一種自校準(zhǔn)的折光計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于測量與光電儀器領(lǐng)域，更具體地，涉及一種光電折光計(jì)，用于液體的多種參數(shù)測量。
【背景技術(shù)】
[0002]液體的密度、折射率、濃度等相關(guān)參數(shù)是液體性能的重要指標(biāo)。這些參數(shù)之間存在著相關(guān)性，可以相互進(jìn)行換算，這類參數(shù)的測量裝置被廣泛的用于國民經(jīng)濟(jì)與國防等各個領(lǐng)域。液體折射率是一個重要的物理參量，目前比較普遍的測量液體折射率的方法有兩類，一種是幾何光學(xué)的方法，另一種是波動光學(xué)的方法。
[0003]波動光學(xué)的方法主要利用了介質(zhì)對透射光相位的影響來測定物體的折射率。比較有代表性的測量方法有最小偏向角法、掠入射法、布儒斯特角法，干涉法等，其中干涉法又包括邁克爾遜干涉儀法、F-P干涉儀法、牛頓環(huán)法等。但是這些方法多數(shù)要求對待測物體進(jìn)行復(fù)雜的形狀加工，或需要已知折射率的標(biāo)準(zhǔn)樣品，或?qū)⒋郎y液體密封裝載在特制容器中才能進(jìn)行。其光路往往較為復(fù)雜，操作也繁瑣復(fù)雜。該方法尤其對測量環(huán)境和測量對象有著苛刻的要求，通用性和可靠性也不高，并不能滿足在工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中現(xiàn)場實(shí)時測量的需求。
[0004]幾何光學(xué)的方法是以折射反射定律為理論依據(jù)，通過精確測量光線在通過材料時的偏折角度，來確定材料的折射率，這種方法比較方便而且準(zhǔn)確度較高。在授權(quán)公告號為CN102012359B的中國專利中，公開了一種用臨界角法來測量液體折射率的傳感器。但是此種折光計(jì)在使用過程中，由于儀器中自身結(jié)構(gòu)、環(huán)境參數(shù)等緩慢變化將導(dǎo)致測量出現(xiàn)較大誤差，該誤差屬于系統(tǒng)誤差，常常稱為儀器的“零點(diǎn)漂移”。測量曲線反應(yīng)了儀器輸出值I與輸入值X的關(guān)系，輸出值和輸入值具有線性關(guān)系，該折光計(jì)的輸出值y可表示為y = Sx+y0,S為系統(tǒng)靈敏度，ytl為系統(tǒng)處于“零點(diǎn)”(X = O)的輸出值。儀器制造生產(chǎn)中，在零件裝配并初步調(diào)校后，為了實(shí)現(xiàn)對待測對象的測量還必須對儀器進(jìn)行標(biāo)定，從而獲得標(biāo)定曲線，有了標(biāo)定曲線后，通過與標(biāo)定曲線進(jìn)行比對才能實(shí)現(xiàn)測量。
[0005]普通折光計(jì)出現(xiàn)“零點(diǎn)漂移”現(xiàn)象時，只能在測量后發(fā)現(xiàn)了測量結(jié)果較大誤差后，再進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后，才可進(jìn)行再次測量，以確保測量的精確度。這種方式存在發(fā)現(xiàn)不及時，且需要多次校準(zhǔn)的缺點(diǎn)，還嚴(yán)重影響了測量效率。另一種校準(zhǔn)方法是定期維護(hù)時對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，消除儀器的零點(diǎn)漂移。這兩種校準(zhǔn)方法都存在過程繁瑣、校準(zhǔn)不及時，從而導(dǎo)致測量誤差以及嚴(yán)重影響測量效率的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種自校準(zhǔn)的折光計(jì)，其目的在于巧妙地在光路系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一種可以對自身進(jìn)行自校準(zhǔn)的裝置，由此解決普通折光計(jì)儀器在使用過程中由于儀器中自身結(jié)構(gòu)、環(huán)境參數(shù)等緩慢變化而產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移的技術(shù)問題，使得測量更準(zhǔn)確。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種自校準(zhǔn)的折光計(jì)，其特征在于，包括:
[0008]光源照明系統(tǒng)，用于產(chǎn)生發(fā)散光束；
