一种液体折射率测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明实施例公开了一种液体折射率测量系统，包括：光源；棱镜，包括入射面、与待测量液体接触的第一表面、第二表面和出射面，所述光源发出的光束经所述入射面入射到所述棱镜内以形成入射光束，所述入射光束在所述棱镜内传播且在所述第一表面上至少部分全反射以形成第一反射光束，所述第一反射光束在所述棱镜内传播且在所述第二表面上反射以形成第二反射光束，所述第二反射光束经所述出射面出射；光通量测量计，用于测量所述第二反射光束的光通量；折射率计算装置，用于根据光通量与折射率的对应关系计算待测液体的折射率。由此降低了液体折射率测量系统的成本。
【专利说明】
_种液体折射率测量系统
技术领域
[0001 ]本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种液体折射率测量系统。
【背景技术】
[0002]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(如热光系数)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。
[0003]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Ul、棱镜U3、图像传感器U2，工作时，从光源Ul发出的光束穿过透镜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2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的变化会导致发生全反射的临界角的变化，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。
[0004]但是，明暗分界线的位置检测需要使用CCD或CMOS图像测量装置，成本较高。
【发明内容】
[0005]因此，本发明要解决的技术问题在于现有的液体折射率测量系统需要使用CCD或CMOS图像测量装置检测明暗分界线的位置，从而使得测量系统成本高。
[0006]为此，本发明实施例提供了一种液体折射率测量系统，包括:光源;棱镜，包括入射面、与待测量液体接触的第一表面、第二表面和出射面，所述光源发出的光束经所述入射面入射到所述棱镜内以形成入射光束，所述入射光束在所述棱镜内传播且在所述第一表面上至少部分全反射以形成第一反射光束，所述第一反射光束在所述棱镜内传播且在所述第二表面上反射以形成第二反射光束，所述第二反射光束经所述出射面出射;光通量测量计，用于测量所述第二反射光束的光通量;折射率计算装置，用于根据光通量与折射率的对应关系计算待测液体的折射率。
[0007]优选地，所述光源是聚光源。
[0008]优选地，所述光源和所述光通量测量计在在所述棱镜的同一侧。
[0009]优选地，所述第一表面与所述第二表面垂直。
[0010]优选地，所述液体折射率测量系统还包括:第一聚光透镜，位于所述光源与所述棱镜之间，用于汇聚从所述光源发出的光束以入射到所述棱镜中，并且所述第一聚光透镜的主轴穿过所述第一表面的中心，所述第一聚光透镜的中心到所述第一表面的中心的距离和所述第一表面的中心到所述第二表面的中心的距离之和等于所述第一聚光透镜的焦距;第二聚光透镜，位于所述光通量测量计与所述棱镜之间，用于汇聚从所述棱镜出射的光束，并且所述第二聚光透镜的主轴穿过所述第二表面的中心;所述第一聚光透镜和所述第二聚光透镜被设置为使得从所述光源的同一发光点发出的发散光经所述第二聚光透镜出射后成为平行光。
[0011]优选地，所述第一聚光透镜和/或所述第二聚光透镜与所述棱镜一体成型。
[0012]优选地，所述光源发出的光束的发散角为20-35度;所述入射光束的发散角是13-20度;所述入射光在所述第一平面上的入射角是41-68度;所述棱镜的折射率是1.56-1.70。
[0013]优选地，所述液体折射率测量系统还包括:光阑，位于所述第二聚光透镜与所述光通量测量计之间，用于滤除杂光。
[0014]本发明实施例的液体折射率测量系统，通过利用在棱镜和待测液体的接触面上反射的光束的光通量和该待测液体的折射率的对应关系，来计算该待测液体的折射率，使得只需要成本低廉的光通量测量计就可以测量液体的折射率，从而降低了液体折射率测量系统的成本。
【附图说明】
[0015]为了更清楚地说明本发明【具体实施方式】或现有技术中的技术方案，下面将对【具体实施方式】或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1为现有的一种液体折射率测量装置的结构示意图；
[0017]图2为本发明实施例1的液体折射率测量系统的结构示意图；
