专利名称：试样双向反射分布函数测量转台的制作方法
技术领域：
本发明涉及试样双向反射分布函数测量转台，属于双向反射分布函数测量技术领域。
背景技术：
现有双向反射分布函数BRDF测量转台有下述两种类型:第一种为:BRDF测量转台上试样静止不动，光源和探测器运动，能够覆盖试样半球空间的测量，它存在以下缺点:(I)光源需要直接安装在运动装置上，更换不同波长的光源较困难，需要输出力矩较大的电机进行驱动；(2)装置体积一般很大，对机械结构的加工精度要求较高，成本大幅增加，且装置整体重量大，不易搬运。第二种为:BRDF测量转台上光源保持静止，试样和探测器分别运动。它存在的缺点如下:(I)试样必需能够俯仰运动才能等效代替光源在天顶角方向上的运动，由此，试样必须可靠固定在试样底座上，由于夹紧力的存在，可能会使被测试样出现内应力，使得如玻璃等原本各项同性的材料出现各向异性的情况，影响测量结果；(2)不同材料的试样其尺寸可能大同小异，不易设计通用的固定装置，若出现固定不可靠情况会引入较大的角度误差；(3)只能测试固体试样。
发明内容
本发明是为了解决现有BRDF测量转台体积大，成本高的问题，提供了一种试样双向反射分布函数测量转台。本发明所述试样双向反射分布函数测量转台，它包括激光器，它还包括探测器、场镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、光源支架、水平转台、探测器安装架、场镜安装架、连杆、试样、试样座、底座、第一转轴、两个端板和第二转轴，探测器安装架和场镜安装架由上至下设置在连杆的上端，连杆通过联轴器与第一转轴垂直连接，第一转轴设置在两个端板之间，两个端板的底端固定在水平转台上；探测器安装架上固定有探测器，场镜安装架上固定有场镜；第一平面反射镜和第二平面反射镜分别设置在光源支架上，光源支架的底端固定在底座上，第二转轴穿过底座，第二转轴的底端连接水平转台的中心，第二转轴的顶端连接试样座的中心，试样座上居中放置试样；激光器发射的平行光束经第一平面反射镜反射后入射至第二平面反射镜，第二平面反射镜的反射光束入射至试样的上表面，试样的反射光束通过场镜汇聚后入射至探测器的光接收面，探测器位于场镜的焦距处。它还包括第一三相步进电机，第一三相步进电机的输出轴通过薄片联轴器与第一转轴相连,第一三相步进电机用来带动第一转轴旋转，从而使探测器在天顶角方向上运动。它还包括从动齿轮、主动齿轮和两相步进电机，从动齿轮的直径大于主动齿轮的
直径；从动齿轮套接在水平转台的外圆表面，从动齿轮与主动齿轮相配合，主动齿轮套接在两相步进电机的输出轴上，两相步进电机用于带动主动齿轮旋转，从而带动水平转台在水平方向上转动，实现探测器方位角的改变。它还包括第二三相步进电机，第二三相步进电机的输出轴与第二转轴连接，第二三相步进电机带动第二转轴旋转，从而使激光器发射的平行光束在方位角方向上运动。激光器发射的平行光束与第一平面反射镜的水平高度相同；光源支架呈圆弧状，该光源支架的圆心与试样的中心重合，通过改变第一平面反射镜与其入射平行光束之间的角度，进而改变第二平面反射镜在光源支架上的位置，从而实现激光器发射的平行光束在天顶角方向的运动。激光器发射的平行光束的天顶角为O °、5°、10°、15°、30°、45°、60°及75。。激光器发射的平行光束的方位角通过第二三相步进电机控制，半步动作步进值为0.6° ,探测器的天顶角通过第一三相步进电机控制，半步动作步进值为0.6° ;探测器的方位角通过两相步进电机控制，半步动作步进值为0.6°。场镜的焦距为60mm。主动齿轮和从动齿轮的传动比为1: 4.5。本发明的优点:本发明所述测量转台在测试过程中，试样能始终保持水平，因此可用于固态或液态试样的测量。它使光源以平行光入射并经过反射镜反射至待测试样表面，散射光接收前再通过场镜即透镜汇聚。光源天顶角可在0°、5°、10°、15°、30°、45°、60°及75°典型值上变化；光源方位角能够在0-360°变化，精度为3° ;探测器天顶角接近0-90°变化，精度为3°，方位角接近0-360°变化，精度为3°。本发明所述测量转台机械结构简单，大小适中，价格相对较低，在测量过程中能够保证试样处于水平状态，光源为通过激光器发出的水平激光，通过更换不同激光器可以达到改变光源波长的效果。入射光为平行光，能保证试样不同位置的入射角相等。
