一种液体折射率测量装置的制作方法

本实用新型涉及一种测量技术领域，尤其涉及一种液体折射率测量装置。

背景技术：

现有技术中，折射率是液体的重要光学参数之一，借助折射率能了解液体的光学性能、纯度、浓度以及色散等性质，其他的一些参数(如温度)也与折射率密切相关。因此，液体折射率的测量在化工、医药、食品、石油等等领域中都有重要的意义。

全反射临界角成像法是一种常用的液体折射率的测量方法，是根据全反射原理，通过测量处于临界角光线的出射角，计算出待测量液体的折射率。如图1所示，一种典型的全反射临界角测量系统包括光源U1、棱镜U3、图像传感器U2，工作时，从光源U1发出的光束穿过棱镜U3到达被测液体X 和棱镜U3的界面，在该界面分离成折射光和反射光，其中，反射光被图像传感器U2接收，生成如图中所示的明暗图像。在该明暗图像中，明的部分对应在被测溶液X和棱镜U3的界面发生全反射的光线，暗的部分对应未发生全反射的光线，明暗分界线则对应发生全反射的临界角。由于被测溶液的折射率变化会导致发生全反射临界角的变化，因此通过测量该明暗分界线的位置，就可以求出全反射临界角，从而求出被测液体的折射率。

但是，在待测量液体中含有气泡的时候，这种单次全反射测量方法无法避免气泡对测量的干扰，实现精确地测量。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种液体折射率测量装置，用以解决现有技术中液体折射率测量不准确的问题。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种液体折射率测量装置，包括：

用以生成光束的光源、用以折射入射光束的光学树脂棱镜、用以接收出射光束图像的线阵图像传感器和用以计算待测量液体折射率的折射率计算模块；

所述光学树脂棱镜包括能够使入射光束进入的入射面、第一反射面、与待测量液体接触的第一表面、第二表面、第二反射面和能够使光束聚焦射出形成出射光束的射出面；所述第一反射面、第二反射面能够反射光束；所述与待测量液体接触的第一表面、第二表面能够投射光束；

所述光源发出的入射光束进入所述光学树脂棱镜的入射面；

所述入射光束在所述光学树脂棱镜内传播且在所述第一反射面上反射，形成第一反射光束，并在所述光学树脂棱镜内传播到达与待测量液体接触的第一表面，发生透射；

透射的光束穿过待测液体，并发生折射，到达与待测量液体接触的第二表面再次发生折射，进入光学树脂棱镜，到达第二反射面，发生反射，形成第二反射光束；

第二反射光束在所述光学树脂棱镜内传播，到达所述射出面；

所述射出面对所述第二反射光束进行聚焦，形成出射光束。

所述光源和光学树脂棱镜之间设置一准直透镜；

所述光源发出的光束经所述准直透镜后形成平行光束，进入所述光学树脂棱镜的入射面。

所述准直透镜由非球面镜和鲍威尔棱镜2个光学面组成。

所述第一表面与所述第二表面相对于所述光学树脂棱镜的中心对称。

所述第一反射面与所述第二反射面相对于所述光学树脂棱镜的中心对称。

所述第一反射面和所述第二反射面采用光学镀膜。

所述光学树脂棱镜的折射率是1.50-1.75之间；

所述入射面为柱面镜/复曲面透镜；

所述射出面为非球面镜/复曲面透镜。

采用上述方案的有益效果是：

本实用新型实施例的液体折射率测量装置，通过实现透射式测量方式，在气泡密集情况下，利用气泡间的待测溶液参与测量，从而达到避免气泡对测量的影响。同时，实现装置的小型化。

附图说明

图1为现有技术中一种液体折射率测量设备的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1提供的液体折射率测量装置的光学原理示意图；

图3为本实用新型实施例2提供的液体折射率测量装置的光学原理示意图；

图4为本实用新型实施例3提供的液体折射率测量装置的光学原理示意图；

图5为本实用新型实施例3提供的液体折射率测量装置的光路示意图；

图6为本实用新型实施例3提供的液体折射率测量装置的解决气泡干扰原理示意图；

图7～10为本实用新型实施例3提供的光线追踪模拟示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

如图2所示，本实用新型实施例1提供了一种液体折射率测量装置，包括：

光源U1，优选为激光光源，用于限制入射光束的入射角度；

光学树脂棱镜U3，包括入射面S1、第一反射面S2、与待测量液体接触的第一表面S3、第二表面S4、第二反射面S5和射出面S6，所述光源发出的光束经所述准直透镜梳理后，形成平行光束，进入所述光学树脂棱镜的入射面S1，所述入射光束在所述光学树脂棱镜内传播且在所述第一反射面S2 上反射，形成第一反射光束，并在所述光学树脂棱镜内传播到达与待测量液体接触的第一表面S3，发生透射。透射的光束穿过待测液体，并发生折射；到达与待测量液体接触的第二表面S4再次发生折射，进入光学树脂棱镜，到达第二反射面S5，发生反射，形成第二反射光束。第二反射光束在所述光学树脂棱镜内传播，到达所述射出面S6，所述射出面对所述第二反射光束进行聚焦，形成出射光束。