[0018]图3为本发明实施例2的液体折射率测量系统的结构示意图；
[0019]图4为本发明实施例3的液体折射率测量系统的结构示意图；
[0020]图5为本发明实施例3的液体折射率测量系统的光路示意图；
[0021 ]图6为本发明实施例的液体折射率测量系统的俯视图；
[0022]图7为本发明实施例的液体折射率测量系统的剖视图；
[0023]图8为本发明实施例的液体折射率测量系统的应用场景示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0025]在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0026]此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0027]实施例1
[0028]如图2所示，本发明实施例1提供了一种液体折射率测量系统，包括:
[0029]光源Ul，优选为聚光源(Spot Light)，如聚光型LED光源，用于限制入射光束的入射角度；
[0030]棱镜U3，包括入射面、与待测量液体对妾触的第一表面S2、第二表面S3和出射面，该光源发出的光束经该入射面入射到该棱镜内以形成入射光束，该入射光束在该棱镜内传播且在该第一表面上至少部分全反射以形成第一反射光束，该第一反射光束在该棱镜内传播且在第二表面上反射以形成第二反射光束，第二反射光束经出射面出射;其中，该第二表面优选镀有反射膜，该反射膜优选为高反介质膜或者铝膜，以增强反射效果；
[0031]光通量测量计U2，用于测量经该出射面出射的该第二反射光束的光通量；
[0032]折射率计算装置(未图示)，用于根据光通量与折射率的对应关系计算待测液体的折射率。
[0033]本发明实施例的液体折射率测量系统，通过利用在棱镜和待测液体的接触面上反射的光束的光通量和该待测液体的折射率的对应关系，来计算该待测液体的折射率，使得只需要成本低廉的光通量测量计就可以测量液体的折射率，从而降低了液体折射率测量系统的成本。
[0034]优选地，光源Ul和光通量测量计U2在在棱镜U3的同一侧，由此有助于减小装置体积。
[0035]优选地，第一表面S2与第二表面S3垂直。
[0036]优选地，该光通量测量计U2基于硅光电池。
[0037]实施例2
[0038]如图3所示，在实施例1的基础上，本实施例进一步包括:
[0039]第一聚光透镜SI，位于光源Ul与棱镜U3之间，用于汇聚从光源Ul发出的光束以入射到棱镜U3中，并且该第一聚光透镜的主轴穿过该第一表面S2的中心O，该第一聚光透镜的中心m到该第一表面的中心O的距离和该第一表面的中心O到该第二表面的中心η’的距离之和等于该第一聚光透镜的焦距fsl(即图3中m到η的距离)，由此将光源Ul的完整像投射到该第二表面上;第二聚光透镜S4，位于光通量测量计U2与棱镜U3之间，用于汇聚从棱镜出射的光束，并且该第二聚光透镜的主轴穿过该第二表面的中心η’；由此，光通量测量计U2上的感光点U，V和Ζ，分别接收来自光源Ul的不同发光点Α、Β和C的光线，有助于光通量测量计U2接收到的光束的均勾化。优选地，该第一聚光透镜和/或该第二聚光透镜与该棱镜一体成型，更优选地，是采用光学级树脂注塑工艺一体化成型的，从而保障光学部件的装配一致性。
[0040]进一步的，该第一聚光透镜和该第二聚光透镜设置为，从该光源的同一发光点发出的发散光经该第二聚光透镜出射后成为平行光。如图5所示，从光源Ul的发光点A发出的发散光al，a2和a3，在依次经过第一聚光透镜S1、棱镜U3和第二聚光透镜S4后变为平行光al，a2和a3，同样的，从光源Ul的发光点B发出的发散光bl，b2和b3也变成平行光bl，b2和b3，从光源Ul的发光点C发出的发散光cl，c2和c3也变成平行光cl，c2和c3。由此，通过将光源上任意点发出的光均匀地照射在光通量测量计的感光表面上，实现了光通量测量计U2接收到的光束的均匀化，即，光通量测量计U2接收到的光束是整体变亮或变暗的，如图3所示，当被测溶液折射率小时，光通量测量计U2接收的光束较亮，光通量较大，当被测溶液折射率大时，光通量测量计U2接收的光束较暗，光通量较小。
[0041]优选地，该第二聚光透镜S4的中心线(Π)与第一聚光透镜SI的中心线(I)平行;光通量测量计U2的中心在该S4的中心线(Π )上。该第一聚光透镜SI的中心线(I)与S2面的夹角为锐角，光源Ul的中心在该SI面的中心线(I)上。
[0042]优选地，为了使系统的折射率测量范围到1.32-1.52，设置光源发出的光束发散角为20-35度;第一聚光透镜的中心线与(I)与第一表面S2的夹角a为50-65度;入射光束的发散角是13-20度;入射光在第一平面上的入射角是41-68度;棱镜的折射率是1.56-1.70。
