍，以及插值方法等參數(shù)。3.添加數(shù)據(jù)源：在程序框圖（Programming）中，添加硬件所得到的數(shù)據(jù)源。4.編寫數(shù)據(jù)處理程序：在程序框圖中，使用LabVIEW的編程結(jié)構(gòu)（循環(huán)、條件語句等）來處理數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)傳遞給XY圖控件。5.調(diào)整曲線圖樣式：在前面板中，調(diào)整曲線圖的顏色、線型、標記類型等樣式，以滿足可視化需求。6.運行和測試：運行程序，檢查曲線圖是否正確顯示了數(shù)據(jù)。如果需要，回到程序框圖中調(diào)整數(shù)據(jù)處理邏輯，以確保曲線圖準確反映數(shù)據(jù)關(guān)系。圖3.3檢測界面圖3.2.3采樣頻率界面利用LabVIEW中設置采樣頻率大致分為步驟：1.確定采樣頻率需求：首先，明確所需的采樣頻率，即每秒采集多少個樣本點。2.使用定時器函數(shù)：添加一個“Timing”功能到程序框圖中，設置定時器的時間間隔，這個時間間隔就是兩次采樣之間的時間差，其倒數(shù)即為采樣頻率。3.使用循環(huán)結(jié)構(gòu)控制采樣：將數(shù)據(jù)采集函數(shù)放入一個“WhileLoop”結(jié)構(gòu)中。循環(huán)內(nèi)部使用定時器函數(shù)來控制執(zhí)行頻率，確保每次循環(huán)代表一次采樣。4.配置DAQ設備：如果使用數(shù)據(jù)采集卡（DAQ），需要在“DAQmxTask”屬性節(jié)點中設置采樣率。打開“DAQmxCreateTask”對話框。在“Sampling”選項卡中，設置采樣模式（如連續(xù)或單次）并指定采樣率。5.測試和驗證：運行VI，并觀察數(shù)據(jù)采集是否符合預期的采樣頻率。使用示波器或其他測量工具驗證采集到的數(shù)據(jù)是否正確。6.調(diào)整和優(yōu)化：根據(jù)測試結(jié)果，調(diào)整定時器的時間間隔或DAQ任務的采樣率設置。確保程序的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的準確性。圖3.4采樣頻率設置界面圖3.2.4空氣折射率數(shù)據(jù)計算界面在本文研究中，我們借助LabVIEW軟件平臺，設計了一套通過按鍵操作讀取傳感器數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r捕獲溫濕度值、大氣壓強值以及CO2濃度值等關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)。為了提高數(shù)據(jù)處理的精確性和效率，我們進一步構(gòu)建了一個基于Edlén公式的計算模塊，并將其作為子VI（虛擬儀器）集成于LabVIEW環(huán)境中。利用LabVIEW中的公式節(jié)點功能，我們將自制PTF傳感器所獲取的環(huán)境參數(shù)作為輸入變量，通過Edlén公式的精確運算，最終得到空氣折射率所對應的相位整周期數(shù)作為輸出變量。這一方法不僅提升了數(shù)據(jù)處理的自動化和智能化水平，也為后續(xù)的科學研究或工業(yè)應用提供了更為準確可靠的數(shù)據(jù)支持。圖3.5空氣折射率計算結(jié)果圖3.3程序設計3.3.1串口配置程序設計在整體程序設計中，主要分為事件處理循環(huán)和消息處理循環(huán)兩大板塊。在連接串口時，在“事件處理循環(huán)”中選擇“串口控制：值改變“選項，在“消息處理循環(huán)”中，選擇VISAOpen，便是串口配置相應的程序，如下圖3.7所示。分別設置了所要連接的端口信息，波特率以及在判斷串口連接結(jié)果并顯示相關(guān)建議提示。并且單獨設置一個子頁面來顯示通訊參數(shù)，由于此界面對實驗數(shù)據(jù)顯示并沒有直接關(guān)系，已隱藏在監(jiān)測界面下放，如圖3.8所示。圖3.7串口配置程序圖3.8通訊參數(shù)圖3.3.2數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測界面程序數(shù)據(jù)監(jiān)測主要分為：開始采集、讀取數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)以及采集四個步驟。