CN103792209B - 奶液折射率检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种奶液折射率检测装置，在检测样品盒上端加工有注液口a，检测样品盒的一个侧壁为平板玻璃，其它侧壁不透光，平板玻璃的外表面上喷涂有成像层，平板玻璃上成像层的外围设暗盒，暗盒内侧壁上设安装有支架，支架上设半导体激光器，暗盒的外端部设通过数据线与计算机相连的CCD摄像头，在半导体激光器的光射出端设与平板玻璃上成像层的中心位置搭接的光屏蔽管，光屏蔽管的中心线与半导体激光器的中心线、CCD摄像头的中心线、成像层的中心相重合且垂直于平板玻璃,成像层由位于其中心位置的圆形透射散射层和透射散射层外围的光散射成像层构成，光散射成像层的外围为遮光层。用本发明装置检测奶液时，测量速度快、测量精度高。

Description

奶液折射率检测装置及其检测方法

技术领域

本发明属于液体折射率检测设备或装置技术领域，具体涉及到检测奶液折射率的装置。

背景技术

折光法是目前检测奶液中乳糖质量分数和掺水率简单有效的基本方法之一，其原理是基于奶液中乳糖质量分数和掺水率与其折射率有关。常用的测量仪器是阿贝折射仪和根据光通过“三角形样品盒”时折射角的大小，测定奶液的折射率，这两种仪器或方法的共同特征是根据光线通过奶液膜或奶液时折射形成的光学图像，获得奶液的折射率。而奶液是一种均匀稳定的悬浮状态和乳浊状态的胶体性液体，即从物理学角度讲，奶液中有大量悬浮状颗粒物，正是由于这种悬浮状颗粒物对透射光有强烈的散射作用，造成上述两种仪器或方法在奶液检测中形成的光学图像边界不清，调试难度大，严重影响了检测精度与检测效率。因此如何减小折光法用于奶液检测中悬浮状颗粒物的光散射效应对测量精度的影响，是目前奶液检测技术领域中急需解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种结构简单、操作方便、检测速度快、检测精度高的奶液折射率检测装置。

本发明所要解决的另一个技术问题在于为奶液折射率检测装置提供一种方法简单、操作简便的检测方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在检测样品盒上端加工有注液口a，检测样品盒的一个侧壁为平板玻璃，其它侧壁不透光，平板玻璃的外表面上喷涂有成像层，平板玻璃上成像层的外围设置有暗盒，暗盒内侧壁上设置安装有支架，支架上设置有半导体激光器，暗盒的外端部设置有通过数据线与计算机相连的CCD摄像头，在半导体激光器的光射出端设置与平板玻璃上成像层的中心位置联接的光屏蔽管，光屏蔽管的中心线与半导体激光器的中心线、CCD摄像头的中心线、成像层的中心相重合且垂直于平板玻璃。本发明的成像层由位于其中心位置的圆形透射散射层和透射散射层外围的光散射成像层构成，光散射成像层的外围为遮光层。

本发明的透射散射层的直径为5～8mm，表面喷涂透射散射层的平板玻璃对绿色激光的透射率40%～50﹪,表面喷涂光散射成像层的平板玻璃对绿色激光的光透射率为60%～70﹪，透射散射层和光散射成像层采用喷涂白色油漆或丝印白色玻璃油墨制成。

本发明的光屏蔽管的直径与透射散射层的直径相同。

本发明的平板玻璃的厚度为3～5mm。

上述奶液折射率检测装置检测奶液折射率的方法步骤如下：

1、在检测样品盒中注入奶液，奶液的液面应与暗盒的下端平齐。

2、将检测样品盒向平板玻璃方向倾斜，使奶液覆盖平板玻璃内表面，恢复检测样品盒至正常位置，在平板玻璃内表面上形成均匀的奶液膜。

3、接通半导体激光器的电源，所产生的激光束垂直入射于平板玻璃外表面的透射散射层中心，入射到平板玻璃与奶液膜的界面，反射到光散射成像层，在光散射成像层上形成以激光束入射光点为中心的圆形暗斑，圆形暗斑的半径r、平板玻璃的折射率n、平板玻璃的厚度h与待测奶液的折射率n_x之间的关系为：

