CN104777133B - 一种自校准的折光计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自校准的折光计，属于测量与光电仪器领域，包括用于产生发散光束的光源照明系统、光学传感头、反射光能量收集系统以及图像采集分析系统，光学传感头包括校准玻璃平板和棱镜，校准玻璃平板贴合在所述棱镜的底面，工作时，发散光束入射进入棱镜后形成的椭圆光斑被分成位于校准玻璃平板上的第一部分光束和位于校准玻璃平板外的第二部分光束，第一部分光束和第二部分光束中均有部分光线发生全反射并部分光线发生折射，第一部分光束用于进行自校准，第二部分光束用于测量待测液体的参数。本发明解决了普通折光计在使用过程中的零点漂移的技术问题，提高了测量仪器的精确度。

Description

一种自校准的折光计

技术领域

本发明属于测量与光电仪器领域，更具体地，涉及一种光电折光计，用于液体的多种参数测量。

背景技术

液体的密度、折射率、浓度等相关参数是液体性能的重要指标。这些参数之间存在着相关性，可以相互进行换算，这类参数的测量装置被广泛的用于国民经济与国防等各个领域。液体折射率是一个重要的物理参量，目前比较普遍的测量液体折射率的方法有两类，一种是几何光学的方法，另一种是波动光学的方法。

波动光学的方法主要利用了介质对透射光相位的影响来测定物体的折射率。比较有代表性的测量方法有最小偏向角法、掠入射法、布儒斯特角法，干涉法等，其中干涉法又包括迈克尔逊干涉仪法、F-P干涉仪法、牛顿环法等。但是这些方法多数要求对待测物体进行复杂的形状加工，或需要已知折射率的标准样品，或将待测液体密封装载在特制容器中才能进行。其光路往往较为复杂，操作也繁琐复杂。该方法尤其对测量环境和测量对象有着苛刻的要求，通用性和可靠性也不高，并不能满足在工农业等领域中现场实时测量的需求。

几何光学的方法是以折射反射定律为理论依据，通过精确测量光线在通过材料时的偏折角度，来确定材料的折射率，这种方法比较方便而且准确度较高。在授权公告号为CN102012359B的中国专利中，公开了一种用临界角法来测量液体折射率的传感器。但是此种折光计在使用过程中，由于仪器中自身结构、环境参数等缓慢变化将导致测量出现较大误差，该误差属于系统误差，常常称为仪器的“零点漂移”。测量曲线反应了仪器输出值y与输入值x的关系，输出值和输入值具有线性关系，该折光计的输出值y可表示为y＝Sx+y₀，S为系统灵敏度，y₀为系统处于“零点”(x＝0)的输出值。仪器制造生产中，在零件装配并初步调校后，为了实现对待测对象的测量还必须对仪器进行标定，从而获得标定曲线，有了标定曲线后，通过与标定曲线进行比对才能实现测量。

普通折光计出现“零点漂移”现象时，只能在测量后发现了测量结果较大误差后，再进行单独校准。校准后，才可进行再次测量，以确保测量的精确度。这种方式存在发现不及时，且需要多次校准的缺点，还严重影响了测量效率。另一种校准方法是定期维护时对仪器进行校准，消除仪器的零点漂移。这两种校准方法都存在过程繁琐、校准不及时，从而导致测量误差以及严重影响测量效率的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自校准的折光计，其目的在于巧妙地在光路系统中设计一种可以对自身进行自校准的装置，由此解决普通折光计仪器在使用过程中由于仪器中自身结构、环境参数等缓慢变化而产生的零点漂移的技术问题，使得测量更准确。

为实现上述目的，本发明提供了一种自校准的折光计，其特征在于，包括：

光源照明系统，用于产生发散光束；

光学传感头，其包括校准玻璃平板和棱镜，所述校准玻璃平板贴合在所述棱镜的底面，且所述校准玻璃平板至少有一个棱边位于所述棱镜的底面内，以用于工作时使所述发散光束入射进入棱镜而形成的椭圆光斑能被该棱边分成位于所述校准玻璃平板上的第一部分光束和位于所述校准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线发生全反射并部分光线发生折射，所述第一部分光束用于进行自校准，所述第二部分光束用于测量待测液体的参数；