图像传感器U4，优选为线阵图像传感器，用于采集经射出面S6射出的出射光束的图像；

折射率计算装置(未图示)，用于根据出射光束图像与折射率的对应关系计算待测液体的折射率。

本实用新型实施例的液体折射率测量装置，通过实现透射式测量方式，在气泡密集情况下，利用气泡间的待测溶液参与测量，从而达到避免气泡对测量的影响。同时，实现装置的小型化。

优选地，所述光源为激光光源。

优选地，所述第一表面S3与所述第二表面S4相对于所述光学树脂棱镜的中心对称。

优选地，所述第一反射面S2与所述第二反射面S5相对于所述光学树脂棱镜的中心对称。

优选地，所述第一反射面S2与所述第二反射面S5镀有反射膜，该反射膜优选为高反介质膜或者高反铝膜，以增强反射效果。

实施例2

如图3所示，本实用新型实施例2提供了一种液体折射率测量装置，在实施例1的基础上，本实施例进一步包括：

准直透镜U2，设置于光源U1与光学树脂棱镜U3之间，用于汇聚从光源U1发出的光束以入射到光学树脂棱镜U3中。并且该准直透镜的主轴与光源的中心重合。

进一步的，准直透镜U2由2个光学面组成，一个光学面为非球面镜；另一个光学面为鲍威尔棱镜(powerwell lens)。

实施例3

如图4所示，本实用新型实施例3提供了一种液体折射率测量装置，在实施例2的基础上，本实施例进一步的，包括入射面S1和射出面S6。入射面S1用于将入射光转化为一束线状平行光束；射出面S6用于将所述第二反射光束进行聚焦，使得第二反射光束到达线阵图像传感器的接收平面时，形成近似点状光斑。

进一步的，该入射面S1为柱面镜/复曲面透镜。

进一步的，该射出面S6为非球面镜/复曲面透镜。

优选地，该入射面S1和射出面S6与该光学树脂棱镜一体成型，更优选地，是采用光学级透明树脂材料；采用注塑工艺一体化成型的，从而保障光学部件的装配一致性。

如图5所示，激光光源U1发出的光束经准直透镜U2梳理后，形成一束带扩散角度的线状光束DD，该光束到达光学树脂棱镜U3的S1入射面S1 后，形成一束线状平行光束DE，该光束的长度5-8mm、宽度1-2mm。光束 DE在光学树脂棱镜内传播，并到达第一反射面S2，发生反射；到达与待测溶液接触的第一表面S3，并射出光学树脂棱镜U3，进入待测液体。由于待测液体的折射率与光学树脂棱镜U3的折射率不同，光束DE发生折射。根据折射定律n1sinθ1＝n2sinθ2，当待测液体的折射率较低时，光束DE通过折射形成光束L；当待测液体的折射率为中间值时，光束DE通过折射形成光束M；当待测液体的折射率较高时，光束DE通过折射形成光束H；折射后的光束仍然为一束线状平行光束，并再次通过光学树脂棱镜U3的第二表面S4进入光学树脂棱镜U3。光束L/M/H经第二反射表面反射后，到达光学树脂棱镜U3的射出面。光束L/M/H经射出面聚焦后，分别形成聚焦光束 L’/M’/H’，到达线阵图像传感器U4的接收表面，在该表面的不同位置形成近似点状光斑。

参照图7-9，根据本实用新型的实施例3，采用光线追踪软件模拟出的本装置测量不同折射率的待测液体时，聚焦光束L’/M’/H’在线阵图像传感器的图像。

图7为测量折射率为1.3330(去离子水)的线阵图像传感器U4的接收图像。

图8为测量折射率为1.4250液体的线阵图像传感器U4的接收图像。

图9为测量折射率为1.5400液体的线阵图像传感器U4的接收图像。

如图6所示，如果待测液体中有气泡，气泡会干扰到射入待测液体的光束L/M/H，是的部分光线发生偏转。但不会影响到气泡间的液体参与测量，还会有部分光束沿着原来的路径传播，并抵达线阵图像传感器。形成近似点状光斑，该近似点状光斑的位置没有发生变化，只是点状光斑的亮度会降低，如图10所示。这时，可以通过软件自动调节激光光源U1的亮度，以达到测量的效果。

综上所述，本实用新型各个实施例中，通过实现透射式测量方式，在气泡密集情况下，利用气泡间的待测溶液参与测量，从而达到避免气泡对测量的影响。同时，实现装置的小型化。

本领域内的技术人员应明白，本实用新型的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本实用新型可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本实用新型可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本实用新型是参照根据本实用新型实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。