专利名称：水下余弦集光器漫射片浸没因子测量装置的制作方法
技术领域：
本发明属于海洋光学测量仪器的检测装置。
余弦集光器是辐照度传感器的一个重要部件。水下辐照度传感器的余弦集光器包括防水玻璃和漫射片。防水玻璃可承受最大测量水深的压强；漫射片贴在防水玻璃的外边，直接与水接触。余弦集光器的作用是使光学传感器对不同倾角入射辐射的响应最大限度地符合余弦规律。空气中测量时，余弦集光器内外的介质均为空气。水中测量时，余弦集光器外部介质是水，而内部介质是空气。空气的折射率接近于1，水的折射率约为1.33，与空气相差30％以上。因此，余弦集光器在水中漫射透射率与在空气中的不同，称为浸没效应，其修正系数称为浸没因子。浸没效应主要来自漫射片。在实际应用时，所有辐照度传感器的定标和校准都在空气中进行，在水体中使用的辐照度传感器，在空气中定标校准后，必须加以浸没因子的修正，才能得到在水中测量的合理的结果。Tyler和Smith描述了一种测量水下辐照度余弦集光器浸没因子的装置(Tyler J.E.，Smith R.C.，1970，Measurement of Spectral Irradiance Underwater，Gordon & Breach SciencePublichers，New York，103pp.)。所用的测量装置是把安装有余弦集光器的辐照度传感器浸没在注有清水的箱体中，用一束平行光束照射余弦集光器表面进行测量，然后，改变从集光器表面到水面的距离，以得出当余弦集光器上面的水层趋于零时的响应，把它与该辐照度传感器置于空气中的响应相比较，其变化认为是由于水浸没余弦集光器的表面所引起，从而计算得出辐照度传感器的浸没因子。此后，英国Macam公司、Mueller和Austin基本上沿用Tyler和Smith描述的装置，但改进了入射光束的平行性，并在水箱的底部安装了去水开关，方便减少水箱中的水量，以改变余弦集光器上表面到水面的距离(Mickleton，CoDurham，UK，1995，Report on Immersion effect Calibration of NewcastleUniversity Macam Spectro-Radiometer，Macam分光辐射计技术资料；MuellerJ.L.，Roswell W.A.，1995，Ocean Optics Protocols for SeaWiFS Validation，Revision 1，Nasa Technical Memorandum 104566，Vol.25，P24-25.)。上述几种装置都只能测量垂直入射的或在垂直方向以一定张角入射光线的浸没因子，而且只能测量余弦集光器的整体效应，不能测量所用漫射片材料在水中的漫射透射率。
本发明的目的是提供一种测量装置，可以对不同入射方向的光线，准确地测量余弦集光器所用漫射片材料在水中的漫射透射特性，以便对所用漫射片性能进行评价和选择。同时也能方便地测量水下余弦集光器对不同入射方向光线(包括垂直入射光线)的浸没因子。
实现本发明目的的测量装置采用以下技术结构包括一个能盛装清水的箱体，箱体的上部设有能发出平行光束照射到箱体中的光学接收器的光源，箱体下部设有排水阀，所说的光学接收器为一个装有多光谱测量通道的积分球，该积分球安装在一水密外壳之中，积分球的进光窗口与设在水密外壳的上表面处的进光口重合，待测的漫射片装在水密外壳的进光口处，整个带积分球的水密外壳安装在一根可带动其转动的水平转动轴上，水平转动轴的中心线位于漫射片的上表面处，且在积分球的垂直对称面上通过。
上述所说的水平转动轴包括传动轴和连接轴，传动轴和连接轴的中心线在同一直线上，积分球的水密外壳安装在传动轴和连接轴之间，水平转动轴的两端安装在所说箱体的侧壁上，传动轴的一端延伸到箱体外，通过手柄机构可使轴带动水密外壳绕水平方向作180°转动。为达到良好的测量效果，需要调整好积分球在水密外壳中的位置，使积分球的垂直中心位于水密外壳的中心线上，以使其进光窗口与水密外壳的进光口重合。由于水平转动轴的中心线通过漫射片的表面和积分球的垂直对称面，这样，当积分球转动时，待测的漫射片的上表面始终在入射平行光束的照射范围内。
