一種基于線陣CCD的數(shù)字式液體棱鏡折射儀的制作方法

本發(fā)明屬于液體折射率及液體濃度、密度測量器件的技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種基于線陣ccd的數(shù)字式液體棱鏡折射儀。

背景技術(shù)：

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中，液體折射率是表征透明液體材料光學(xué)性質(zhì)的物理常數(shù)。在各種折射率測量方法中，有的是利用光斑移動法來實現(xiàn)，有的是利用臨界角法、最小偏向角法、全反射法來測量，還有利用馬赫-曾德爾干涉儀法、邁克爾孫干涉儀法、法布里-玻羅干涉儀法等干涉法來實現(xiàn)的。近年來，還有一些新的測量方法如毛細管成像法、透射光柵、法液芯變焦柱透鏡法等。

目前，國內(nèi)外最常用的折射率測量儀器是阿貝折射儀，阿貝折射儀相對比較便宜，精度較高，其折射率測量范圍為1.3000～1.7000。但隨著諸如離子液體、液態(tài)聚合物等液體的新型品種不斷涌現(xiàn)，液體材料的折射率范圍不斷擴大，約為1.6～2.4，例如[bmim][i9]的折射率為2.4，[hmim][i3]的折射率為1.88等。阿貝折射儀已遠不能滿足這些新型液體材料的測量需要。雖然法國cordoua公司生產(chǎn)的arago系列折射儀測量范圍可達1.2～3.1，但是價格卻要幾十萬一臺，成本高。同時上述折射儀及測量方法均需要依靠人工操作來實現(xiàn)測量，帶入的人工測量誤差難以控制，再加上操作步驟過于繁瑣，造成測量的工作效率低下。申請?zhí)枮?01621211702.5、名稱為“一種基于液體棱鏡的數(shù)字式折射儀”的實用新型公開了一種基于液體棱鏡的數(shù)字式折射儀，也采用了液體棱鏡，對棱鏡的入射面進行處理使得入射的全漫射光在出射面會形成明暗分界線，單片機控制電機轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動過程中，通過光敏傳感器檢測出射光強，與電機的轉(zhuǎn)軸相連的角度編碼器可以反饋旋轉(zhuǎn)角度，據(jù)此計算出對應(yīng)的液體折射率值。該專利一定程度上降低了折射儀的成本，但不足之處是測量的精度不夠高，無法滿足一些對精度要求較高的場合。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)無法滿足市場對成本低、測量范圍大、能自動實現(xiàn)測量過程特點的折射儀的需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提出一種基于液體棱鏡的數(shù)字式折射儀，該折射儀能解決上述阿貝折射儀等棱鏡式測量儀器中折射率測量范圍不大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、需要測量者手動測量等問題，并且可以降低成本。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是一種基于線陣ccd的數(shù)字式液體棱鏡折射儀，折射儀包括一個單色led光源、液體棱鏡、液晶顯示器、高性能微處理器、溫度傳感器、外殼，還包括波長測量裝置、成像透鏡組和線陣ccd，來自單色led光源的光入射液體棱鏡表面，經(jīng)液體棱鏡折射后經(jīng)成像透鏡組在線陣ccd上形成明顯的亮區(qū)和暗區(qū)，由高性能微處理器對亮區(qū)和暗區(qū)的信息進行提取、處理后計算出對應(yīng)折射率，連同波長和溫度值顯示在液晶顯示器上。

進一步，上述波長測量裝置在入射光波長為450nm～589nm時采用可選擇干涉濾波器，入射光波長為681～1000nm時采用近紅外波長檢測器。

上述液體棱鏡的中空三棱鏡的入射面和出射面夾角為30°，入射面外側(cè)打磨成毛面，中空三棱鏡的底面帶有一個活動蓋，用于罐裝和傾倒液體，充入待測液體構(gòu)成一個液體棱鏡。

上述中空三棱鏡采用無折射率大小限制的透明材料。

與阿貝折射儀等現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明利用待測液體本身作為光學(xué)棱鏡，僅使用一個液體棱鏡代替常用阿貝折射儀中的幾個固體棱鏡，簡化了結(jié)構(gòu)，減輕了重量，降低了成本。

