CN106841111A - 一种v棱镜测量土壤折射率的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种V棱镜测量土壤折射率的方法及装置，所述方法包括：将待测土壤样品放置于V棱镜的V形缺口处，并在待测土壤样品和V棱镜之间填充一层浸液；无线电磁波发射器发射垂直于V棱镜入射面的电磁波光束，电磁波光束通过V棱镜和待测土壤样品时发生折射，且折射后的电磁波光束通过V棱镜的出射面射出；移动CCD传感器，分别记录CCD传感器感应到出射电磁波光束的位置坐标；将位置坐标代入公式计算得到样品的折射率。本申请提供的测量方法改进了传统的V棱镜法，将传统的玻璃棱镜替换为透明陶瓷，提高了可测量折射率范围；同时采用无线电磁波发射器和CCD传感器，提高了测量精度；还有本方法测量原理简单，利于快速得到测量结果。

Description

一种V棱镜测量土壤折射率的方法及装置

技术领域

本发明涉及折射率测量技术领域，尤其涉及一种V棱镜测量土壤折射率的方法及装置。

背景技术

折射率是物质的重要光学参数之一，借助折射率能了解物质的光学性能、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。土壤是人类赖以生存的主要条件之一，其包含了土壤矿物质、有机质、微生物、水分和空气等，同时在不同的外界环境下，土壤成分的不同导致土壤折射率差异较大，因此有必要对特定的土壤样品进行折射率测量。

目前测量固体折射率的方法主要包括最小偏向角法、插针法、光干涉法和阿贝折射仪法等，目前这些方法都有各自的优缺点，最小偏向角法测量精度很高，但被测样品需是特定的三棱状；插针法测量精度较差，且要求被测样品较厚；光干涉法仅限于薄透明体，且在测量过程中，需要对待测样品和测量光路反复调整，操作复杂，且对仪器的精密要求非常高；阿贝折射仪法计算公式相对复杂，引起误差的因素较多，而且要求样品的折射率不得大于1.7，对某些样品不能使用。