图1是本发明所述试样双向反射分布函数测量转台的结构示意图；图2是实施方式二的结构示意图；图3是实施方式三的结构示意图；图4是实施方式四的结构示意图；图5是两个平面反射镜改变光源天顶角的原理图，所述光源为激光器发射的光束；图6是两个平面反射镜放置角度的获取方法推导原理图；图7是光源天顶角运动的实现示意图；图8是单片机与第一三相步进电机、第二三相步进电机及两相步进电机的驱动接口电路图；图9是两相步进电机的驱动电路原理图；图10是两相步进电机控制信号时序图；图11是两个二相步进电机的驱动电路原理图；图12是两个三相步进电机的控制信号时序图。
具体实施例方式具体实施方式
一:下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述试样双向反射分布函数测量转台，它包括激光器1，它还包括探测器2、场镜3、第一平面反射镜4、第二平面反射镜5、光源支架6、水平转台7、探测器安装架8、场镜安装架9、连杆10、试样11、试样座12、底座13、第一转轴14、两个端板15和第二转轴16，探测器安装架8和场镜安装架9由上至下设置在连杆10的上端，连杆10通过联轴器与第一转轴14垂直连接，第一转轴14设置在两个端板15之间，两个端板15的底端固定在水平转台7上；探测器安装架8上固定有探测器2，场镜安装架9上固定有场镜3 ；第一平面反射镜4和第二平面反射镜5分别设置在光源支架6上，光源支架6的底端固定在底座13上，第二转轴16穿过底座13，第二转轴16的底端连接水平转台7的中心，第二转轴16的顶端连接试样座12的中心，试样座12上居中放置试样11 ；激光器I发射的平行光束经第一平面反射镜4反射后入射至第二平面反射镜5，第二平面反射镜5的反射光束入射至试样11的上表面，试样11的反射光束通过场镜3汇聚后入射至探测器2的光接收面，探测器2位于场镜3的焦距处。
具体实施方式
二:下面结合图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式还包括第一三相步进电机17,第一三相步进电机17的输出轴通过薄片联轴器与第一转轴14相连，第一三相步进电机17用来带动第一转轴14旋转，从而使探测器2在天顶角方向上运动。为实现探测器2在天顶角方向上的运动，将探测器2固定在探测器安装架8内，探测器安装架8与场镜安装架9共同放置在连杆10上，连杆10通过探测器联轴器与第一转轴14相连，而第一三相步进电机17也通过薄片联轴器与第一转轴14相连。通过控制第一三相步进电机17转动就可以带动第一转轴14旋转，从而使探测器2在天顶角方向上运动，如图2所示。第一三相步进电机17整步距角为1.2。，具体控制时采用半步控制，这样探测器天顶角最小分辨率为0.6°。
具体实施方式
三:下面结合图3说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，本实施方式还包括从动齿轮18、主动齿轮19和两相步进电机20,从动齿轮18的直径大于主动齿轮19的直径；从动齿轮18套接在水平转台7的外圆表面，从动齿轮18与主动齿轮19相配合，主动齿轮19套接在两相步进电机20的输出轴上，两相步进电机20用于带动主动齿轮19旋转，从而带动水平转台7在水平方向上转动，实现探测器2方位角的改变。探测器2天顶角运动的整套装置放置在水平转台7上，由于转动惯量较大，所以用齿轮传动的方式，在水平转台7外圈套接从动齿轮18，从动齿轮18与套在两相步进电机20上的主动齿轮19配合，当两相步进电机20转动时，通过齿轮传动使水平转台7在水平方向上转动，从而实现探测器2方位角的改变。水平转台7可通过推力轴承放置在转台底座上，两相步进电机20的支架也可通过螺钉连接在转台底座上，如图3所示。主动齿轮19模数为1、齿数为76,从动齿轮18模数为1、齿数为342,即齿轮传动比为1: 4.5。探测器方位角最小分辨率为0.2°。