2、本發(fā)明的液體棱鏡折射儀比阿貝這類一般棱鏡折射儀具有更廣的折射率測量范圍，同時又比同等測量范圍的折射儀成本低得多。

3、本發(fā)明可以避免阿貝折射儀等固體棱鏡折射儀中由于液體非均勻涂抹漏光導(dǎo)致的測量誤差，準確性更高。

4、本發(fā)明使用線陣ccd直接尋找明暗分界線，并采用高性能微處理器計算折射率值，降低了人工測量帶來的不可控誤差，操作方面，大大地提高了測量效率。

5、本發(fā)明折射率測量范圍不受固體棱鏡材料的折射率大小限制，突破了阿貝阿貝這類一般棱鏡折射儀的局限性。

6、本發(fā)明液體棱鏡折射儀易于制作，且易于轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)推廣到市場。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，

標示說明：單色led(1)、可選擇干涉濾波器(2)、液體棱鏡(3)、成像透鏡組(4)、線陣ccd(5)、液晶顯示器(6)、高性能微處理器(7)、近紅外波長檢測器(8)、溫度傳感器(9)、外殼(10)。

圖2為液體棱鏡示意圖，

標識說明：11-棱鏡光入射面；12-棱鏡光出射面；13-中空的三棱鏡活動蓋。

圖3為利用液體棱鏡基于掠入射法測量液體折射率的原理示意圖，

標識說明：11-棱鏡光入射面；12-棱鏡光出射面；虛線為填充的液體；θ0～θ5為光在各個界面的入、折射角；后方“明”“暗”圈圖表示探測器接收到的兩個明暗視場及交界線。

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明創(chuàng)造作進一步的詳細說明。

本發(fā)明提出的數(shù)字式折射儀的工作原理主要利用液體棱鏡的特點，通過在中空棱鏡中填充液體與否或通過調(diào)節(jié)液體濃度、改變液體種類等來靈活改變液體棱鏡的光學(xué)性質(zhì)，構(gòu)建一個光學(xué)性質(zhì)可調(diào)的系統(tǒng)。

如圖1所示，數(shù)字式折射儀包括一個單色led1、可選擇干涉濾波器2，適用于入射光波長為450nm～589nm的情況、液體棱鏡3、成像透鏡組4、線陣ccd5、液晶顯示器6、高性能微處理器7、近紅外波長檢測器8，適用于入射光波長為681～1000nm的情況、溫度傳感器9、外殼10。

本發(fā)明所述的構(gòu)建液體棱鏡3所需的中空三棱鏡的入射面和出射面夾角等于30°，且中空三棱鏡的光入射面外側(cè)打磨成毛面，其上部的底面帶有一個活動蓋，用于罐裝和傾倒液體，充入待測液體構(gòu)成一個液體棱鏡。

本發(fā)明所述的單色led1發(fā)出的光照射在液體棱鏡毛面一側(cè)形成漫反射光，由snell定理，光線透過液體棱鏡經(jīng)成像透鏡組4在線陣ccd5上形成明顯的亮區(qū)和暗區(qū)，由高性能微處理器7利用邊緣提取算法處理ccd5光敏元中的數(shù)據(jù)并計算出出對應(yīng)折射率。此過程中溫度傳感器9測量環(huán)境溫度，近紅外波長檢測器8，此適用于入射光波長為681～1000nm的情況，入射光波長為450nm～589nm時采用可選擇干涉濾波器2測量入射光波長，最后液晶顯示器6上將顯示波長、溫度和折射率值。