若使用上述测量方法测量土壤折射率，操作复杂，且测量出的折射率精度较低，因此，找到一种简单、快速、精准地测量土壤折射率的方法一直都是折射率测量领域的重点和难点。

发明内容

本发明提供了一种V棱镜测量土壤折射率的方法及装置，以解决目前土壤折射率测量精度低、测量范围有限的问题。

第一方面，本发明提供了一种V棱镜测量土壤折射率的方法，所述方法包括：

将待测土壤样品放置于V棱镜的V形缺口处，并在所述待测土壤样品与V棱镜之间填充一层浸液

无线电磁波发射器发射垂直于所述V棱镜入射面的电磁波光束，所述电磁波光束通过所述V棱镜和待测土壤样品时发生折射，且折射后的电磁波光束通过所述V棱镜的出射面射出；

移动CCD传感器，分别记录所述CCD传感器感应到出射电磁波光束的位置坐标(x₁,y₁)和(x₂，y₂)C；

将位置坐标(x₁,y₁)和(x₂,y₂)代入公式

计算得到所述待测土壤样品的折射率n，其中n₀为V棱镜的折射率。

可选的，所述移动CCD传感器，分别记录所述CCD传感器感应到出射电磁波光束的位置坐标(x₁,y₁)和(x₂,y₂)，具体包括：

将所述CCD传感器与V棱镜出射面的水平距离x₁设置为0，记录所述CCD传感器感应到出射电磁波光束的位置坐标(0,y₁)；

水平移动所述CCD传感器，将所述CCD传感器与V棱镜出射面的水平距离x₂设置为d，记录所述CCD传感器感应到出射电磁波光束的位置坐标(d,y₂)。

第二方面，本发明提供了一种V棱镜测量土壤折射率的装置，所述装置包括沿光路依次设置的无线电磁波发射器、V棱镜和CCD传感器，其中：

所述V棱镜包括入射面和出射面，所述入射面与出射面相互平行，且所述无线电磁波发射器发出的电磁波光束垂直于所述入射面；

所述CCD传感器接收所述出射面射出的电磁波光束，且所述CCD传感器的光束接收面与所述出射面平行。

可选的，所述V棱镜为透明陶瓷V棱镜。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明提供的测量土壤折射率的方法基于V棱镜法，所述方法包括:将待测土壤样品放置于V棱镜的V形缺口处，并在待测土壤样品与V棱镜之间填充一层浸液；无线电磁波发射器发射电磁波光束，电磁波光束垂直入射V棱镜的入射面，电磁波光束通过V棱镜和待测土壤样品时发生折射，折射后的电磁波光束通过V棱镜的出射面射出；移动CCD传感器，分别记录CCD传感器感应到出射电磁波光束的位置坐标(x₁,y₁)和(x₂,y₂)；将位置坐标(x₁,y₁)和(x₂,y₂)代入公式，计算得到待测土壤样品的折射率。本申请提供的测量土壤折射率的方法改进了传统的V棱镜法，将传统的玻璃棱镜替换为透明陶瓷，提高了可测量折射率范围，同时使用无线电磁波发射器和CCD传感器，提高了测量精度，还有本方法测量原理简单，利于快速得到测量结果。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种V棱镜测量土壤折射率方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的V棱镜的光线示意图；

图3为本发明实施例提供的一种V棱镜测量土壤折射率方法中S300的详细流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种V棱镜测量土壤折射率装置的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，为本发明实施例提供的V棱镜测量土壤折射率的方法流程图。

本申请提供的V棱镜测量土壤折射率的方法包括：

S100：将待测土壤样品放置于V棱镜的V形缺口处，并在所述待测土壤样品与V棱镜之间填充一层浸液。

具体地，V棱镜是一块带有“V”形缺口的长方形棱镜，由两块材料完全相同、折射率均为n₀的直角棱镜胶合而成，V形缺口的张角为90°，两个尖棱的角度为45°。将待测土壤样品磨出构成90°的两个平面，并将其放在V形缺口内，由于样品角度加工的误差，待测土壤样品的两个平面和V形缺口的两个平面之间会存在间隙，需要在中间填充一层浸液(折射率液)。

浸液的折射率应控制在1.5-2.0之间，保持浸液的折射率与待测土壤样品的折射率相近。由于本申请提供的土壤折射率测量法要求被测样品呈90°直角，与V棱镜的V形缺口完美贴合，但是，一方面土壤介质存在空气，另一方面V棱镜表面因为加工问题，并不光滑，导致实际情况下待测土壤样品与V棱镜之间的接触面不可避免存有空气泡，该空气泡会导致待测土壤样品与V棱镜的接触面发生全反射，所述浸液的作用一是防止光线在界面上发生全发射；一是即使样品加工90°不准确，加上浸液之后，近似于一个准确的90°角，且样品表面只需细磨，免去抛光的麻烦，减少了土壤样品和V棱镜的加工要求。

S200：无线电磁波发射器发射垂直于所述V棱镜入射面的电磁波光束，所述电磁波光束通过所述V棱镜和待测土壤样品时发生折射，且折射后的电磁波光束通过V棱镜的出射面射出。

具体地，透地探测的信号源基本选用电磁波，若选用单色光等，光线产生损耗，影响折射率测量精度。如图2所示，调整无线电磁波发射器的方向，使得发射的电磁波垂直射入V棱镜的入射面AB，如果被测样品的折射率n和已知的V棱镜折射率n₀相同，则整个V棱镜加上被测样品就像一块平行平板玻璃一样，电磁波光束在两接触面上不发生偏折，最后的出射电磁波光束也将不发生任何偏折。如果两者折射率不相等，则电磁波光束在待测土壤样品和V棱镜的接触面上发生偏折，最后的出射电磁波光束相对于入射电磁波光束就要发生一偏折角θ，偏折角θ的大小和被测样品的折射率n有关。

土壤折射率小于V棱镜折射率时，入射电磁波光束垂直射入V棱镜的AB面，再通过各分界面时电磁波光束发生偏折，在各分界面，依次应用折射定律可得：

n₀sin45°＝n sin(45°+ω₁)

n sin(45°-ω1)＝n₀sin(45°-ω₂)