为便于装置有关部件的装配和调试，积分球的水密外壳两边装有支承轴套，分别与水平转动轴的传动轴和连接轴相连，为可拆卸结构。
进行测量工作时，将待测的漫射片材料安装在积分球的进光窗口处，用O型圈密封，成为水密外壳的一部分，将安装积分球的水密外壳浸没在装有清水的箱体中，通过手柄使水平转动轴转动，带动积分球转动不同的角度，实现平行光束与漫射面成一定的角度入射。开始时使箱体尽量充满水，积分球的水密外壳浸没在水体中，离水面有一段距离。然后在测量时逐步把水放走，以实现漫射片上表面到水面的距离可以改变的目的，并在不同距离处转动手柄，在不同的倾角处测量读数，以取得有用的测量数据。在漫射片上表面露出水面后，在漫射片干燥前和干燥后分别对不同倾角测量读数。
为能随时准确地检测水体内光场的状况，还可以在箱体内安装光学传感器，一般安装两个互相垂直的光学传感器，并可改变其水平位置和深度。
为保证箱体能保持在水平位置，以使水平转动轴与水面平行，可在箱体的底部设置水平调节机构。
本发明把具有更高准确度的积分球测量透射率技术引入到水下光学部件的测量领域，可以更准确地测量所用漫射片的透射性能和浸没效应。并且设计了积分球可绕水平轴转动的机构，以测量不同倾角入射的漫射透射率和浸没因子。由于本发明还设计了使光学接收和测量部件可拆换的结构，因而利用本测量装置，既可以装上积分球进行漫射片性能测试，也可以对实际用的辐照度传感器的余弦集光性进行检测。总之，本发明可以显著提高测量水下辐照度传感器所用余弦集光器及其材料性能的精度，技术先进，功能多样，使用灵活，是一种新颖的实用装置。
以下为本发明的图面说明
图1为本测量装置的结构剖视图；图2为图1的B-B向剖视图；图3为图1的A部放大剖面图；图4为本测量装置的光学接收和测量部件的结构剖视图。
以下根据附图对本发明实施方式的结构细节作进一步详细描述如图1、图2所示，本测量装置包括可注装清水的箱体25，箱体的上部装有可发出平行光束的光源，箱体底部设有排水阀26，经该排水阀可把箱体25中的水排出箱外，使箱体的水位发生变化，箱体中设有标尺13，以指示水位变化的情况。在箱体中有一根由传动轴5和连接轴27构成的水平转动轴，传动轴5和连接轴27安装在箱体的壁上，分别和积分球的水密外壳6的两个支承轴套40连结，且用圆锥销39定位，为可拆卸替换的结构(如图4所示)。传动轴5和连接轴27的中心线是在同一直线上，位于漫射片46的上表面，与水平面平行，且通过积分球32的垂直对称面。传动轴5的一端延伸出箱体25壁外，通过转动手柄机构4可使传动轴5转动，转动的角度由刻度盘24显示，其具体结构见图3(图1的A向放大剖面图)。图中，22是动密封的O型圈，防止箱内的水向外渗漏，23是刻度盘座，19是锁紧圆螺母，20是平键，21是锁紧螺钉，把传动轴5固定在所需的转动角度处，以便进行测量。
发出平行光束的光源是平行光管11。平行光管11套装在平行光管座9上，平行光管应定位好，使积分球的水密外壳处于水平位置时，平行光束能充满水密外壳6的进光口处。平行光管有两个调节螺钉10可微调平行光管的水平位置并加以固定。调节螺钉12可调整平行光管的倾角，使平行光束垂直于水平面。调节后，用平行光管锁紧螺钉8固定在安装架7上。安装架7和箱体25之间的距离为3-50cm，一方面使平行光束的截面充满积分球的水密外壳的进光口，另一方面供调整平行光管时观察光斑位置用。
箱体25的三个脚座分别压在三个水平调整机构1上，每个水平调整机构1由两块斜面调整块组成，用以调整箱体25的水平面。
在箱体内还有光学传感器18，它由两个互相垂直的光电元件安装在一个曲型水密个壳内组成。光电元件的前面是水密玻璃，可以接收箱体25中水体的光辐射，用以监测水体的空间光场。光学传感器18通过升降摇臂14、滑轮15和垂直滑动导轨16，可以在水体中上下移动，又可以沿水平移动杆17沿箱体径向方向移动。这套监测水体光场系统可以评估水体光场对测量结果的影响。