$n_x=\frac{\mathrm{rn}}{\sqrt{r^2+{4h}^2}}---\left(1\right)$

CCD摄像头将接收到的圆形暗斑半径r的信号传输到计算机，计算出被待测奶液的折射率。

本发明所采用的检测样品盒的一个侧壁为平板玻璃，检测样品盒的其它侧壁为不透光壁，为奶液检测提供了暗环境，提高了与奶液折射率相关的光学图像边界的对比度。

本发明在平板玻璃的外表面喷涂光散射成像层和透射散射层构成的成像层，半导体激光器射出的激光束通过光屏蔽管到达透射散射层上，激光束透过透射率较小即厚度较大的透射散射层时，受到透射散射层中大量微米级白色色料颗粒的散射作用，使得激光束通过透射散射层变为高发散度的点光源，辐射状的光线穿过平板玻璃入射到玻璃与待测奶液膜的界面后，符合全反射条件的光线反射到透射散射层外围透射率较高即厚度较小的光散射成像层上，形成以透射散射层上入射光点为圆心，图像边界清晰对比度高且半径与待检测奶液折射率相关的圆形暗斑。CCD摄像头接收到的圆形暗斑半径长度的光信号输出到计算机，计算机计算出待测液体折射率，根据奶液折射率与奶液其它参数之间的关系，可获得奶液其它特征参数。

使用本发明装置检测奶液的折射率时，与奶液折射率相关的光学图像，光照即显，不需调试。由于本发明利用奶液膜与平板玻璃之间界面的全反射形成的圆形暗斑检测奶液的折射率，即光学图像由奶液膜表面的全反射光形成，一方面形成光学图像的反射光进入奶液膜中的深度很小，另一方面奶液膜比奶液中的悬浮颗粒物要少的多，即奶液膜中的悬浮颗粒物产生的光散射对与奶液折射率相关的光学图像清晰度的影响非常小。因此使用本发明装置检测奶液时，所形成的圆形暗斑图像边界清晰、对比度高。本发明检测方法具有测量速度快、测量精度高等优点。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是图1中成像层4的结构示意图。

图3是采用本发明检测牛奶折射率的圆形暗斑照片。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1、2中，本实施例的奶液折射率检测装置由检测样品盒1、平板玻璃2、遮光层3、成像层4、暗盒5、支架6、CCD摄像头7、计算机8、半导体激光器9、光屏蔽管10联接构成。

本实施例的检测样品盒1的外形为扁平状的长方体，检测样品盒1上端加工有注液口a，被检测的奶液由注液口a加入。检测样品盒1的一个侧壁为平板玻璃2，其它侧壁不透光，平板玻璃2为石英玻璃，厚度为4mm，也可采用其它平板透明玻璃，平板玻璃2的外表面上喷涂有成像层4，成像层4由位于其中心位置的圆形透射散射层4-1和透射散射层4-1外围的光散射成像层4-2构成，光散射成像层4-2的外围为遮光层3，透射散射层4-1的直径为6mm，对通过的激光束产生散射作用，表面喷涂透射散射层4-1的平板玻璃2对绿色激光的透射率40%～50﹪,表面喷涂光散射成像层4-2的平板玻璃2对绿色激光的光透射率为60%～70﹪,透射散射层4-1和光散射成像层4-2采用白色油漆喷涂制成。在平板玻璃2上成像层4的外围用胶固定粘接有暗盒5，暗盒5内侧壁上用螺纹紧固联接件固定联接安装有支架6，支架6上用螺纹紧固联接件固定联接安装有半导体激光器9,半导体激光器9用于产生激光，半导体激光器9的光射出端用胶与光屏蔽管10粘接，光屏蔽管10的另一端粘接在平板玻璃2上的透射散射层4-1的中心位置，光屏蔽管10的中心线与半导体激光器9的中心线和透射散射层4-1的中心相重合且垂直于平板玻璃2。光屏蔽管10为不透光管，光屏蔽管10的直径为5～8mm，光屏蔽管10的具体直径应与透射散射层4-1的直径相同，光屏蔽管10用于阻隔激光束传输过程中空气悬浮颗粒对激光的散射以及激光束入射到透射散射层4-1上产生的杂散反射光对暗盒5内暗视场的影响。

