CN109540844A - 一种液体散射测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光辐射测量领域，公开了一种液体散射测量装置及其测量方法，其中的测量装置包括：容器、第一积分球和第二积分球；所述容器设置在所述第一积分球及所述第二积分球之间，用于装待测液体；所述第一积分球的球心及所述第二积分球的球心所在的直线与水平方向平行；在所述容器与所述第一积分球相连的一侧设有第一光学窗口，以及在所述第一积分球上与所述第一光学窗口的相对处设有进光口；在所述容器与所述第二积分球相连的一侧设有第二光学窗口，以及在所述第二积分球上与所述第二光学窗口的相对处设有出光口。本发明提供的测量装置可以同时测量得出液体的透射(前向)散射特性和反射(后向)散射特性。

Description

一种液体散射测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及光辐射测量技术领域，特别是涉及一种液体散射测量装置及其测量方法。

背景技术

散射是被投射波照射的物体表面曲率较大甚至不光滑时，其二次辐射波在角域上按一定的规律作扩散分布的现象。它是分子或原子相互接近时，由于双方具有很强的相互斥力，迫使它们在接触前就偏离了原来的运动方向而分开，这通常称为“散射”。散射是指由传播介质的不均匀性引起的光线向四周射去的现象。

对于现有的光学波段范围内的材料散射特性测量装置,一般采用雾度或者双向反射分布函数来进行表征。其中，雾度(haze)是偏离入射光2.5°角以上的透射光强占总透射光强的百分数，雾度越大意味着薄膜光泽以及透明度尤其成像度下降。双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF)用来定义给定入射方向上的辐射照度(irradiance)如何影响给定出射方向上的辐射率(radiance)。更笼统地说，它描述了入射光线经过某个表面反射后如何在各个出射方向上分布；这可以是从理想镜面反射到漫反射、各向同性(isotropic)或者各向异性(anisotropic)的各种反射。

限于现有技术，目前不论是雾度计还是BRDF测量仪，主要缺点为：均只能对样品的半球空间进行测量；以及，一般无法对液体样品进行测量。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种液体散射测量装置及其测量方法，旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种液体散射测量装置，包括：容器、第一积分球和第二积分球；所述容器设置在所述第一积分球及所述第二积分球之间，用于装待测液体；所述第一积分球的球心及所述第二积分球的球心所在的直线与水平方向平行；在所述容器与所述第一积分球相连的一侧设有第一光学窗口，以及在所述第一积分球上与所述第一光学窗口的相对处设有进光口；在所述容器与所述第二积分球相连的一侧设有第二光学窗口，以及在所述第二积分球上与所述第二光学窗口的相对处设有出光口。

本发明还提供一种利用上述的液压散射测量装置的测量方法，包括：将单色光从第一积分球上的进光口射入，以使部分所述单色光经第一光学窗口穿透容器中的待测液体；并检测所述第一积分球收集的反射散射信号的强度；穿透所述容器中的待测液体的部分所述单色光经第二光学窗口射出至第二积分球内；并检测所述第二积分球收集的透射散射信号的强度；根据所述反射散射信号的强度获取所述待测液体的反射散射特性；以及，根据所述透射散射信号的强度获取所述待测液体的透射散射特性。

(三)有益效果

本发明提供的液体散射测量装置及其测量方法，通过在容器的两侧分别设置第一积分球和第二积分球，使得该测量装置可以同时测量得出液体的透射散射特性和反射散射特性。

附图说明

图1为本发明液体散射特性测量装置的一个优选实施例的结构示意图；

图2为本发明液体散射特性测量方法的一个优选实施例的流程框图；

图中，1-第一积分球；2-进光口；3-容器；4-第一光学窗口；5-第二光学窗口；6-第二积分球；7-出光口；8-第一探测器；9-第一屏蔽罩；10-第二探测器；11-第二屏蔽罩。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

图1示出了本发明液体散射特性测量装置的一个优选实施例，如图1所示，该测量装置包括：容器3、第一积分球1和第二积分球6；容器3设置在第一积分球1及第二积分球6之间，用于装待测液体；第一积分球1的球心及第二积分球6的球心所在的直线与水平方向平行；在容器3与第一积分球1相连的一侧设有第一光学窗口4，以及在第一积分球1上与第一光学窗口4的相对处设有进光口2；在容器3与第二积分球6相连的一侧设有第二光学窗口5，以及在第二积分球6上与第二光学窗口5的相对处设有出光口7。