积分球32在水密外壳6内安装结构如图4所示。积分球32外壳通过沉头螺钉34连接在连接板36上，连接板36通过两个定位销35和两个螺钉37固定在固定板38上，固定板38及其支柱则焊接在水密外壳侧板28的内壁上。积分球垂直中心线的下端有一定位凹穴，安装时把该凹穴定在调节螺母31上部的圆形头上，调节螺母31的调节螺杆30焊接在水密外壳6的底板29上，使积分球32的垂直中心准确定位在水密外壳6的中心线上，其进光窗口与水密外壳6的进光口重合。然后，调整横向调节螺母53(有3个)，把积分球32定位锁紧。横向调节螺母53的调节螺杆54焊接在水密外壳6的内壁上。
积分球32的壁上装有多个镜筒状光学接收器50，每个光学接收器50由不同光谱段的干涉滤光片52和光电元件51组成，用压板49压紧在镜筒50内。各个光学接收器的电讯号线汇集在一起，经电缆55通过水密槽56和箱体25的水密出口孔3引到箱体外面的测量设备58处。水密槽56用密封胶57密封。水密出口孔3用密封胶2密封。
水密外壳6的上盖44通过螺钉41与水密外壳6的法兰盘43相连，并有密封胶垫42实现水密。上盖44的中央有凸台47，开一个直径为D的圆孔，形成进光口，D的大小与待测漫射片46以及入射平行光束的直径相配。漫射片46放置在凸台47内壁的凸缘处，拧紧螺纹盖48并通过O型圈45实现水密封。
使用本测量装置测量漫射片的浸没因子时，将待测漫射片46装在水密外壳6的上盖进光口处，然后向箱体内注水，即可进行测量，在测量时逐步把水放走，以改变漫射片上表面到水面的距离，并在不同距离处转动手柄机构4，在不同的倾角处测量读数。
因带积分球32的水密外壳6与水平转动轴之间为可拆卸替换的结构，还可把带有积分球32的水密外壳6整套从水平转动轴上卸下，换上与实际使用的辐照度传感器相同的装置进行测量。
权利要求
1.一种水下辐照度余弦集光器漫射片材料性能测量装置，包括一个能盛装清水的箱体(25)，箱体的上部设有能发出平行光束照射到箱体中的光学接收器的光源，箱体下部设有排水阀，其特征在于所说的光学接收器为一个装有多光谱测量通道的积分球(32)，该积分球安装在一水密外壳(6)之中，积分球的进光窗口与设在水密外壳的上表面处的进光口重合，待测的漫射片(46)装在水密外壳的进光口处，整个带积分球的水密外壳安装在一根可带动其转动的水平转动轴上，该水平转动轴的中心线位于漫射片的上表面处，且在积分球的垂直对称面上通过。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所说的水平转动轴包括传动轴(5)和连接轴(27)，传动轴和连接轴的中心线在同一直线上，积分球的水密外壳(6)安装在传动轴和连接轴之间，水平转动轴的两端安装在所说箱体的侧壁上，传动轴(5)的一端延伸到箱体外，通过手柄机构(4)可使轴带动水密外壳绕水平方向作180°转动。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于所说的积分球的水密外壳(6)两边装有支承轴套(40)，分别与水平转动轴的传动轴(5)和连接轴(27)相连，为可拆卸结构。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所说的箱体(25)内安装有可调节深度和水平距离的光学传感器(18)。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所说的箱体(25)的底部装有水平调整机构。
全文摘要
一种水下余弦集光器漫射片浸没因子测量装置,本发明设计了一种带积分球的测量装置,把带积分球的水密外壳安装在一个可注装清水的箱体中,积分球可绕水平转动轴转动,积分球上装有分立多光谱通道,将待测的漫射片安装在进光窗口处,从而可以测量光辐射在不同入射角时的余弦集光器漫射片材料的浸没效应等光学性能。本发明还可以用与实际水下辐照度传感器同样的接收器替换积分球进行测量,具有技术先进性和灵活性。
文档编号G01N21/00GK1271855SQ99116158
公开日2000年11月1日 申请日期1999年4月27日 优先权日1999年4月27日
发明者钟其英, 曹文熙, 邓崇仁, 吴廷芳, 陈维钧, 卢桂新 申请人:中国科学院南海海洋研究所