CN1029799C - 自动v棱镜折射仪 - Google Patents

Abstract

一种用于透明物体折射率测量的自动V棱镜折射仪，由光源、聚光镜、滤光片装置、狭缝、分束器、准直物镜、玻璃V形凹块、准直反射镜、莫尔光栅盘及其角度编码器、振动狭缝、光电倍增管、计算机、信号处理系统，控制电路，变速驱动系统等组成，利用计算机控制步进电机驱动莫尔光栅盘和振动狭缝进行高精度光电瞄准和精密测角，并自动进行数据处理，达到了高精度测量物体折射率，减轻工作人员劳动强，避免主观误差，提高工作效率之目的。

Description

本发明属于测量物体折射率的光学测试仪器，是对V棱镜折射仪的改进，特别是关于利用V棱镜折射原理的测量物体（固体，液体）折射率色散系数和部分色散的自动V棱镜折射仪。

目前广泛应用的V棱镜折射仪的光路原理如图1所示，它由光源1、滤光片3、准直平行光管101、玻璃V型凹块9、待测样品11、光学度盘102、瞄准望远镜103和读数显微镜104等组成，该仪器的优点是结构简单，但是它存在如下问题：

1.由于光学度盘的测角精度仅为10秒，因此折射率的测量精度比较低，为±（3-5）×10^-5;

2.仪器采用瞄准望远镜和读数显微镜工作，操作人员长期工作，容易产生视力疲劳，不同操作人员会产生主观误差。

本发明的目的是提供一种自动V棱镜折射仪，以提高折射率的测量精度，减轻操作人员劳动强度，尽量避免主观误差，提高工作效率。

本发明的技术方案是根据V棱镜测量物体折射率的原理，改进光路设计，利用计算机控制步进电机驱动莫尔光栅盘和振动狭缝进行高精度光电瞄准和精密测角，并自动进行数据处理。

本发明的自动V棱镜折射仪的原理框图如图2所示。沿光路有光源1、聚光镜2、滤光片3、狭 缝4、玻璃V形凹块9之间还有分束器5和准直物镜8，狭缝4位于聚光镜2和准直物镜9的共焦面上，在分束器5并垂直于光路的一侧有振动狭缝6和光电倍增管7，沿光路在玻璃V形凹块9的另一端有一准直反射镜13，在玻璃V形凹块的一侧（后面或前面）装莫尔光栅盘10，该光栅盘的主轴20的轴线与光路垂直并通过玻璃V形凹块的V形空间，莫尔光栅盘的主轴上有一固定的L形连杆12与准直反射镜13固定连接，以保证光栅盘和准直反射镜同步运动。

还有计算机16，打印机17，信号处理电路18，控制电路15，变速驱动系统14和光栅盘10的角度编码器19，由所说的光电倍增管7接收的光电瞄准信号经信号处理电路18输入计算机16，经过判断，计算机输出控制信号，经控制电路15，控制变速驱动系统14的运动，带动光栅盘10和准直反射镜13运动。当仪器处于瞄准状态时，计算机从角度编码器19读取折射角值，并进行数据处理，结果由打印机17输出。

为了充分利用光路中的光能量，所说的分束器5应是半透半反的，所说的振动狭缝6应位于准直物镜8的反回光束经分束器5反射后的光路上的焦面上，以保证反射光束中尽量多的光能通过振动狭缝6而被光电倍增管7接收。

本发明由于采用了高精度的莫尔光栅盘和振动狭缝进行高精度光电瞄准和精密测角，计算机自动控制寻的和处理数据，因而，折射率的测量精度提高到1-1.5×10^-5，操作人员劳动强度大大降低，避免了主观误差，也提高了工作效率。

下面结合附图对本发明及实施例作进一步说明。

图1是已有V棱镜折射仪的光路原理图

图2是本发明的实施例的光路和结构框图

图3是图2中莫尔光栅盘10和准直反射镜13的变速驱动系统14的剖视图

图4是滤光片装置，左图是滤光片装置的剖视图，右图是其左视图

图5是光源支架的顶视图

图6是光源支架的D-O-D剖视图

图7为控制电路图

图8为信号处理系统电路图

图9是计算机16的工作程序图

从图2至图9构成了本发明的最佳实施例

图2中元、器件的静态位置关系如上述，这里不再赘述。

图3是莫尔光栅盘10和准直反射镜13的变速驱动系统14的一种实例。图中12是将准直反射镜13固定连接在光栅盘10的主轴20的L形连杆。步进电机141，步进电机轴延长的蜗杆142、蜗轮143和主轮144构成莫尔光栅盘10和准直反射镜13的变速驱动系统。