具体地，在容器3的两侧分别设有第一光学窗口4和第二光学窗口5，且将容器3设在第一积分球1与第二积分球6之间，即，使得容器3上的第一光学窗口4与第一积分球1相接触，容器3上的第二光学窗口5与第二积分球6相接触；以及，在第一积分球1上与第一光学窗口4的相对处设有进光口2，在第二积分球6上与第二光学窗口5的相对处设有出光口7，即进光口2，第一光学窗口4、第二光学窗口5和出光口7处于一条直线，进而形成可同时测量液体反射散射特性和透射散射特性的装置。首先，将待测液体装入容器3中，例如，容器3的形状与试管类似，例如，容器3与比色皿类似；例如，容器3的光程可以为1mm、5mm、10mm、20mm、50mm或100mm等。然后将容器3放置在第一积分球1和第二积分球6之间进行测量，例如，将光程为1mm的容器3放置在第一积分球1和第二积分球6之间；随后，用单色光从第一积分球1的进光口2入射进入第一积分球1内，单色光依次经第一光学窗口4、液体、第二光学窗口5从第二积分球6的出光口7射出。由于液体存在散射，则反射散射光留在了第一积分球1中，被第一积分球1收集；透射散射光留在了第二积分球6中，被第二积分球6收集。通过测量第一积分球1收集的反射散射信号的强度，以及测量第二积分球6收集的透射散射信号的强度，可以得出水体的反射散射信号的强度和透射散射信号的强度。

在本实施例中，通过在容器3的两侧分别设置第一积分球1和第二积分球6，使得该测量装置可以同时测量得出液体的透射散射特性和反射散射特性。

另外，还可将不同光程的容器3依次放置在第一积分球1和第二积分球6之间，例如，先将光程为1mm的容器3放置在第一积分球1和第二积分球6之间，测量得到一组反射散射信号的强度和透射散射信号的强度。然后，将光程为5mm的容器3放置在第一积分球1和第二积分球6之间，测量得到另一组反射散射信号的强度和透射散射信号的强度。通过将多个不同光程的容器3分别依次放置在第一积分球1和第二积分球6之间，得到多组反射散射信号的强度和透射散射信号的强度。然后，将多组反射散射信号的强度进行线性拟合，线性拟合的结果即得到了与容器3的光程无关的反射散射信号强度；以及，将多组透射散射信号的强度进行线性拟合，线性拟合的结果即得到了与容器3的光程无关的透射散射信号强度。然后，根据得到的反射散射信号强度即可得到液体的反射散射特性，以及根据得到的透射散射信号强度即可得到液体的透射散射特性。测量装置的该种使用方法提高了测量的精确性。

另外，在测量液体的透射散射特性时，移除第一积分球1，采用标准雾度片对第二积分球6进行校准，得到标准透射散射信号的强度。在测量液体的反射散射特性时，移除第二积分球6，采用标准漫反射比白板对第一积分球1进行校准，得到标准反射散射信号的强度。经过校准后，保证测量装置的测量结果准确可靠。

则在测量到反射散射信号的强度后，结合标准反射散射信号的强度，即可得到待测液体的反射散射特性；例如，将测量的反射散射信号的强度除以标准反射散射信号的强度，即可得到待测液体的反射散射系数。以及，则在测量到透射散射信号的强度后，结合标准透射散射信号的强度，即可得到待测液体的透射散射特性；例如，将测量的透射散射信号的强度除以标准透射散射信号的强度，即可得到待测液体的透射散射系数。