反射光能量收集系统，用于将均从棱镜射出的所述第一部分光束对应的第一光信号和第二部分光束对应的第二光信号分别转换为第一图像信号和第二图像信号，并输出；和

图像采集分析系统，用于接收所述第一图像信号和第二图像信号，并将所述第一图像信号和第二图像信号进行处理和比对分析，以实现自校准和对待测液体参数的准确测量。

进一步的，所述校准玻璃平板为矩形体，所述棱镜为等腰棱镜。

进一步的，所述呈矩形体的校准玻璃平板的长度大于所述椭圆光斑的长轴，且该校准玻璃平板的宽度小于所述椭圆光斑的短轴。

进一步的，所述呈矩形体的校准玻璃平板的宽度等于椭圆光斑短轴的一半。

进一步的，所述呈矩形体的校准玻璃平板的长度与所述棱镜的底面的长度相同，且校准玻璃平板的宽度小于所述棱镜的底面的宽度。

进一步的，所述校准玻璃平板的宽度为所述棱镜的底面宽度的一半。

进一步的，所述成矩形体的校准玻璃平板正好贴合在所述棱镜底面的两个矩形中的一个上，所述两个矩形是指该棱镜底面被沿长度方向的中线分成的面积和形状相同的矩形。

进一步的，校准玻璃平板与待测液体相接触的一面涂覆有吸光涂层，所述吸光涂层为黑色吸光材料。

进一步的，所述反射光能量收集系统包括输出耦合光学系统和面阵器件，所述第一光信号和所述第二光信号通过所述输出耦合光学系统照射在面阵器件的感光面上，以将第一光信号和第二光信号转换为第一图像信号和第二图像信号。

进一步的，所述光源照明系统包括光源和输入耦合光学系统，该光源出射的光束通过该输入耦合光学系统后形成小光点的发散光束。

本折光计的光源照明系统利用光源和输入耦合光学系统产生发散光束，通过棱镜与校准玻璃平板组成的光学传感头，在棱镜、校准玻璃平板和液体接触的界面上形成椭圆形光斑，该光斑被界面反射后照射到由输出耦合光系统与面阵器件组成的反射光能量收集系统，接着由图像采集分析系统进行接收，完成对图像信号的采集、处理以及对比分析，以实现自校准和对待测液体参数的准确测量。

具体的，光源出射的光束通过输入耦合光学系统后形成小光点的发散光束，此发散光束经过棱镜面S1从空气中折射进入棱镜，再接着在反射界面S3，S4上形成椭圆光斑并反射，交界面S3和交界面S4位于同一平面内，入射到交界面S3和S4的光束中光线的入射角不一样，入射角大于临界角的光线会发生全反射，入射角小于临界角的光线会同时发生折射和反射，即光线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来，发生全反射的部分反映到图像中，对应区域的光斑会比较明亮，称之为亮区。由于光的能量有一部分发生折射,没有反射到输出耦合光学系统中，发生反射和折射的部分反映到图像中，对应获得的光斑会较暗，称之为暗区。整个光斑上由于亮区和暗区的存在，会在两区的交界处形成一条明暗界线。获得的带有明暗界线的光斑通过棱镜面S2折射出去，通过所述的输出耦合光学系统照射到面阵器件的感光面上，将光信号转换为图像信号，将图像信号送入图像处理系统中进行图像采集、数据处理以及对比分析。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于在发生全反射的界面上增加了一块已知折射率的校准玻璃平板，由于已知折射率的玻璃的全反射角为定值，因此尽管仪器自身结构、周围环境参数变化可能会引起液体折射率测量的零点漂移，也可以利用此校准玻璃平板获得在不同环境参数下引起的明暗界线与标准情况下的明暗界线位置上的偏差，实现仪器的自校准，以保障测量的精确度。

