一种测量玻璃微珠折射率的装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测量玻璃微珠折射率的装置及方法，属于测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 玻璃微珠广泛应用于公路、铁路、港口、海洋运输、矿山、坑道、消防、城建等领域内 作为各种标志、警示牌、车辆牌照、救生用品等；随着我国公路建设的快速发展，与道路逆反 射材料配合使用的玻璃微珠的用量迅速增加。在广告标识、反光膜、反光油墨、反光标线、反 光布、反光革、反光织带、反光安全性丝织物等交通安全产品和设施中正发挥着越来越重要 的作用。
[0003] 玻璃微珠是一种硅酸盐材料，具有良好的化学稳定性、机械强度和电绝缘性，其 独特的特性是对光具有回归反射特性。利用玻璃微珠回归反射特性的材料广泛应用于 道路交通、广告标识中，玻璃微珠有实心、空心、多孔玻璃微珠之分，实心微珠的直径多为 0.8_-5_，通过其对光线的回归反射特性，保证了逆反射材料类交通安全产品和设施的可 见性，从而起到了保护道路使用者安全的作用；玻璃微珠的折射率将直接影响到反光设施 的回归反射性能，是玻璃微珠的重要参数。
[0004] 道路逆反射材料使用的玻璃微珠有折射率低于1. 7的低折射率玻璃微珠和折射 率不小于1. 9的高折射率玻璃微珠。低折射率的玻璃微珠主要应用在逆反射特性要求相对 不高的材料，如反光标线，而高折射率玻璃微珠则应用在要求具有高的回归反射特性的材 料上，如反光膜中。两类玻璃微珠的制造工艺已经趋于成熟，市场上可购买到不同折射率的 玻璃微珠，国内许多玻璃微珠厂生产的玻璃微珠性能非常优越，而且远销国外，在保证道路 逆反射材料的可视性中发挥着重要的作用。
[0005] 道路逆反射材料玻璃微珠测试技术中最为关键的项目是折射率的测试。玻璃材料 折射率的直接精确测量，大都是基于棱镜的最小偏转角法或全反射临界角法进行的，被测 样品必须制成一定大小的精密棱镜才能进行测量。对于不便于制作成精密棱镜的颗粒材 料，浸液法是最为常用的折射率测量方法，但由于油浸法对于高折射率匹配的液体都有毒 性，给测量带来很大不便。通过制作棱镜的方法测量折射率既费时又不能直接反应实际情 况，由于成珠环境条件不同，实际微珠的折射率往往与用同样材料溶成块料的折射率有差 异。
[0006] 专利CN2581980Y公开了一种激光照明玻璃微珠折射率测量的装置，该装置主要 由He-Ne激光器、正透镜、载玻片及接收屏等组成，依据玻璃微珠在平行光照明下所产生的 彩虹现象来进行折射率的测量。该装置的主要特征是采用平行激光使用长焦距正透镜使激 光汇聚后直接照射到吸附在载玻片上的单个玻璃微珠整体上，并利用三维可调节支架支 撑长焦距正透镜和载玻片获取玻璃微珠被照明的最佳位置。该测量装置存在的主要缺陷 是：（1)由于玻璃微珠通过吸附作用吸附于载玻片上，支撑载玻片的三维可调节支架在调 节过程中容易造成玻璃微珠脱落，不能进行连续多次测量，以实现统计分析；（2)激光与玻 璃微珠的对准通过三维可调节支架分别调整长焦距正透镜和载玻片来实现，调整误差增加 了测量误差；（3)无法保存形成的彩虹环和相关参数，不能实现测量数据的统计分析。
[0007] 专利CN102175646B公开了一种测量高折射率玻璃微珠折射率的装置及方法，该 装置主要由激光器、透镜、光阑、X、Y平移结构、载玻片、玻璃微珠、接收屏、摄像头、升降旋 钮、读数器、采集卡等组成，依据激光照射在高折射率玻璃微珠上产生二次彩虹图像来进行 折射率的测量。该装置主要特征是测量玻璃微珠到接收屏之间的距离，采集并计算所述二 次彩虹图像半径，从而计算出待测玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角，结合该最小偏向角和 玻璃微珠的内反射次数来确定玻璃微珠的折射率。该测量装置的主要缺陷是：（1)只能测 量高折射率玻璃微珠；（2)摄像头的位置调节不精确，不利于光线共轴的调节。
【发明内容】