由半导体激光器9出射的激光束，通过光屏蔽管10入射于光透射率较小即厚度较大的透射散射层4-1，通过透射散射层4-1时，受到透射散射层4-1中大量微米级白色色料颗粒的散射作用，通过透射散射层4-1变为高发散度的点光源，辐射状的光线进入平板玻璃2并入射到玻璃与待测奶液的界面，符合全反射条件的光线由平板玻璃2与待测奶液的界面反射到透射散射层4-1外围的光透射率较大的光散射成像层4-2上，在光散射成像层4-2上形成以透射散射层4-1上激光入射点为圆心、直径大小与检测样品盒1内奶液折射率相关且图像边界对比度、清晰度高的圆形暗斑。在暗盒5的外端部用螺纹紧固联接件固定联接安装有CCD摄像头7，CCD摄像头7的中心线与光屏蔽管10的中心线相重合。CCD摄像头7的输出端通过数据线与计算机8相连，CCD摄像头7将接收到的图像转换成电信号并转换成数字信号通过数据线输出到计算机8，计算机8按照事先设定的程序对输入的信号进行数据处理，计算出被测奶液的折射率，显示出计算结果以及圆形暗斑的图像。

采用上述奶液折射率检测装置检测牛奶液折射率的方法步骤如下：

1、在检测样品盒1中注入奶液，奶液的液面应与暗盒5的下端平齐。

2、将检测样品盒1向平板玻璃2方向倾斜，使奶液覆盖平板玻璃2内表面，恢复检测样品盒1至正常位置，在平板玻璃2内表面上形成均匀的奶液膜。

3、接通半导体激光器9的电源，半导体激光器9所产生的激光束垂直入射于平板玻璃2外表面的透射散射层4-1中心，激光束通过透射散射层4-1时，由于受到透射散射层4-1中大量微米级白色色料颗粒的散射作用，变为高发散度的点光源，辐射状的光线进入平板玻璃2并入射到平板玻璃2与奶液膜的界面，符合全反射条件的光线由平板玻璃2与奶液膜的界面反射到光散射成像层4-2，在光散射成像层4-2上形成以透射散射层4-1上激光束入射光点为中心的圆形暗斑，圆形暗斑的半径r、平板玻璃2的折射率、平板玻璃2的厚度h与待测奶液的折射率n_x之间的关系为：

$n_x=\frac{\mathrm{rn}}{\sqrt{r^2+{4h}^2}}---\left(1\right)$

本实施例中平板玻璃2为石英玻璃，折射率n为1.46007，平板玻璃2的厚度h为4mm。

CCD摄像头7将接收到的圆形暗斑半径r的信号传输到计算机8，计算机8计算出被待测奶液的折射率为1.3431。

实施例2

本实施例中，检测样品盒1的一个侧壁为平板玻璃2，其它侧壁不透光，平板玻璃2为石英玻璃，厚度为4mm，平板玻璃2的外表面上喷涂有成像层4，成像层4由位于其中心位置的圆形透射散射层4-1和透射散射层4-1外围的光散射成像层4-2构成，光散射成像层4-2的外围为遮光层3，透射散射层4-1的直径为5mm，外表面有透射散射层4-1的平板玻璃2对绿色激光的透射率40%～50﹪,外表面有光散射成像层4-2的平板玻璃2对绿色激光的光透射率为60%～70﹪,透射散射层4-1和光散射成像层4-2采用白色油漆喷涂制成。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

采用本实施例奶液折射率检测装置检测奶液折射率的方法与实施例1相同。

实施例3

本实施例中，检测样品盒1一个侧壁为平板玻璃2，其它侧壁不透光，平板玻璃2为石英玻璃，厚度为4mm，平板玻璃2的外表面上喷涂有成像层4，成像层4由位于其中心位置的圆形透射散射层4-1和透射散射层4-1外围的光散射成像层4-2构成，光散射成像层4-2的外围为遮光层3，透射散射层4-1的直径为8mm，外表面有透射散射层4-1的平板玻璃2对绿色激光的透射率40%～50﹪,外表面有光散射成像层4-2的平板玻璃2对绿色激光的光透射率为60%～70﹪,透射散射层4-1和光散射成像层4-2采用白色油漆喷涂制成。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