首次，當下位機輸入數(shù)據(jù)時，程序會根據(jù)數(shù)據(jù)所帶單位自動匹配該數(shù)據(jù)所代表的含義即溫濕度、二氧化碳或大氣壓。并通過while循環(huán)將所有數(shù)據(jù)都讀取和寫入簇。再利用XY圖（X軸代表時間，Y軸代表所測得的數(shù)據(jù)）展示有限時間內(nèi)所測得的數(shù)據(jù)，同時也有利于體現(xiàn)數(shù)據(jù)變化趨勢。其程序設計如下圖3.9所示：圖3.9數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測界面程序圖3.3.3采樣頻率設置程序由于實驗所需要大量時間測得數(shù)據(jù)并計算分析，如果采樣頻率設置時間過長，在監(jiān)測界面中體現(xiàn)的數(shù)據(jù)很少，有礙于實驗結(jié)果的精確性：如果采樣頻率設置時間太短，計算機會保存大量數(shù)據(jù)占滿內(nèi)存。所以在程序設計中單獨設置一個子VI，可根據(jù)實驗所需要的數(shù)據(jù)設置合適的采樣頻率。其原理是While循環(huán)套用一個事件結(jié)構(gòu)，其程序圖如下圖圖3.10采樣頻率設置程序圖3.3.4空氣折射率計算程序計算空氣折射率主要是基于Edlén公式，在前期采集完數(shù)據(jù)后，通過利用Labview中的計算功能編輯公式，代入數(shù)據(jù)，計算該溫度、濕度以及大氣壓下第一個補償公式，再代入二氧化碳濃度，計算第二個補償公式，從而得到空氣折射。其程序如下圖3.11所示：圖3.11空氣折射率計算程序4.實驗結(jié)果分析與總結(jié)4.1實驗數(shù)據(jù)圖4.1基于Labview顯示的溫度實驗數(shù)據(jù)圖4.2基于Labview顯示的濕度實驗數(shù)據(jù)圖4.3基于Labvview顯示的CO2含量圖4.4基于Labview顯示的大氣壓測量數(shù)據(jù)表4.1PTF測量數(shù)據(jù)表測試組數(shù)溫度(℃)濕度(%)氣壓(hPa)CO2濃度(PPM)測試結(jié)果138.5014926.7971880正常238.5514926.779691正常338.5614926.802773正常438.5814926.8071515正常538.5414926.8152147正常638.5014927.7982214正常4.2結(jié)論與展望本次實驗設計是基于STM32系列單片機搭載了溫濕度、大氣壓以及二氧化碳含量制作的空氣折射率測量裝置，并基于Labview來展示上位機實驗界面，并通過算法得出空氣折射率。實驗結(jié)論表明，溫度、濕度、二氧化碳濃度以及大氣壓均對空氣的折射率產(chǎn)生顯著影響。這些因素通過改變空氣的密度和成分，進而改變了光速在空氣中的傳播速度，導致折射率的變化。在實驗過程中，我們觀察到隨著溫度的升高，空氣的折射率呈現(xiàn)出下降的趨勢；濕度的增加則導致折射率上升；二氧化碳濃度的升高同樣使折射率增加；而大氣壓的變化對折射率的影響相對較小，但仍然存在一定的相關(guān)性。但由于所處地理位置，所測得的大氣壓數(shù)值變化較小，不能夠很好的體現(xiàn)大氣壓對空氣折射率的影響。希望可以在將來更進一步深入研究不同環(huán)境條件下空氣折射率的變化規(guī)律，特別是在極端氣候和復雜大氣條件下的空氣折射率會發(fā)生怎么樣的變化。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，有望實現(xiàn)更高精度的空氣折射率測量，為相關(guān)領域的研究和應用提供有力支持。同時，對于環(huán)境監(jiān)測和氣候變化研究而言，了解空氣折射率的變化對于評估大氣中污染物的分布和傳輸具有重要意義。因此，未來的研究可以關(guān)注如何通過精確測量空氣折射率來監(jiān)測和預測大氣污染的擴散趨勢，以及如何利用這些信息來優(yōu)化環(huán)境保護措施。此外，隨著全球氣候變化的加劇，極端天氣事件的頻率和強度也在增加，這使得對大氣狀態(tài)的實時監(jiān)測變得尤為重要。因此，開發(fā)能夠快速響應并提供準確數(shù)據(jù)的空氣折射率測量技術(shù)將具有廣闊的應用前景?？傊?，對溫度、濕度、二氧化碳濃度以及大氣壓對空氣折射率影響的研究不僅有助于我們更好地理解大氣的物理性質(zhì)，還為相關(guān)領域的實際應用提供了理論基礎和技術(shù)支持。隨著研究的不斷深入和技術(shù)的不斷進步，相信未來能夠取得更多有價值的成果，為人類社會的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