进一步地，第一光学窗口4与第二光学窗口5相互平行。例如，第一光学窗口4与水平方向垂直，即第一光学窗口4竖直设置；则第二光学窗口5也竖直设置；且进光口2、第一光学窗口4、第二光学窗口5和出光口7处于同一水平面上。则在利用该测量装置测量液体的散射特性时，单色光从进光口2入射，然后经第一光学窗口4和第二光学窗口5射入至第二积分球6内，并经第二积分球6的出光口7射出；例如，单色光采用准直单色光。且由于第一光学窗口4与第二光学窗口5相互平行，使得单色光经第一光学窗口4穿透至容器3内的液体，并从液体射出至第二光学窗口5的过程中，单色光的方向不会发生变化，提高了测量装置测量液体散射特性的准确性。

进一步地，该液体散射测量装置，还包括：设置在第一积分球1上的第一探测器8；第一探测器8用于检测液体反射散射信号的强度。以及，液体散射测量装置，还包括：设置在第二积分球6上的第二探测器10；第二探测器10用于检测液体透射散射信号的强度。例如，将第一探测器8设置在第一积分球1的顶部；则可通过第一探测器8测量到第一积分球1收集的反射散射信号的强度，根据第一探测器8的测量结果即可得到液体的反射散射特性，例如，液体为水体，即可得到水体的反射散射系统。例如，将第二探测器10也设置在第二积分球6的顶部；则可通过第二探测器10测量到第二积分球6收集的透射散射信号的强度，根据第二探测器10的测量结果即可得到液体的透射散射特性，例如，液体为水体，即可得到水体的透射散射系统。

进一步地，该液体散射测量装置，还包括：第一屏蔽罩9和/或第二屏蔽罩11；第一屏蔽罩9设置在第一探测器8与第一积分球1的连接处；第二屏蔽罩11设置在第二探测器10与第二积分球6的连接处。具体地，在第一探测器8与第一积分球1的连接处设置第一屏蔽罩9，例如，将第一屏蔽罩9的底部与第一积分球1的外壳相连，以及将第一屏蔽罩9的顶部与第一探测器8相连；则可通过该第一屏蔽罩9将外部信息屏蔽，使得第一探测器8可以较准确的测量第一积分球1收集的反射散射信号的强度。和/或，在第二探测器10与第二积分球6的连接处设置第二屏蔽罩11，例如，将第二屏蔽罩11的底部与第二积分球6的外壳相连，以及将第二屏蔽罩11的顶部与第二探测器10相连；则可通过该第二屏蔽罩11将外部信息屏蔽，使得第二探测器10可以较准确的测量第二积分球6收集的反射散射信号的强度。

进一步地，该容器3采用高纯石英制作。高纯石英的SiO₂含量≥99.9—99.99％，Fe₂O₃含量≤0.001％，是采用天然水晶石或优质天然石英石，经过精心挑选，精细加工而成。采用高纯石英制作的容器3可以提高不同波段下光线的透射能力，使得第二探测器10测量到的第二积分球6收集的透射散射信号的强度较准确。

实施例2：

图2示出了本发明液体散射特性测量方法的流程框图，如图2所示，该测量方法包括：将单色光从第一积分球1上的进光口2射入，以使部分单色光经第一光学窗口4穿透容器3中的待测液体；并检测第一积分球1收集的反射散射信号的强度；穿透容器3中的待测液体的部分单色光经第二光学窗口5射出至第二积分球6内；并检测第二积分球6收集的透射散射信号的强度；根据反射散射信号的强度获取待测液体的反射散射特性；以及，根据透射散射信号的强度获取待测液体的透射散射特性。

具体地，该测量方法利用上述的液体散射特性测量装置。将待测液体装入容器3中，例如，待测液体为水体；例如，容器3与比色皿类似；例如，容器3的光程可以为1mm、5mm、10mm、20mm、50mm或100mm等。然后将容器3放置在第一积分球1和第二积分球6之间进行测量，例如，将光程为1mm的容器3放置在第一积分球1和第二积分球6之间；随后，将光线经过分光后得到单色光，并用单色光从第一积分球1的进光口2入射进入第一积分球1内，单色光依次经第一光学窗口4、液体、第二光学窗口5从第二积分球6的出光口7射出。由于液体存在散射，则反射散射光留在了第一积分球1中，被第一积分球1收集；透射散射光留在了第二积分球6中，被第二积分球6收集。通过测量第一积分球1收集的反射散射信号的强度，以及测量第二积分球6收集的透射散射信号的强度，可以得出水体的反射散射信号的强度和透射散射信号的强度。