采用本实施例奶液折射率检测装置检测奶液折射率的方法与实施例1相同。

实施例4

在以上的实施例1～3中，检测样品盒1一个侧壁为平板玻璃2，其它侧壁不透光，平板玻璃2为石英玻璃，厚度为4mm，平板玻璃2的外表面上丝印有成像层4，成像层4由位于其中心位置的圆形透射散射层4-1和透射散射层4-1外围的光散射成像层4-2构成，光散射成像层4-2的外围为遮光层3，透射散射层4-1的外径与相应的实施例相同，外表面有透射散射层4-1的平板玻璃2对绿色激光的透射率40%～50﹪,外表面有光散射成像层4-2的平板玻璃2对绿色激光的光透射率为60%～70﹪,透射散射层4-1和光散射成像层4-2采用丝印白色玻璃油墨制成。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

采用本实施例奶液折射率检测装置检测奶液折射率的方法与实施例1相同。

实施例5

在以上的实施例1～4中，检测样品盒1一个侧壁为平板玻璃2，其它侧壁不透光，平板玻璃2为石英玻璃，厚度为3mm，平板玻璃2的外表面上附设有成像层4，成像层4的结构与相应的实施例相同。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

采用本实施例奶液折射率检测装置检测奶液折射率的方法与实施例1相同。

实施例6

在以上的实施例1～4中，检测样品盒1一个侧壁为平板玻璃2，其它侧壁不透光，平板玻璃2为石英玻璃，厚度为5mm，平板玻璃2的外表面上附设有成像层4，成像层4的结构与相应的实施例相同。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

采用本实施例奶液折射率检测装置检测奶液折射率的方法与实施例1相同。

Claims (4)

1.一种奶液折射率检测装置，在检测样品盒(1)上端加工有注液口(a)，检测样品盒(1)的一个侧壁为平板玻璃(2)，其它侧壁不透光，平板玻璃(2)的外表面上喷涂有成像层(4)，平板玻璃(2)上成像层(4)的外围设置有暗盒(5)，暗盒(5)内侧壁上设置安装有支架(6)，支架(6)上设置有半导体激光器(9)，暗盒(5)的外端部设置有通过数据线与计算机(8)相连的CCD摄像头(7)，其特征在于：在半导体激光器(9)的光射出端设置与平板玻璃(2)上成像层(4)的中心位置联接的光屏蔽管(10)，光屏蔽管(10)的中心线与半导体激光器(9)的中心线、CCD摄像头(7)的中心线、成像层(4)的中心相重合且垂直于平板玻璃(2)；所述的成像层(4)由位于其中心位置的圆形透射散射层(4-1)和透射散射层(4-1)外围的光散射成像层(4-2)构成，光散射成像层(4-2)的外围为遮光层(3)；所述的透射散射层(4-1)的直径为5～8mm，表面喷涂透射散射层(4-1)的平板玻璃(2)对绿色激光的透射率40％～50﹪,表面喷涂光散射成像层(4-2)的平板玻璃(2)对绿色激光的光透射率为60％～70﹪，透射散射层(4-1)和光散射成像层(4-2)采用喷涂白色油漆或丝印白色玻璃油墨制成。 

2.根据权利要求1所述的奶液折射率检测装置，其特征在于：所述的光屏蔽管(10)的直径与透射散射层(4-1)的直径相同。 

3.根据权利要求1所述的奶液折射率检测装置，其特征在于：所述的平板玻璃(2)的厚度为3～5mm。 

4.一种使用权利要求1的奶液折射率检测装置检测奶液折射率的方法，其特征在于该方法的步骤如下： 

1)在检测样品盒(1)中注入奶液，奶液的液面应与暗盒(5)的下端平齐； 

2)将检测样品盒(1)向平板玻璃(2)方向倾斜，使奶液覆盖平板玻璃(2)内表面，恢复检测样品盒(1)至正常位置，在平板玻璃(2)内表面上形成均匀的奶液膜； 

3)接通半导体激光器(9)的电源，所产生的激光束垂直入射于平板玻璃(2)外表面的透射散射层(4-1)中心，入射到平板玻璃(2)与奶液膜的界面，反射到光散射成像层(4-2)，在光散射成像层(4-2)上形成以激光束入射光点为中心的 圆形暗斑，圆形暗斑的半径r、平板玻璃(2)的折射率n、平板玻璃(2)的厚度h与待测奶液的折射率n_x之间的关系为： 

CCD摄像头(7)将接收到的圆形暗斑半径r的信号传输到计算机(8)，计算出待测奶液的折射率。