[0043]优选地，该第一聚光透镜是球面镜，更优选的是非球面镜，以修正入射光束的入射角范围。优选地，非球面镜的曲率半径中心最小，边缘最大，且变化为连续、平滑、单调的。
[0044]优选地，该第二聚光透镜优选是球面镜，更优选的是非球面镜，以调整入射到光通量测量计U2上的光束的入射角度。
[0045]实施例3
[0046]如图4所示，在实施例2的基础上，本实施例进一步包括光阑U4，位于第二聚光透镜S4与光通量测量计U2之间，用于滤除杂光，提高测量精度。
[0047]下面参照图6-8进一步说明根据本发明的实施例的液体折射率测量装置，图6-8中示出的液体折射率测量装置只是示例，并不意在对本发明进行任何限制。
[0048]如图6-8所示的液体折射率测量装置为长条型，包括上壳体11和下壳体19。
[0049]该上壳体用于光学模块和处理电路的封装，其上表面由左至右依次设置有测量池10，用于容纳待测量液体;液晶显示屏12，用于显示待测液体的折射率或与折射率对应的浓度值;刻度转换按键13，用于切换待测液体的各种测量结果(折射率或与折射率对应的浓度值)；校准按键14，用于进行零点校准;测量按键15，用于启动测量。
[0050]该下壳体19与上壳体11共同形成封闭的壳体，优选地，下壳体与上壳体通过超声波焊接连接，并达到防水要求。
[0051]在壳体内，在测量池底部设置有光学模块，该光学模块包括设置在传感器电路板20上的LED光源Ul、光电池U2和测温传感器17，以及光学系统固定本体16内的树脂棱镜U3，其中，由于液体的折射率会随温度而变化，因此设置该测温传感器以测量液体的温度。在壳体的另一侧，在液晶显不屏下设置有主电路板18。
[0052]在使用时，如图8所示，将该液体折射率测量装置的测量池一侧浸入待测液体中，使得待测液体充满测量池，另一侧在待测液体之上，露出液晶显示屏。也可以根据实际需要，设置该液体折射率测量装置为整体防水，在整体浸入待测液体时也可以进行测量。
[0053]显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
【主权项】
1.一种液体折射率测量系统，其特征在于，包括: 光源； 棱镜，包括入射面、与待测量液体接触的第一表面、第二表面和出射面，所述光源发出的光束经所述入射面入射到所述棱镜内以形成入射光束，所述入射光束在所述棱镜内传播且在所述第一表面上至少部分全反射以形成第一反射光束，所述第一反射光束在所述棱镜内传播且在所述第二表面上反射以形成第二反射光束，所述第二反射光束经所述出射面出射； 光通量测量计，用于测量所述第二反射光束的光通量； 折射率计算装置，用于根据光通量与折射率的对应关系计算待测液体的折射率。2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述光源是聚光源。3.根据权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于，所述光源和所述光通量测量计在在所述棱镜的同一侧。4.根据权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于，所述第一表面与所述第二表面垂直。5.根据权利要求1-4中任一项所述的测量系统，其特征在于，还包括: 第一聚光透镜，位于所述光源与所述棱镜之间，用于汇聚从所述光源发出的光束以入射到所述棱镜中，并且所述第一聚光透镜的主轴穿过所述第一表面的中心，所述第一聚光透镜的中心到所述第一表面的中心的距离和所述第一表面的中心到所述第二表面的中心的距离之和等于所述第一聚光透镜的焦距； 第二聚光透镜，位于所述光通量测量计与所述棱镜之间，用于汇聚从所述棱镜出射的光束，并且所述第二聚光透镜的主轴穿过所述第二表面的中心； 所述第一聚光透镜和所述第二聚光透镜被设置为使得从所述光源的同一发光点发出的发散光经所述第二聚光透镜出射后成为平行光。6.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述第一聚光透镜和/或所述第二聚光透镜与所述棱镜一体成型。7.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述光源发出的光束的发散角为20-35度;所述入射光束的发散角是13-20度;所述入射光在所述第一平面上的入射角是41-68度;所述棱镜的折射率是1.56-1.70。8.根据权利要求5-7中任一项所述的测量系统，其特征在于，还包括:光阑，位于所述第二聚光透镜与所述光通量测量计之间，用于滤除杂光。
【文档编号】G01N21/41GK105954232SQ201610356677
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】马玉峰
【申请人】北京领航力嘉机电有限公司