附图说明

图1a是本发明的一种自校准的折光计的系统原理图；

图1b是本发明的自校准的折光计工作时光路经过校准玻璃平板的示意图；

图1c是本发明的自校准的折光计工作时光路只经过液面而不经过校准玻璃平板的示意图；

图2是本发明实施例中光学传感头的结构示意图；

图3是本发明实施例中发散光束在棱镜和校准玻璃平板与液体间的界面上反射的示意图；

图4为本发明实施例中棱镜与液体间的界面上的光斑、校准玻璃平板与液体间的界面上的光斑的明暗示意图，图中斜划线均表示为较暗的光斑，斜划线所占的面积越大，说明较暗的区域越多或者较暗的程度越大；没有斜划线的区域表示为明亮的光斑，用以表示光线发生全反射的区域。两种区域的交界称为明暗界线。

图5是本发明实施例中标准条件下与非标准条件下的明暗界线位置与折射率关系的曲线，标准条件下用曲线a表示，非标准条件下用曲线b表示。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明主要由四部分组成：光源照明系统，光学传感头，反射光能量收集系统以及图像采集分析系统，系统原理图如附图1所示。

图1中，1为光源，2为输入耦合光学系统，3为等腰棱镜，4为校准玻璃平板，5为输出耦合光学系统，6为面阵器件，7为图像采集分析系统；其中S1、S2分别为等腰棱镜的空气接触的左右两腰面，等腰棱镜3的底面设置已知折射率的校准玻璃平板4，校准玻璃平板4的上表面与等腰棱镜3底面的交界面为S3，等腰棱镜3底面与液体之间的界面为交界面S4，具体示意图如附图2所示。

光源1和输入耦合光学系统2组成光源照明系统，光学传感头包括等腰棱镜3和校准玻璃平板4，反射光量收集系统包括输出耦合光学系统5和线阵或面阵器件6。校准玻璃平板4与待测液体相接触的一面涂覆有吸光涂层，用于吸收从S3折射进入自身的光束，如果不吸收该部分光束，会对测量造成较大的干扰，影响测量精度或者是自校准的精度，无法实现精确测量。该吸光涂层为黑色的吸光材料，具体可以是黑色油墨或黑色涂料。

本发明在测量液体折射率以及自校准的工作原理如下：

光源1出射的光束通过输入耦合光学系统2形成一发散的光束，该发散光束具有不同的入射角，经过等腰棱镜3的S1面从空气中折射进入等腰棱镜3，并在等腰棱镜3内形成一个大的光斑，该光斑同时覆盖住待测液体和校准玻璃平板。接着一部分发散光束在该等腰棱镜3与校准玻璃平板4的界面S3上发生折射或全反射，另一部分发散光束在等腰棱镜与待测液体的交界面S4发生折射或全反射。其中，在交界面S3和S4发生折射和反射的情况如图3所示。

交界面S3和交界面S4位于同一平面内，入射到交界面S3和S4的光束入射角不一样，入射角大于临界角的光线会发生全反射，入射角小于临界角的光线会同时发生折射，即部分反射和部分折射。发生全反射的部分反映到图像中，由于光的能量被反射回来，因此对应区域的光斑会比较明亮，称之为亮区。发生反射和折射的部分反映到图像中，由于光的能量有一部分由于折射没有反射到输出耦合光学系统中，对应区域的光斑会较暗，称之为暗区。由此整个光斑上由于亮区和暗区的存在，会在亮区和暗区的交界处形成一条明暗界线。

在交界面S3和S4上发生折射与全反射的光线经过等腰棱镜的S2面折射进入空气中，在校准玻璃平板与液面上形成的光斑情况如图4所示，图4中带有斜划线的区域表示亮度较暗的光斑，空白的白亮区域表示亮度较亮的光斑，正方形区域的中线表示明暗界线。上述经S2面折射进入空气的光束最终通过所述的输出耦合光学系统5将光束照射在面阵器件6上，面阵器件6将光信号转换为图像信号，所述的图像采集分析系统7获取图像信号并对该图像信号进行分析处理以及比对，即完成对图像的采集、处理工作，并进行数据分析，最终给出精确的液体折射率。

需要进一步说明的是，利用本发明中自校准的折光计进行工作时，经过输入耦合光学系统2后的发散光斑必须同时覆盖交界面S3和S4，否则不能完成自校准或者不能进行待测液体参数的测量。

还需要进一步说明的是，本发明中的校准玻璃平板的折射率具有一定的要求，其折射率不能大于折光计本身能测量的最大折光率也不能小于折光计本身能测量的最小折光率。折光计本身能测量的最大折光率和最小折光率是由光源照明系统与光学传感头共同决定的。