[0008] 鉴于上述问题，本发明提供了一种测量玻璃微珠折射率的装置与方法。所述装置 克服了现有技术测量玻璃微珠折射率的缺陷，利用低折射率玻璃微珠在激光照明下产生的 一次彩虹现象及高折射率玻璃微珠在激光照明下产生的二次彩虹现象，测出多个玻璃微珠 的最小偏向角后，根据相关计算公式统计得出被测玻璃微珠的折射率。
[0009] 为实现本发明的目的，本发明提供了一种测量玻璃微珠折射率的装置，主要包括： 激光器1、第一反射镜2、正透镜3、第二反射镜4、光阑5、第三反射镜6、带孔反射镜7、玻璃 微珠8、载玻片9、接收屏10、吸光装置11、五维调节装置12、摄像头13、升降旋钮14、读数器 15、 弹簧锁定装置16、X、Y平移结构17、旋转轴18、支撑架19、可调旋钮20、采集卡21、反射 镜调节装置22。测高折射率玻璃微珠时，所述的摄像头13安装在五维调节装置12上，五维 调节装置12安装在升降装置上，摄像头13的下方安装所述接收屏10,读数器15安装在升 降装置的移动台上，用于读取玻璃微珠8到接收屏10之间的接收距离，在接收屏10的下方 有用于放置载玻片9的载物台，载物台安装在X、Y平移结构17的移动平台上，激光器1出 射的激光经第一反射镜2、正透镜3、第二反射镜4、光阑5、第三反射镜6和带孔反射镜7从 载物台的下方垂直向上透射载物台上载玻片9,利用X、Y平移结构17调节载玻片9,使激光 光束照射到玻璃微珠8上，在接收屏10上接收二次彩虹图像，测量该二次彩虹图像的最外 环半径和玻璃微珠8到接收屏10之间的接收距离，通过接收距离和最外环半径计算最小偏 向角，根据最小偏向角反演计算所述高折射率玻璃微珠的折射率；测量低折射率玻璃微 珠时，打开弹簧锁定装置16,调节旋转轴18及支撑架19上的可调旋钮20,使摄像头13和 接收屏10所在系统旋转90°，通过支撑架19固定，激光器1发出激光，被第一反射镜2反 射经过正透镜3,透射光经第二反射镜4反射，通过光阑5的光束再经第三反射镜6反射， 光束垂直向上通过带孔反射镜7后透射载物台上载玻片9,利用X、Y平移结构17调节载玻 片9,使激光光束照射到玻璃微珠8上，从而在与光轴呈45°放置的带孔反射镜7上观察到 一次彩虹图像，经带孔反射镜7反射后在接收屏10上接收一次彩虹图像，摄像头13采集图 像，测量该一次彩虹图像的最外环半径和玻璃微珠8到接收屏10之间的接收距离，通过接 收距离和最外环半径计算最小偏向角，根据最小偏向角反演计算所述低折射率玻璃微珠的 折射率。在载玻片9上一次放置有多个玻璃微珠8,在测试完一个玻璃微珠8后，通过调节 X、Y平移结构17,如果涉及高低不同折射率玻璃微珠测量转换时，需要调节弹簧锁定装置 16、 升降旋钮14、旋转轴18以及可调旋钮20,继续下一个玻璃微珠8的测量，直到完成对多 个玻璃微珠8的测量，然后统计分析所述多个玻璃微珠8的测量结果；所述多个玻璃微珠指 每种型号玻璃微珠的实验测量数目大于200个。
[0010] 所述弹簧锁定装置16,当测量高折射率玻璃微珠时，弹簧锁定装置16锁定，当测 量低折射率玻璃微珠时，弹簧锁定装置16解开，可以通过调节旋转轴18及支撑架19上的 可调旋钮20,使摄像头13和接收屏10所在系统旋转90°，通过带孔反射镜7实现将竖直 方向的一次彩虹图像旋转到水平方向进行测量。
[0011] 所述升降装置包括升降台，旋转臂，所述旋转臂连接有所述升降台，在所述升降台 上安装有所述摄像头13 ;所述升降装置还包括升降旋钮14,通过调节该升降旋钮14调节升 降台的高度；在所述升降台的下部安装所述接收屏10 ;所述X、Y平移结构17包括螺旋结构 或者齿轮齿条结构。
[0012] 通过采集卡21和摄像头13采集接收屏10上的彩虹图像，将采集的图像保存到计 算机后进行分析处理。
[0013] 本发明还提供一种测量玻璃微珠折射率的方法，其特征如下： 激光器1的出射光经第一反射镜2、正透镜3、第二反射镜4、光阑5、第三反射镜6、带孔 反射镜7从载物台的下方垂直向上透射载物台上的载玻片9,利用X、Y平移结构17调节载 玻片9,使激光光束照射到玻璃微珠8上，在接收屏10上接收彩虹图像，测量该彩虹图像的 最外环半径R及玻璃微珠到接收屏之间的接收距离L，从而计算出待测玻璃微珠的最小偏 向角，