[0009]光學(xué)傳感頭，其包括校準(zhǔn)玻璃平板和棱鏡，所述校準(zhǔn)玻璃平板貼合在所述棱鏡的底面，且所述校準(zhǔn)玻璃平板至少有一個棱邊位于所述棱鏡的底面內(nèi)，以用于工作時使所述發(fā)散光束入射進(jìn)入棱鏡而形成的橢圓光斑能被該棱邊分成位于所述校準(zhǔn)玻璃平板上的第一部分光束和位于所述校準(zhǔn)玻璃平板外的第二部分光束，所述第一部分光束和第二部分光束中均有部分光線發(fā)生全反射并部分光線發(fā)生折射，所述第一部分光束用于進(jìn)行自校準(zhǔn)，所述第二部分光束用于測量待測液體的參數(shù)；
[0010]反射光能量收集系統(tǒng)，用于將均從棱鏡射出的所述第一部分光束對應(yīng)的第一光信號和第二部分光束對應(yīng)的第二光信號分別轉(zhuǎn)換為第一圖像信號和第二圖像信號，并輸出；和
[0011]圖像采集分析系統(tǒng)，用于接收所述第一圖像信號和第二圖像信號，并將所述第一圖像信號和第二圖像信號進(jìn)行處理和比對分析，以實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)和對待測液體參數(shù)的準(zhǔn)確測量。
[0012]進(jìn)一步的，所述校準(zhǔn)玻璃平板為矩形體，所述棱鏡為等腰棱鏡。
[0013]進(jìn)一步的，所述呈矩形體的校準(zhǔn)玻璃平板的長度大于所述橢圓光斑的長軸，且該校準(zhǔn)玻璃平板的寬度小于所述橢圓光斑的短軸。
[0014]進(jìn)一步的，所述呈矩形體的校準(zhǔn)玻璃平板的寬度等于橢圓光斑短軸的一半。
[0015]進(jìn)一步的，所述呈矩形體的校準(zhǔn)玻璃平板的長度與所述棱鏡的底面的長度相同，且校準(zhǔn)玻璃平板的寬度小于所述棱鏡的底面的寬度。
[0016]進(jìn)一步的，所述校準(zhǔn)玻璃平板的寬度為所述棱鏡的底面寬度的一半。
[0017]進(jìn)一步的，所述成矩形體的校準(zhǔn)玻璃平板正好貼合在所述棱鏡底面的兩個矩形中的一個上，所述兩個矩形是指該棱鏡底面被沿長度方向的中線分成的面積和形狀相同的矩形。
[0018]進(jìn)一步的，校準(zhǔn)玻璃平板與待測液體相接觸的一面涂覆有吸光涂層，所述吸光涂層為黑色吸光材料。
[0019]進(jìn)一步的，所述反射光能量收集系統(tǒng)包括輸出耦合光學(xué)系統(tǒng)和面陣器件，所述第一光信號和所述第二光信號通過所述輸出耦合光學(xué)系統(tǒng)照射在面陣器件的感光面上，以將第一光信號和第二光信號轉(zhuǎn)換為第一圖像信號和第二圖像信號。
[0020]進(jìn)一步的，所述光源照明系統(tǒng)包括光源和輸入耦合光學(xué)系統(tǒng)，該光源出射的光束通過該輸入親合光學(xué)系統(tǒng)后形成小光點(diǎn)的發(fā)散光束。
[0021]本折光計(jì)的光源照明系統(tǒng)利用光源和輸入耦合光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生發(fā)散光束，通過棱鏡與校準(zhǔn)玻璃平板組成的光學(xué)傳感頭，在棱鏡、校準(zhǔn)玻璃平板和液體接觸的界面上形成橢圓形光斑，該光斑被界面反射后照射到由輸出耦合光系統(tǒng)與面陣器件組成的反射光能量收集系統(tǒng)，接著由圖像采集分析系統(tǒng)進(jìn)行接收，完成對圖像信號的采集、處理以及對比分析，以實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)和對待測液體參數(shù)的準(zhǔn)確測量。
[0022]具體的，光源出射的光束通過輸入耦合光學(xué)系統(tǒng)后形成小光點(diǎn)的發(fā)散光束，此發(fā)散光束經(jīng)過棱鏡面SI從空氣中折射進(jìn)入棱鏡，再接著在反射界面S3，S4上形成橢圓光斑并反射，交界面S3和交界面S4位于同一平面內(nèi)，入射到交界面S3和S4的光束中光線的入射角不一樣，入射角大于臨界角的光線會發(fā)生全反射，入射角小于臨界角的光線會同時發(fā)生折射和反射，即光線中的能量一部分反射并一部分折射。由于光的能量被反射回來，發(fā)生全反射的部分反映到圖像中，對應(yīng)區(qū)域的光斑會比較明亮，稱之為亮區(qū)。由于光的能量有一部分發(fā)生折射，沒有反射到輸出耦合光學(xué)系統(tǒng)中，發(fā)生反射和折射的部分反映到圖像中，對應(yīng)獲得的光斑會較暗，稱之為暗區(qū)。整個光斑上由于亮區(qū)和暗區(qū)的存在，會在兩區(qū)的交界處形成一條明暗界線。獲得的帶有明暗界線的光斑通過棱鏡面S2折射出去，通過所述的輸出耦合光學(xué)系統(tǒng)照射到面陣器件的感光面上，將光信號轉(zhuǎn)換為圖像信號，將圖像信號送入圖像處理系統(tǒng)中進(jìn)行圖像采集、數(shù)據(jù)處理以及對比分析。
[0023]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于在發(fā)生全反射的界面上增加了一塊已知折射率的校準(zhǔn)玻璃平板，由于已知折射率的玻璃的全反射角為定值，因