该折光计利用了临界角折光计测量折射率的原理。依据斯涅耳原理，光线自光密介质折射入光疏介质时，折射角大于入射角，且折射角随入射角的增大而增大，当入射角增大到一定值时，折射角将增大为90度，即折射光将沿两介质界面折射，此时的入射角成为临界角，记为α。若入射角达到临界角后继续增加，光线将不再折射入光疏介质，而全部被界面反射回原光密介质，称为全反射。在图3中，入射光束在界面处能量重新分布，入射光束一部分入射角大于α的光线发生全反射，例如d和e，而另一部分入射角小于α的光线会部分折射且部分反射，例如a和b。因此在折射方向上可以看到一个明显的明暗界线。由于我们加入了一块已知折射率的玻璃平板，由此我们将可以获得两条明暗界线，一条明暗界线是来自校准玻璃平板的，另一条明暗界线是来自待测液体的。可以利用玻璃平板的明暗界线作为基准，将该基准情况下的明暗界线位置与折射率关系曲线进行比较，进行自校准，从而精确获得待测液体的折射率。本发明中，在获得待测液体折射率的同时，就进行了在线实时的自校准，伴随着每次测量都进行了自校准，彻底消除了由于仪器中自身结构、环境参数等缓慢变化将导致的零点漂移问题，也避免了在测量后发现了测量结果出现错误后，事后进行单独校准的问题，避免了二次测量，提高了测量的准确性和测量效率。

下面更进一步的说明自校准原理，结合图5所示，曲线a表示标准条件下(也可以说是基准条件下)明暗界线位置与折射率关系的曲线，该曲线已知，曲线b表示环境参数变化后明暗界线位置与折射率关系的曲线，该曲线未知。设n₃为校准玻璃平板的折射率，在实验中获得校准玻璃平板上明暗界线位置为X₂，标准条件下折射率为n₃的液体对应的明暗界线为X₁，这样我们就可以通过将曲线a平移获得在环境参数变化时明暗界线位置与折射率关系的曲线b，由于在此条件下我们获得的待测液体的明暗界线为X₃，通过阈值法或微分法，我们可以获得待测液体的折射率为n₄，这样我们就消除了由于环境参数影响引起的折射率测量不准确的问题。如果没有设定已知折射率的校准玻璃平板进行自校准，我们会得到对应明暗界线为X₃时，待测液体的折射率为n₅，这样就会与实际折射率有很大出入。

本发明中，在整个系统中利用发散光束，这样就会在测量光学元件与待测液体的接触界面上形成一个较大面积的光斑。这个光斑一部分在等腰棱镜与校准玻璃平板之间的交界面上发生反射和折射，另一部分在等腰棱镜与待测液体之间的交界面上发生反射和折射。即，在这两个界面上光束都会发生反射、折射以及全反射的现象，小于临界角的光线会有一部分反射还有一部分会透射，大于临界角的光线会发生全反射。接着光束从等腰棱镜S4面折射出来照射在面阵的感光面上，通过面阵器件来采集二维图像信号。由此面阵器件能够获得两种带有明暗界线的反射光斑的二维图像数据，分别对应校准玻璃平板和液体，利用面阵器件采集的图像数据，利用基于临界角法的测量算法可以计算出明暗界线的位置，例如微分法、阈值法等，该计算方法在此不详述。由于校准玻璃平板的折射率已知，这样利用获得的校准玻璃平板上的明暗界线位置作为对应校准玻璃平板折射率的已知值X₁，将其与标准曲线上校准玻璃平板折射率对应的明暗界线位置值X₂进行对比，可以获得此时的明暗界线位置与折射率曲线较标定曲线的偏移量y₀，由此通过测得的液面光斑的明暗界线位置获得待测液体的折射率值。

本发明实施例中，校准玻璃平板为矩形体，棱镜为等腰棱镜。呈矩形体的校准玻璃平板的长度大于椭圆光斑的长轴，且该校准玻璃平板的宽度小于所述椭圆光斑的短轴。作为本发明实施例的优选，呈矩形体的校准玻璃平板的宽度等于椭圆光斑短轴的一半。椭圆光斑对于折光计是一定的，是由折光计原始设计制造过程确定的。以上的尺寸设计能保证测量顺利进行，否则可能椭圆光斑不能被分为两部分，后续功能无法实现。