具体实施方式
四:下面结合图4说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，本实施方式还包括第二三相步进电机21,第二三相步进电机21的输出轴与第二转轴16连接，第二三相步进电机21带动第二转轴16旋转,从而使激光器I发射的平行光束在方位角方向上运动。本实施方式中，激光器I发出水平激光，通过两个平面反射镜使激光从不同天顶角入射至被测试样11的上表面。光源的方位角通过第二三相步进电机21带动试样11旋转而变化；探测器2的天顶角通过第一三相步进电机17带动连杆10转动而变化，探测器2的方位角通过两相步进电机20带动探测器安装架8旋转而变化。最终经过试样11后的反射光在到达探测器2前通过一个场镜，即平凸透镜汇聚，探测器2置于该场镜3焦距位置，探测器2与场镜3之间的距离可以根据需要手动调节，场镜3也可根据需要更换。通过合理的控制，可以实现以试样为参考系时，光源和探测器均覆盖试样的半球空间，且其测量位置完全能够满足一般测量的需要。
具体实施方式
五:本实施方式为对实施方式一、二、三或四的进一步说明，本实施方式所述激光器I发射的平行光束与第一平面反射镜4的水平高度相同；光源支架6呈圆弧状,该光源支架6的圆心与试样11的中心重合,通过改变第一平面反射镜4与其入射平行光束之间的角度，进而改变第二平面反射镜5在光源支架6上的位置，从而实现激光器I发射的平行光束在天顶角方向的运动。
具体实施方式
六:本实施方式为对实施方式一、二、三、四或五的进一步说明，本实施方式所述激光器I发射的平行光束的天顶角为0°、5°、10°、15°、30°、45°、60°及75。。上述不同角度需手动第二平面反射镜5的位置来实现。
具体实施方式
七:本实施方式为对实施方式四、五或六的进一步说明，本实施方式所述激光器I发射的平行光束的方位角通过第二三相步进电机21控制，半步动作步进值为0.6° ,探测器2的天顶角通过第一三相步进电机17控制，半步动作步进值为0.6° ;探测器2的方位角通过两相步进电机20控制，半步动作步进值为0.6°。本实施方式中，激光器I发射的平行光束的方位角、探测器2的天顶角和方位角的实际控制步进值均为3°。
具体实施方式
八:本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五、六或七的进一步说明，本实施方式所述场镜3的焦距为60mm。
具体实施方式
九:下面结合图1至图12说明本实施方式，本实施方式为对实施方式三、四、五、六、七或八的进一步说明，本实施方式所述主动齿轮19和从动齿轮18的传动比为1: 4.5。本发明所述测量转台通过改变第一平面反射镜4与入射光之间的角度可以使入射光扫遍整个圆弧，在圆弧上的不同位置放置适当角度的第二平面反射镜5就可以让入射光照向试样中心，如图5所不。图6所示，设入射光天顶角为Qi，则第一平面反射镜4与水平夹角α和第二平面反射镜5与水平夹角β可以依据集合关系求得，具体推导过程如图6所示。光源支架6可设计成图7所示的圆弧形，两个平面反射镜通过反射镜架固定在光源支架6上，第一平面反射镜4与水平夹角可调，第二平面反射镜5可插在光源支架6圆弧部分的不同位置上，将光源支架6上第二平面反射镜5的插槽角度按照图6所体现出的角度计算关系设计，可实现光源天顶角Q1、第一平面反射镜4与水平夹角α和第二平面反射镜5与水平夹角β相对系列值如表I所示，其中定义平面反射镜镜面与水平面夹角沿逆时针方向为正，反之为负。表I
权利要求