n₀sinω₂＝sinθ

其中，ω₁——电磁波光束在AE界面上的折射方向和最初入射电磁波光束方向的夹角；

ω₂——电磁波光束在ED界面上的折射方向和最初入射电磁波光束方向的夹角。

消去上式中的ω₁和ω₂，可得土壤折射率n和电磁波光束偏折角θ之间的关系式：

而偏折角θ可由CCD传感器探测得到。

S300：移动CCD传感器，分别记录所述CCD传感器感应到的出射电磁波光束的位置坐标(x₁,y₁)和(x₂,y₂)。

具体地，CCD(Charge-Coupled Device,电荷耦合器件)传感器具有光电转换功能，又具有信号存储、转移和读出功能，其工作过程可分为四步，第一是光积分期，即曝光时间，这是CCD像元把入射光量子按比例地转换成光生电荷，完成光-电转换；第二是在光积分的同时，把每一个像元产生的光电荷暂时存储在相应的光敏二极管势阱中，实现信号电荷存储；第三是在曝光结束后，把存储的光生电荷沿CCD移位寄存器转移到输出区，完成电荷转移；第四是在读出放大器中把每一个光生电荷包依次转变成相应的视频信号，完成信号读出。因此CCD传感器可以看成一个变换器，它能把一幅空间分布的光电图像变成按时间顺序分布的视频电压信号。

从V棱镜射出的出射电磁波光束的光点位置由CCD传感器测定，使CCD光敏面平行于V棱镜出射面CD放置，光点照在CCD传感器上，CCD传感器可接收感知探头上的光子数，通过移动CCD传感器上的探头位置，使出射电磁波光束照射在CCD探头上，当探头接收到的光子数最大时，说明出射电磁波光束照射到CCD传感器探头上，记录下此处位置坐标。

通过CCD传感器获得出射电磁波光束位置坐标(x₁,y₁)和(x₂,y₂)，由此可得到

如图3所示，本申请实施例准确测得偏折角θ大小的方法如下：

S301：将所述CCD传感器与V棱镜出射面的水平距离x₁设置为0，记录所述CCD传感器感应到出射电磁波光束的位置光标(0,y₁)。

S302：将所述CCD传感器与V棱镜出射面的水平距离x₂设置为d，记录所述CCD传感器感应到出射电磁波光束的位置坐标(d,y₂)。

具体地，当CCD传感器与V棱镜出射面CD的水平距离为0，d时，分别测量出射电磁波光束到达CCD传感器的垂直坐标y₁和y₂。此时偏折角θ的大小为

S400：将位置坐标(x₁,y₁)和(x₂,y₂)代入公式，计算得到待测土壤样品的折射率n。

具体地，将位置坐标(x₁,y₁)和(x₂,y₂)代入式(1)，可得：

当x₁为0，x₂为d，式(3)变为：

经由上述方法即可准确测得土壤的折射率n。

上述实施例是当待测土壤样品的折射率小于V棱镜的折射率时的测量方法，若带测土壤样品的折射率大于V棱镜的折射率时，式(4)变为：

因此，采用V棱镜测量待测样品折射率时，测得出射光线的位置坐标后，代入式(4)即可。

本申请提供的V棱镜测量土壤折射率的方法包括：将待测土壤样品放置于V棱镜的V形缺口处，并在待测土壤样品和V棱镜之间填充一层浸液，浸液用于减小测量误差；无线电磁波发射器发射垂直于V棱镜入射面的电磁波光束，电磁波光束通过V棱镜和待测土壤样品时发生折射，且折射后的电磁波光束通过V棱镜的出射面射出；移动CCD传感器，分别记录CCD传感器感应到出射电磁波光束的位置坐标，精确测得偏折角，提高测量精度；将位置坐标代入公式计算得到土壤折射率。本申请提供的方法改进了传统的V棱镜法，测量原理简单，利于快速得到测量结果，且提高了测量范围和测量精度。

基于本申请实施例提供的V棱镜测量土壤折射率的方法，本申请实施例还提供了V棱镜测量土壤折射率的装置，如图4所示。

本申请实施例提供的V棱镜测量土壤折射率的装置包括沿光路依次设置的无线电磁波发射器1、V棱镜2和CCD传感器3，其中：

V棱镜2包括入射面21和出射面22,入射面21与出射面22相互平行，且无线电磁波发射器1发出的电磁波光束垂直于入射面21，使得电磁波光束垂直入射V棱镜2。V棱镜是一块带有“V”形缺口的长方形棱镜，由两块材料完全相同、折射率均为n₀的直角棱镜胶合而成，V形缺口的张角为90°，两个尖棱的角度为45°。

若电磁波光束入射方向与V棱镜2的入射面21成一定角度，会使得测量工作复杂，需要测量入射角、出射角等角度，而若电磁波光束垂直入射V棱镜2，则入射角为45°，只需测量出射角即可，减少了工作量。

进一步地，无线电磁波发射器1用于发射稳定强度和频率的电磁波。为使得光线穿透土壤，避免土壤对可见光的损耗，本申请采用的光源为电磁波，电磁波可在地下岩层中传播，若选用单色光等，光线产生损耗，影响折射率测量精度。