本发明实施例中，所述呈矩形体的校准玻璃平板的长度与所述棱镜的底面的长度相同，且校准玻璃平板的宽度小于所述棱镜的底面的宽度。作为本发明实施例的优选，所述校准玻璃平板的宽度为所述棱镜的底面宽度的一半。作为进一步的优选，所述成矩形体的校准玻璃平板正好贴合在所述棱镜底面的两个矩形中的一个上，所述两个矩形是指该底面被沿长度方向的中线分成的面积和形状相同的矩形。这样的尺寸设计便于制造以及测量的顺利进行，使椭圆光斑能较为容易的分为两个大小合适的部分，以便于后续的处理和比对。

总而言之，可以利用此种自校准的折光计准确测量出不同环境参数影响下的液体折射率，并利用获得的折射率，最终可以获得液体的密度等其他多种参数，从而掌握液体的其他性能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自校准的折光计，其特征在于，包括：

光源照明系统(1，2)，用于产生发散光束；

光学传感头(3，4)，其包括校准玻璃平板(4)和棱镜(3)，所述校准玻璃平板(4)贴合在所述棱镜(3)的底面，且所述校准玻璃平板(4)至少有一个棱边位于所述棱镜(3)的底面内，用于工作时使所述发散光束入射进入棱镜的椭圆光斑被该棱边分成两部分，分别为位于所述校准玻璃平板上的第一部分光束和位于所述校准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线发生全反射并部分光线发生折射，所述第一部分光束用于进行自校准，所述第二部分光束用于测量待测液体的参数，所述校准玻璃平板的宽度小于所述椭圆光斑的短轴；

反射光能量收集系统(5，6)，用于将均从棱镜(3)射出的所述第一部分光束对应的第一光信号和第二部分光束对应的第二光信号分别转换为第一图像信号和第二图像信号，并输出；和

图像采集分析系统(7)，用于接收所述第一图像信号和第二图像信号，并将所述第一图像信号和第二图像信号进行处理和比对分析，以实现自校准和对待测液体参数的准确测量。

2.如权利要求1所述的一种自校准的折光计，其特征在于，所述校准玻璃平板为矩形体，所述棱镜为等腰棱镜。

3.如权利要求2所述的一种自校准的折光计，其特征在于，所述呈矩形体的校准玻璃平板的长度大于所述椭圆光斑的长轴。

4.如权利要求2或3所述的一种自校准的折光计，其特征在于，所述呈矩形体的校准玻璃平板的宽度等于椭圆光斑短轴的一半。

5.如权利要求2所述的一种自校准的折光计，其特征在于，所述呈矩形体的校准玻璃平板的长度与所述棱镜底面的长度相同，且校准玻璃平板的宽度小于所述棱镜底面的宽度。

6.如权利要求5所述的一种自校准的折光计，其特征在于，所述校准玻璃平板的宽度为所述棱镜的底面宽度的一半。

7.如权利要求2所述的一种自校准的折光计，其特征在于，所述呈矩形体的校准玻璃平板贴合在所述棱镜底面的两个矩形中的一个上，所述两个矩形是指该棱镜底面被沿长度方向的中线分成的面积和形状相同的矩形。

8.如权利要求1所述的一种自校准的折光计，其特征在于，校准玻璃平板(4)与待测液体相接触的一面涂覆有吸光涂层，所述吸光涂层为黑色吸光材料。

9.如权利要求1所述的一种自校准的折光计，其特征在于，所述反射光能量收集系统包括输出耦合光学系统(5)和面阵器件，所述第一光信号和所述第二光信号通过所述输出耦合光学系统(5)照射在面阵器件的感光面上，以将第一光信号和第二光信号转换为第一图像信号和第二图像信号。

10.如权利要求1所述的一种自校准的折光计，其特征在于，所述光源照明系统(1，2)包括光源(1)和输入耦合光学系统(2)，该光源(1)出射的光束通过该输入耦合光学系统(2)后形成小光点的发散光束。