1.一种试样双向反射分布函数测量转台，它包括激光器(I)，其特征在于，它还包括探测器(2)、场镜(3)、第一平面反射镜(4)、第二平面反射镜(5)、光源支架￠)、水平转台(7)、探测器安装架(8)、场镜安装架(9)、连杆(10)、试样(11)、试样座(12)、底座(13)、第一转轴(14)、两个端板(15)和第二转轴(16), 探测器安装架(8)和场镜安装架(9)由上至下设置在连杆(10)的上端，连杆(10)通过联轴器与第一转轴(14)垂直连接，第一转轴(14)设置在两个端板(15)之间，两个端板(15)的底端固定在水平转台(7)上；探测器安装架(8)上固定有探测器(2)，场镜安装架(9)上固定有场镜(3); 第一平面反射镜(4)和第二平面反射镜(5)分别设置在光源支架(6)上，光源支架(6)的底端固定在底座(13)上，第二转轴(16)穿过底座(13)，第二转轴(16)的底端连接水平转台(7)的中心，第二转轴(16)的顶端连接试样座(12)的中心，试样座(12)上居中放置试样(11); 激光器(I)发射的平行光束经第一平面反射镜(4)反射后入射至第二平面反射镜(5)，第二平面反射镜(5)的反射光束入射至试样(11)的上表面，试样(11)的反射光束通过场镜⑶汇聚后入射至探测器⑵的光接收面，探测器⑵位于场镜⑶的焦距处。
2.根据权利要求1所述的试样双向反射分布函数测量转台，其特征在于，它还包括第一三相步进电机(17)， 第一三相步进电机(17)的输出轴通过薄片联轴器与第一转轴(14)相连，第一三相步进电机(17)用来带动第一转轴(14)旋转，从而使探测器(2)在天顶角方向上运动。
3.根据权利要求2所 述的试样双向反射分布函数测量转台，其特征在于，它还包括从动齿轮(18)、主动齿轮(19)和两相步进电机(20)，从动齿轮(18)的直径大于主动齿轮(19)的直径； 从动齿轮(18)套接在水平转台(7)的外圆表面，从动齿轮(18)与主动齿轮(19)相配合，主动齿轮(19)套接在两相步进电机(20)的输出轴上，两相步进电机(20)用于带动主动齿轮(19)旋转，从而带动水平转台(7)在水平方向上转动，实现探测器(2)方位角的改变。
4.根据权利要求3所述的试样双向反射分布函数测量转台，其特征在于，它还包括第二三相步进电机(21)， 第二三相步进电机(21)的输出轴与第二转轴(16)连接，第二三相步进电机(21)带动第二转轴(16)旋转，从而使激光器(I)发射的平行光束在方位角方向上运动。
5.根据权利要求4所述的试样双向反射分布函数测量转台，其特征在于， 激光器(I)发射的平行光束与第一平面反射镜(4)的水平高度相同； 光源支架(6)呈圆弧状，该光源支架￠)的圆心与试样(11)的中心重合，通过改变第一平面反射镜(4)与其入射平行光束之间的角度，进而改变第二平面反射镜(5)在光源支架(6)上的位置，从而实现激光器(I)发射的平行光束在天顶角方向的运动。
6.根据权利要求5所述的试样双向反射分布函数测量转台，其特征在于， 激光器(I)发射的平行光束的天顶角为0°、5°、10°、15°、30°、45°、60°及75°。
7.根据权利要求5或6所述的试样双向反射分布函数测量转台，其特征在于， 激光器(I)发射的平行光束的方位角通过第二三相步进电机(21)控制，半步动作步进值为0.6°， 探测器(2)的天顶角通过第一三相步进电机(17)控制，半步动作步进值为0.6° ;探测器(2)的方位角通过两相步进电机(20)控制，半步动作步进值为0.6°。
8.根据权利要求7所述的试样双向反射分布函数测量转台，其特征在于，场镜(3)的焦距为6Ctam。
9.根据权利要求8所述的试样双向反射分布函数测量转台，其特征在于，主动齿轮(19)和从动齿轮(18) 的传动比为1: 4.5。
全文摘要
试样双向反射分布函数测量转台，属于双向反射分布函数测量技术领域。它解决了现有BRDF测量转台体积大，成本高的问题。它包括激光器、探测器、场镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、光源支架、水平转台、探测器安装架、场镜安装架、连杆、试样、试样座、底座、第一转轴、两个端板和第二转轴；激光器发射的平行光束经第一平面反射镜反射后入射至第二平面反射镜，第二平面反射镜的反射光束入射至试样的上表面，试样的反射光束通过场镜汇聚后入射至探测器的光接收面，探测器位于场镜的焦距处。本发明适用于试样双向反射分布函数的测量。
文档编号G01N21/47GK103196871SQ201310056958
公开日2013年7月10日 申请日期2013年2月25日 优先权日2013年2月25日
发明者齐超, 王子誉, 杨旭强, 戴景民 申请人:哈尔滨工业大学