图4是为了测试过程中更换滤光片方便而设计的滤光片装置。该装置包括固定在仪器底座311上的支架310，装在支架上螺孔305内的固定轴313和可绕轴旋转的滤光片转盘303，该盘上至少有7个在同一圆周上均匀分布的供安放滤光片3的通孔301，本实施例有8个通孔，每个孔有L形环状凸缘供放滤光片用，滤光片靠弹簧压圈302压牢。这8个通孔中顺序装入与汞灯的e、g、h线，氪灯的c、f线，氦灯的d、r线相应的滤光片，如图中的e、g、h、c、f、d、r所示，还有一个孔可随时根据测量需要安放特定谱线的滤光片。滤光片转盘上还有与通孔301数量相等的限位洞304，该限位洞与旋入支架的螺孔309的顶螺307凹槽中的弹簧308和顶珠306的配合下，起滤光片转盘303的定位作用。所说的支架310由固定螺钉312固定在底座311上时，正好使滤光片转盘上一块滤光片处于光路中。

图5和图6表示一个可方便地更换光源的光源支架，图5是其顶视图，图6是图5的DOD剖视图，它可同时安装汞灯、氪灯和氦灯，使用时只要转动该支架，即可将所需的灯光旋转到工作位置。该支架改换其他光源也很方便。

图7是计算机控制步进电机141运动的控制电路14的电路图。控制电路包括PIO接口，PIO的PB5、PB6、PB7分别通过相同的电路，即由集成块75452P、光电隔离器22和功率放大的集成块TWH8751组成的电路分别与步进电机的三个绕组A、B、C相连，实现对步进电机的控制，其控制过程是：

1）正向转动时，步进电机驱动绕组的控制顺序为

在寻的过程中，若找不到瞄准信号，步进电机可一直旋转，到计算机事先设定的最大驱动步数时，进行反向寻的。

2）反向转动时，步进电机驱动绕组的控制顺序为

，在寻的过程中，若找不到瞄准信号，步进电机可一直转动，到反向最大驱动步数时，自动进行正向寻的。

信号处理系统18的电路如图8所示，它主要由信号放大电路，相敏检波器21，A/D变换器和PIO接口组成。图中BG1和BG3可选场效应管3DJ4。光电倍增管7接收的光信号变为电信号，由隔直电容C1耦合到BG1进行前置放大，C2、C3组成高频滤波器，BG2和电容C8，电位器W1组成移相网络，R7和R8阻值相等，在BG2的发射极和集电极提供两个数值相等、相位相反的信号源，调节W1能使A点输出信号的相位改变。BG3组成射极跟随器，BG4、BG5和BG6均为信号放大而设置的，放大后的信号由射极跟随器BG7经电容C19送至相敏检波器21进行信号解调，经A/D变换器，由PIO接口输入计算机16。

角度编码器19是莫尔光栅盘10带的，例如上海机械学院的产品，可直接与计算机连接并进行角度采样。

计算机在测量过程中工作程序如图9所示。图2至图8组成了本发明的最佳实施例，下面以测量待测样品11相对于汞灯的g线的折射率为例说明本发明的动态过程。

1.首先转动光源支架使汞灯就位，拨动滤光片转盘使滤光片g进入光路，打开电源，汞灯光经聚光镜2通过滤光片g，汞灯的g线光照亮狭缝4，狭缝4形成的暗线和光束一起通过分束器5和准直物镜8，穿过玻璃V形凹块9，指向准直反射镜13，准直反射镜将光反射回，经过玻璃V形凹块9，准直物镜8，在分束器5上进行分光，其反射光经振动狭缝6被光电倍增管7接收，

2.启动计算机并初始化后，输入被测样品号、测试日期和测试者号。

3.找基准

将标准V块放入玻璃V形凹块9的V形空间，键入标准V块折射率N，计算机即自动控制进行找基准。其过程是：狭缝4暗线的象偏离振动狭缝6中心的平衡位置时，称为未瞄准状态，光电倍增管7输出一非正弦电信号，放大后由BG7经电容C19耦合进入相敏检波器21，经相敏检波后的电信号输出不为零，这个信号A/D变换后，由PIO接口送入计算机，计算机发出驱动步进电机141的指令，通过控制电路15驱动步进电机旋转，变速驱动系统的运动，带动光栅盘10和准直反射镜13同步运动，准直反射镜运动的角度由光栅盘10及其角度编码器19一一对应地记录。当准直反射镜13的镜面精确地垂直于射入光束时，狭缝4暗线的象必定正好在振动狭缝6（亮狭缝）的中心的平衡位置，称为瞄准状态，也就是寻的过程完成，也就是找到了基准，这时光电倍增管7输出一正弦电信号，放入后经相敏检波后的信号为零，这时计算机不再发出驱动指令并根据软件程序自动从角度编码器读入这基准角。