相比传统的玻璃V棱镜，本申请提供的V棱镜将微波透明陶瓷作为棱镜材料，透明陶瓷具有优良的热及机械性能，同时保持着良好的透光性，目前有透明氧化铝陶瓷、透明氧化钇陶瓷、透明氧氮化铝陶瓷和高折射率透明陶瓷等。与玻璃相比，透明陶瓷具有更高的折射率，可以提高折射率测量范围。

利用V棱镜测量介质折射率，必须保证有出射光线，也就是说，要使测量可进行，需避免光线在样品与V棱镜的接触面和V棱镜的出射面发生全反射，根据分析，在V棱镜折射率n₀一定的情况下，若要避免光线在被测样品与V棱镜的接触面上发生全反射，待测样品的折射率n必须满足下面关系：

由此可见，V棱镜折射率n₀大小限制了可测量的样品折射率n，并且n₀越大，可测量的n范围越广，基于此原理，本申请用高折射率的透明陶瓷替代传统折射率较低的棱镜，进而提高了折射率测量范围。

CCD传感器3用于接收出射电磁波光束，且CCD传感器3的光束接收面与出射面22平行，测定出射电磁波光束的光点位置，精确测得偏折角θ的大小。传统的V棱镜折射仪的测微读数系统的行差在1.8″，空程在3″，同时光源自身线宽以及在介质中的色散效应等，读取角度时有诸多误差因素。而本申请采用的CCD测量仪具有高精度性，直接测量得到的尺寸误差可控制在微米级别，从而获得更精确的偏移出射角θ。

CCD传感器3测得电磁波光束的偏移出射角θ后，可将其传输至处理器，通过处理器计算得到土壤折射率n。

本申请实施例提供的V棱镜测量土壤折射率的装置包括沿光路依次设置的无线电磁波发射器、V棱镜和CCD传感器，其中，无线电磁波发射器用于发射电磁波光束，且电磁波光束垂直入射V棱镜的入射面；V棱镜为测量载体，待测样品放置于V棱镜的V形缺口内，电磁波光束入射V棱镜和待测样品时发生折射；CCD传感器用于接收出射电磁波光束，测得出射电磁波光束的光点位置，精确测得电磁波光束的偏移出射角；获得偏移出射角后，即可代入公式算的土壤折射率。本申请实施例提供的装置改进了传统的V棱镜测量装置，透明陶瓷替换玻璃，提高了测量范围，还有采用无线电磁波发射器和CCD传感器，提高了测量精度。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。

Claims (4)

1.一种V棱镜测量土壤折射率的方法，其特征在于，所述方法包括：

将待测土壤样品放置于V棱镜的V形缺口处，并在所述待测土壤样品与V棱镜之间填充一层浸液；

无线电磁波发射器发射垂直于所述V棱镜入射面的电磁波光束，所述电磁波光束通过所述V棱镜和待测土壤样品时发生折射，且折射后的电磁波光束通过所述V棱镜的出射面射出；

移动CCD传感器，分别记录所述CCD传感器感应到出射电磁波光束的位置坐标(x₁,y₁)和(x₂，y₂)；将位置坐标(x₁,y₁)和(x₂,y₂)代入公式

计算得到所述待测土壤样品的折射率n，其中n₀为V棱镜的折射率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述移动CCD传感器，分别记录所述CCD传感器感应到出射电磁波光束的位置坐标(x₁,y₁)和(x₂,y₂)，具体包括：

将所述CCD传感器与V棱镜出射面的水平距离x₁设置为0，记录所述CCD传感器感应到出射电磁波光束的位置坐标(0,y₁)；

水平移动所述CCD传感器，将所述CCD传感器与V棱镜出射面的水平距离x₂设置为d，记录所述CCD传感器感应到出射电磁波光束的位置坐标(d,y₂)。

3.一种V棱镜测量土壤折射率的装置，其特征在于，所述装置包括沿光路依次设置的无线电磁波发射器、V棱镜和CCD传感器，其中：

所述V棱镜包括入射面和出射面，所述入射面与出射面相互平行，且所述无线电磁波发射器发出的电磁波光束垂直于所述入射面；

所述CCD传感器接收所述出射面射出的电磁波光束，且所述CCD传感器的光束接收面与所述出射面平行。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述V棱镜为透明陶瓷V棱镜。