一种基于线阵CCD的数字式液体棱镜折射仪的制作方法

本发明属于液体折射率及液体浓度、密度测量器件的技术领域,具体涉及一种基于线阵ccd的数字式液体棱镜折射仪。

背景技术：

在工农业生产和科学研究中，液体折射率是表征透明液体材料光学性质的物理常数。在各种折射率测量方法中，有的是利用光斑移动法来实现，有的是利用临界角法、最小偏向角法、全反射法来测量，还有利用马赫-曾德尔干涉仪法、迈克尔孙干涉仪法、法布里-玻罗干涉仪法等干涉法来实现的。近年来，还有一些新的测量方法如毛细管成像法、透射光栅、法液芯变焦柱透镜法等。

目前，国内外最常用的折射率测量仪器是阿贝折射仪，阿贝折射仪相对比较便宜，精度较高，其折射率测量范围为1.3000～1.7000。但随着诸如离子液体、液态聚合物等液体的新型品种不断涌现，液体材料的折射率范围不断扩大，约为1.6～2.4，例如[bmim][i9]的折射率为2.4，[hmim][i3]的折射率为1.88等。阿贝折射仪已远不能满足这些新型液体材料的测量需要。虽然法国cordoua公司生产的arago系列折射仪测量范围可达1.2～3.1，但是价格却要几十万一台，成本高。同时上述折射仪及测量方法均需要依靠人工操作来实现测量，带入的人工测量误差难以控制，再加上操作步骤过于繁琐，造成测量的工作效率低下。申请号为201621211702.5、名称为“一种基于液体棱镜的数字式折射仪”的实用新型公开了一种基于液体棱镜的数字式折射仪，也采用了液体棱镜，对棱镜的入射面进行处理使得入射的全漫射光在出射面会形成明暗分界线，单片机控制电机转动，在转动过程中，通过光敏传感器检测出射光强，与电机的转轴相连的角度编码器可以反馈旋转角度，据此计算出对应的液体折射率值。该专利一定程度上降低了折射仪的成本，但不足之处是测量的精度不够高，无法满足一些对精度要求较高的场合。

综上所述，现有技术无法满足市场对成本低、测量范围大、能自动实现测量过程特点的折射仪的需求。

技术实现要素：

本发明旨在提出一种基于液体棱镜的数字式折射仪，该折射仪能解决上述阿贝折射仪等棱镜式测量仪器中折射率测量范围不大、结构较复杂、需要测量者手动测量等问题，并且可以降低成本。

为实现上述目的，本发明提出的技术方案是一种基于线阵ccd的数字式液体棱镜折射仪，折射仪包括一个单色led光源、液体棱镜、液晶显示器、高性能微处理器、温度传感器、外壳，还包括波长测量装置、成像透镜组和线阵ccd，来自单色led光源的光入射液体棱镜表面，经液体棱镜折射后经成像透镜组在线阵ccd上形成明显的亮区和暗区，由高性能微处理器对亮区和暗区的信息进行提取、处理后计算出对应折射率，连同波长和温度值显示在液晶显示器上。

进一步，上述波长测量装置在入射光波长为450nm～589nm时采用可选择干涉滤波器，入射光波长为681～1000nm时采用近红外波长检测器。

上述液体棱镜的中空三棱镜的入射面和出射面夹角为30°，入射面外侧打磨成毛面，中空三棱镜的底面带有一个活动盖，用于罐装和倾倒液体，充入待测液体构成一个液体棱镜。

上述中空三棱镜采用无折射率大小限制的透明材料。

与阿贝折射仪等现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明利用待测液体本身作为光学棱镜，仅使用一个液体棱镜代替常用阿贝折射仪中的几个固体棱镜，简化了结构，减轻了重量，降低了成本。

2、本发明的液体棱镜折射仪比阿贝这类一般棱镜折射仪具有更广的折射率测量范围，同时又比同等测量范围的折射仪成本低得多。

3、本发明可以避免阿贝折射仪等固体棱镜折射仪中由于液体非均匀涂抹漏光导致的测量误差，准确性更高。

4、本发明使用线阵ccd直接寻找明暗分界线，并采用高性能微处理器计算折射率值，降低了人工测量带来的不可控误差，操作方面，大大地提高了测量效率。

5、本发明折射率测量范围不受固体棱镜材料的折射率大小限制，突破了阿贝阿贝这类一般棱镜折射仪的局限性。

6、本发明液体棱镜折射仪易于制作，且易于转化为生产推广到市场。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，

标示说明：单色led(1)、可选择干涉滤波器(2)、液体棱镜(3)、成像透镜组(4)、线阵ccd(5)、液晶显示器(6)、高性能微处理器(7)、近红外波长检测器(8)、温度传感器(9)、外壳(10)。

图2为液体棱镜示意图，

标识说明：11-棱镜光入射面；12-棱镜光出射面；13-中空的三棱镜活动盖。

图3为利用液体棱镜基于掠入射法测量液体折射率的原理示意图，

标识说明：11-棱镜光入射面；12-棱镜光出射面；虚线为填充的液体；θ0～θ5为光在各个界面的入、折射角；后方“明”“暗”圈图表示探测器接收到的两个明暗视场及交界线。