4.样品折射率测试

取出标准V块，将被测样品11放入玻璃V形凹块9中，在计算机中输入谱线号（例如g线），这时光电倍增管7输出的又是一非正弦电信号，计算机驱动寻的。寻的过程是一个反复驱动步进电机运动的过程。当准直反射镜13的镜面又精确垂直于入射光束时，狭缝4的暗线的象又处于振动狭缝（亮狭缝）6的中心平衡位置，完成寻的，计算机又从角度编码器读入（采样）一个角度，这个角与基准角之差即为测得的折射角θ，计算机按下面公式进行折射率N计算。

$\mathrm{N=}\sqrt{N{}^2{}_0\mathrm{\pm sin\; \theta }\sqrt{N{}^2{}_0\mathrm{-\; sin}{}^2\theta }}$

式中N是标准V块的折射率。

测量结果N_g由打印机（17）输出。

样品相对于其他谱线的测量过程和不同样品的测量过程只需相应地设置光源和滤光片，并向计算机输入相应的谱线号（e、g、h、c、f、d、r等），计算机重复第4步即可自动进行测量。

当仪器对同一样品进行了d、c、f谱线的折射率N_d、N_e、N_f测量后，计算机还会自动计算：

部分色散N_e-N_f

色散系数U= (N_d-1)/(N_c-N_f)

并打印出结果。

很明显，本发明达到了目的，测量精度高，操作方便，减轻了劳动强度，避免了主观误差，提高了工作效率。

根据本发明的构思，在机械结构和电路方面稍作变动，仍应属本发明的保护范围。

Claims (7)

1、一种测量玻璃等透明物体折射率的自动V棱镜折射仪，沿光路有光源(1)，聚光镜(2)、滤光片(3)、狭缝(4)、玻璃V形凹块(9)，其特征在于：

1)沿光路在狭缝(4)和玻璃V形凹块(9)之间还有分束器(5)和准直物镜(8)，所说的狭缝(4)位于聚光镜(2)和准直物镜(8)的共焦面上；

2)在分束器(5)并垂直于光路的一侧有振动狭缝(6)和光电倍增管(7)；

3)沿光路在玻璃V形凹块(9)的另一端有一准直反射镜(13)；

4)在玻璃V形凹块后面(或前面)装有莫尔光栅盘(10)，该光栅盘的主轴(20)的轴线通过玻璃V形凹块(9)的V形空间，与光路正交；

5)还有计算机(16)，由所说的光电倍增管(7)接收的光电瞄准信号经信号处理系统(18)输入计算机(21)，经过判断，计算机输出控制信号，经控制电路(15)，控制变速驱动系统(14)运动，当仪器处于瞄准状态时，计算机从莫尔光栅盘(10)的角度编码器(19)读取折射角度值，并进行数据处理，由打印机(17)输出结果。

2、按照权利要求1的V棱镜折射仪，其特征在于所说的振动狭缝（6）位于准直物镜（8）的光束经分束器（5）反射后的光路上的焦面上。

3、按照权利要求1的V棱镜折射仪，其特征在于所说的控制电路（15），包括PIO接口，PIO的PB5、PB6、PB7、分别通过相同的电路，即由集成块75452P、光电隔离器和功率放大集成块TWH8751组成的电路，与变速驱动系统（14）的步进电机（14）的三个绕组A、B、C相连，以实现对步进电机的控制。

4、按照权利要求1的V棱镜折射仪，其特征在于所说的信号处理系统（18）由电信号放大电路、相敏检波器（21）、A/D变换器和PIO接口组成，光电倍增管（7）接收的光信号变为电信号，由隔直电容C1耦合到BG1进行前置放大，经BG2的移相网络和BG3射极跟随器后，由BG4、BG5、BG6组成的放大电路再放大，从射极跟随器BG7经电容C19送至相敏检波器（21）进行信号解调，经A/D变换器，由PIO接口输入计算机。

5、按照权利要求1的V棱镜折射仪，其特征在于所说的变速驱动系统由步进电机（141），蜗杆（142），蜗轮（143），主轮（144）和莫尔光栅盘的主轴（20）按机械驱动关系关连而成。

6、按照权利要求1的V棱镜折射仪，其特征是所说的滤光片（3）是安装在滤光片装置上的，该滤光片装置包括固定在仪器底座（311）的支架（310），固定轴（313）和可绕固定轴旋转的滤光片转盘（303），该盘上至少有七个在同一圆周上均匀分布的供安装滤光片（3）的通孔（301），该孔L形环状凸缘，滤光片用弹簧压圈（302）压牢，滤光片转盘还有与通孔（301）数量相等的限位洞（304），该限位洞与旋入支架的螺孔（309）的顶螺（307）凹槽中的弹簧（308）和顶珠（306）的配合下起滤光片转盘（303）的定位作用。

7、按照权利要求6的V棱镜折射仪，其特征是所说的光源（1）是安装在一可转动的光源支架上的。

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