參考文獻:蔣劍波.基于激光單頻干涉和PTF傳感融合的空氣折射率測量方法研究及應用[D].浙江理工大學,2023.嚴利平,蔣劍波,樓盈天,等.基于激光單頻干涉和PTF傳感融合的空氣折射率測量方法[J].激光與光電子學進展,2023,60(05):113-120.閔帥博,嚴利平,崔建軍,等.高精度空氣折射率測量系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].計量學報,2020,41(11):1332-1338.董元皓,徐小鳳,黃曉霞,等.基于邁克耳孫干涉儀光路折疊和抽真空方式測空氣折射率[J].物理實驗,2023,43(04):49-52.吉鑫,許建國.空氣折射率的測量及數(shù)據(jù)處理方法研究[J].昆明學院學報,2017,39(06):98-100.呂亮,曹宏昊,汪洪,等.基于Labview的邁克爾遜干涉儀測量空氣折射率虛擬實驗研究[J].大學物理實驗,2013,26(06):70-73.陳菁,張立.兩種空氣折射率測量方法研究[J].實驗技術(shù)與管理,2012,29(09):56-58+66.孫琳琳,張立.基于單片機測量空氣折射率[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(22):166-167+171.崔建軍.高精度溫度控制及PTF測量的研究[D].中國計量科學研究院,2006.徐毅,許婕,高峰,等.實時測量空氣折射率的高精度激光干涉儀[J].現(xiàn)代測量與實驗室管理,1993(06):18-20.崔建軍,劉香斌,康巖輝等.基于Edlén公式空氣折射率測量系統(tǒng)的校準研究[J].計量學報,2014,35,(3):210-215.楊曄.相位調(diào)制激光干涉空氣折射率測量方法及其應用研究[D].浙江理工大學,2021.10.27786/ki.gzjlg.2021.001010.施羿含,羅海軍,張棟.基于邁克耳孫干涉儀及雙空氣劈尖測量液體折射率[J].大學物理,2021,40,(8):77-80.蔡靜,陳志岱,張新等.基于紋影剪切干涉法測量空氣折射率、密度和溫度的梯度[J].佛山科學技術(shù)學院學報（自然科學版）,2022,40,(3):46-50.陳強華.空氣折射率測量方法的研究[D].清華大學,2003.張之韜,李雪梅.C語言下邁克耳孫干涉儀測量空氣折射率的實驗探究[J].物理通報,2017,46,(8):68-71.北京工業(yè)大學.基于雙波長干涉的激光追蹤測量系統(tǒng)空氣折射率補償方法:CN201810703930.1[P].20200313.WandiZ,NannanL.Air-silicacoremicrostructuredopticalfiber-basedSPRsensorfortemperatureandrefractiveindexmeasurement[J].ResultsinPhysics,2023,53HongtangG,ZhongyuW,WeiZ,etal.High-accuracymeasurementsystemfortherefractiveindexofairbasedonasimpledouble-beaminterferometry.[J].Opticsexpress,2021,29(2):1396-1411.JoffrayG,DanielT,Jean-PierreW,etal.Asub-millimetretwo-wavelengthEDMthatcompensatestheairrefractiveindex:uncertaintyandmeasurementsupto5km[J].MeasurementScienceandTechnology,2024,35(2):ChenB,YangY,YanL,etal.Precisionmeasurementoftherefractiveindexofairusingaphasemodulatedhomodyneinterferometerwithavariab