具体实施方式

现结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

本发明提出的数字式折射仪的工作原理主要利用液体棱镜的特点，通过在中空棱镜中填充液体与否或通过调节液体浓度、改变液体种类等来灵活改变液体棱镜的光学性质，构建一个光学性质可调的系统。

如图1所示，数字式折射仪包括一个单色led1、可选择干涉滤波器2，适用于入射光波长为450nm～589nm的情况、液体棱镜3、成像透镜组4、线阵ccd5、液晶显示器6、高性能微处理器7、近红外波长检测器8，适用于入射光波长为681～1000nm的情况、温度传感器9、外壳10。

本发明所述的构建液体棱镜3所需的中空三棱镜的入射面和出射面夹角等于30°，且中空三棱镜的光入射面外侧打磨成毛面，其上部的底面带有一个活动盖，用于罐装和倾倒液体，充入待测液体构成一个液体棱镜。

本发明所述的单色led1发出的光照射在液体棱镜毛面一侧形成漫反射光，由snell定理，光线透过液体棱镜经成像透镜组4在线阵ccd5上形成明显的亮区和暗区，由高性能微处理器7利用边缘提取算法处理ccd5光敏元中的数据并计算出出对应折射率。此过程中温度传感器9测量环境温度，近红外波长检测器8，此适用于入射光波长为681～1000nm的情况，入射光波长为450nm～589nm时采用可选择干涉滤波器2测量入射光波长，最后液晶显示器6上将显示波长、温度和折射率值。

本发明具体实施过程包括：首先将待测液体注入到中空三棱镜中形成液体棱镜3，来自单色led光源1的光入射液体棱镜3表面，由于棱镜的入射面已打磨成毛面，使得入射光线为全漫射光，经液体棱镜3折射，在出射面会形成清晰的明暗分界线，按下高性能微处理器7开关，光线透过液体棱镜经成像透镜组4在线阵ccd5上形成明显的亮区和暗区，ccd驱动电路将ccd光敏元中存储的数据信息输出，得到代表光敏面的光强视频信号，再有高性能微处理器7采集系统中的a/d转换器将视频信号转化为8位数字信号，最后由高性能微处理器7读数并利用边缘提取算法处理数据和计算出对应折射率。此过程中温度传感器9测量环境温度，近红外波长检测器8，此适用于入射光波长为681～1000nm的情况，入射光波长为450nm～589nm时采用可选择干涉滤波器2，测量入射波长大小并将波长和温度值显示在液晶显示器6上。进一步可由折射率与浓度、密度的关系推导出待测液体的浓度、密度，也可以研究液体折射率和室温、入射光波长之间的具体关系。

如图2所示，本发明液体棱镜由中空三棱镜内填充液体构成，中空三棱镜采用无折射率大小限制的透明材料，光入射面外侧打磨成毛面，且其光入射面和出射面夹角等于30°，上底面带有一个活动盖，用于罐装和倾倒液体，当液体充入时，即构成一个液体棱镜。使用时，将液体棱镜置于载物台上，使棱镜的一边正对入射光源。

测量原理如图3所示：本发明使用的液体棱镜顶角是α。单色led光入射，在液体棱镜入射面形成全方向漫射光。假设液体折射率为nl，棱镜壁折射率为ng，根据snell定律：

sinθ0＝ngsinθ1＝nlsinθ2

nlsinθ3＝ngsinθ4＝sinθ5

θ3＝α-θ2

假设当光掠入射，即入射角θ0＝90°时，位于空心棱镜面内侧的液体介质中和棱镜出射面后方空气中的折射角为θc和有：

并可由上述几个公式推导出液体折射率测量公式如下：

由上述公式可知nl与空心棱镜壁折射率无关，所以折射率测量范围不受空心棱镜壁材料折射率的限制。液体相当于一个独立的棱镜，这一点突破了阿贝折射仪的局限性。

任何一条入射角小于90°的光线在棱镜出射面3后方的折射角θ5均大于即光线位于掠入射光线外侧。后方像视场出现明暗两个区，明暗交界线即为掠入射光线在棱镜后方出射的位置。若通过光接收器件测得折射角的值，即明暗交界线位置，则可由液体折射率测量公式得出待测液体的折射率。进一步可由折射率与浓度、密度的关系推导出待测液体的浓度、密度。

综上所述，液体棱镜顶角α决定了折射率测量范围，顶角α不同，测量范围不同。当棱镜顶角α＝30°时，液体折射率测量范围为：1.0000～3.8600。

本发明基于掠入射原理测量液体折射率，用一个液体棱镜代替前述阿贝等棱镜折射仪中的几个固体棱镜。相比阿贝折射仪，具有更广的测量范围，在液体棱镜顶角为30°时，可测折射率范围达1.0000-3.8600。而且用一个液体棱镜代替多个固体棱镜后，结构变简单，重量变轻，成本更低。采用数字式的思想可以避免测量者主观读数带来的误差，由于线阵ccd、高性能微处理器的应用，精度可达10^-5，较阿贝折射仪提高了一个数量级。同时可以避免阿贝折射仪等固体棱镜折射仪由于液体非均匀涂抹漏光导致的测量误差，准确性更高，且易于转化成产品。

需要说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明所限定的范围。