本發(fā)明具體實施過程包括：首先將待測液體注入到中空三棱鏡中形成液體棱鏡3，來自單色led光源1的光入射液體棱鏡3表面，由于棱鏡的入射面已打磨成毛面，使得入射光線為全漫射光，經(jīng)液體棱鏡3折射，在出射面會形成清晰的明暗分界線，按下高性能微處理器7開關(guān)，光線透過液體棱鏡經(jīng)成像透鏡組4在線陣ccd5上形成明顯的亮區(qū)和暗區(qū)，ccd驅(qū)動電路將ccd光敏元中存儲的數(shù)據(jù)信息輸出，得到代表光敏面的光強視頻信號，再有高性能微處理器7采集系統(tǒng)中的a/d轉(zhuǎn)換器將視頻信號轉(zhuǎn)化為8位數(shù)字信號，最后由高性能微處理器7讀數(shù)并利用邊緣提取算法處理數(shù)據(jù)和計算出對應(yīng)折射率。此過程中溫度傳感器9測量環(huán)境溫度，近紅外波長檢測器8，此適用于入射光波長為681～1000nm的情況，入射光波長為450nm～589nm時采用可選擇干涉濾波器2，測量入射波長大小并將波長和溫度值顯示在液晶顯示器6上。進一步可由折射率與濃度、密度的關(guān)系推導(dǎo)出待測液體的濃度、密度，也可以研究液體折射率和室溫、入射光波長之間的具體關(guān)系。

如圖2所示，本發(fā)明液體棱鏡由中空三棱鏡內(nèi)填充液體構(gòu)成，中空三棱鏡采用無折射率大小限制的透明材料，光入射面外側(cè)打磨成毛面，且其光入射面和出射面夾角等于30°，上底面帶有一個活動蓋，用于罐裝和傾倒液體，當液體充入時，即構(gòu)成一個液體棱鏡。使用時，將液體棱鏡置于載物臺上，使棱鏡的一邊正對入射光源。

測量原理如圖3所示：本發(fā)明使用的液體棱鏡頂角是α。單色led光入射，在液體棱鏡入射面形成全方向漫射光。假設(shè)液體折射率為nl，棱鏡壁折射率為ng，根據(jù)snell定律：

sinθ0＝ngsinθ1＝nlsinθ2

nlsinθ3＝ngsinθ4＝sinθ5

θ3＝α-θ2

假設(shè)當光掠入射，即入射角θ0＝90°時，位于空心棱鏡面內(nèi)側(cè)的液體介質(zhì)中和棱鏡出射面后方空氣中的折射角為θc和有：

并可由上述幾個公式推導(dǎo)出液體折射率測量公式如下：

由上述公式可知nl與空心棱鏡壁折射率無關(guān)，所以折射率測量范圍不受空心棱鏡壁材料折射率的限制。液體相當于一個獨立的棱鏡，這一點突破了阿貝折射儀的局限性。

任何一條入射角小于90°的光線在棱鏡出射面3后方的折射角θ5均大于即光線位于掠入射光線外側(cè)。后方像視場出現(xiàn)明暗兩個區(qū)，明暗交界線即為掠入射光線在棱鏡后方出射的位置。若通過光接收器件測得折射角的值，即明暗交界線位置，則可由液體折射率測量公式得出待測液體的折射率。進一步可由折射率與濃度、密度的關(guān)系推導(dǎo)出待測液體的濃度、密度。

綜上所述，液體棱鏡頂角α決定了折射率測量范圍，頂角α不同，測量范圍不同。當棱鏡頂角α＝30°時，液體折射率測量范圍為：1.0000～3.8600。

本發(fā)明基于掠入射原理測量液體折射率，用一個液體棱鏡代替前述阿貝等棱鏡折射儀中的幾個固體棱鏡。相比阿貝折射儀，具有更廣的測量范圍，在液體棱鏡頂角為30°時，可測折射率范圍達1.0000-3.8600。而且用一個液體棱鏡代替多個固體棱鏡后，結(jié)構(gòu)變簡單，重量變輕，成本更低。采用數(shù)字式的思想可以避免測量者主觀讀數(shù)帶來的誤差，由于線陣ccd、高性能微處理器的應(yīng)用，精度可達10^-5，較阿貝折射儀提高了一個數(shù)量級。同時可以避免阿貝折射儀等固體棱鏡折射儀由于液體非均勻涂抹漏光導(dǎo)致的測量誤差，準確性更高，且易于轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品。

需要說明的是，以上實施方式僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明所限定的范圍。