进一步地，该测量方法，还包括：改变容器3的光程，且每改变一次容器3的光程，检测一次第一积分球1收集的反射散射信号的强度；以及，检测一次第二积分球6收集的透射散射信号的强度；将多次检测的反射散射信号的强度进行线性拟合，根据线性拟合的结果获取待测液体的反射散射特性；以及，将多次检测的透射散射信号的强度进行线性拟合，根据线性拟合的结果获取待测液体的透射散射特性。例如，改变容器3的光程2次、3次、4次、5次或6次等，在本实施例中，以改变容器3的光程6次为例进行说明，但并不用于限制本发明的保护范围。例如，6次容器3的光程分别为1mm、5mm、10mm、20mm、50mm和100mm；将液体分别装入光程不同的容器3中，然后用单色光从第一积分球1的进光口2入射，经第一光学窗口4、待测液体和第二光学窗口5后，经出光口7射出；分别记录检测到的与容器3的光程相对应的反射散射信号的强度和透射散射信号的强度。然后，对该多组反射散射信号的强度进行线性拟合，使得反射散射信号的强度与容器3的光程无关。然后根据线性拟合的结果获取液体的反射散射特性。以及，对该多组透射散射信号的强度进行线性拟合，使得透射散射信号的强度与容器3的光程无关。然后根据线性拟合的结果获取液体的透射散射特性。

进一步地，该测量方法，还包括如下步骤：

第一步：设定入射光波长，在所述第一积分球入口处测量获得入射光的强度，在所述第二积分球出口处测量获得出射光的强度；

第二步：在所述容器的内侧紧贴所述第一窗口放置具有预设光谱透射比值的标准片，在所述第二积分球出口处测量获得出射光的强度；

第三步：在所述第二积分球出口处依次放置光谱漫反射比值在0～100％之间的标准片，调节所述第一窗口与所述第二窗口之间的间距，分别测量并记录所述第一探测器与所述第二探测器的信号；且获取所述第一探测器的信号值与所述第二探测器的信号值的比值；

第四步：采用光谱透射比值在0～100％之间的标准片，重复第二步和第三步；

第五步：调节入射光波长，重复第一步至第四步；

第六步：移除第二步中所使用的光谱透射比标准片；

第七步：在所述容器的内侧紧贴所述第二窗口放置具有预设光谱漫反射比值的标准片，调节所述第一窗口与所述第二窗口之间的间距，分别测量并记录所述第一探测器的信号；以及获取所述第一探测器的信号值与所述具有预设光谱漫反射比值的标准片的漫反射比值之间的比值；

第八步：采用光谱漫反射比值在0～100％之间的标准片，重复第七步；

第九步：调节入射光波长，重复第七步和第八步。在完成以上校准步骤后，测量方法如下：

在所述容器中装入待测液体；调节入射光波长，测量所述第一积分球入口处的光强度，测量所述第二积分球出口处的光强度；调节所述第一窗口与所述第二窗口之间的间距，分别记录所述第一探测器与所述第二探测器的信号；根据所述第一探测器的信号值与所述第二探测器的信号值，利用内插法或者外推法计算得到所述待测液体的透射(前向)散射特性和反射(后向)散射特性。例如，用检测的反射散射信号的强度除以标准反射散射信号的强度，即可得到待测液体的反射散射系数。以及，例如，用检测的透射散射信号的强度除以标准透射散射信号的强度，即可得到待测液体的透射散射系数。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种液体散射测量装置，其特征在于，包括：容器、第一积分球和第二积分球；

所述容器设置在所述第一积分球及所述第二积分球之间，用于装待测液体；所述第一积分球的球心及所述第二积分球的球心所在的直线与水平方向平行；

在所述容器与所述第一积分球相连的一侧设有第一光学窗口，以及在所述第一积分球上与所述第一光学窗口的相对处设有进光口；

在所述容器与所述第二积分球相连的一侧设有第二光学窗口，以及在所述第二积分球上与所述第二光学窗口的相对处设有出光口。

2.根据权利要求1所述的液体散射测量装置，其特征在于，所述第一光学窗口与所述第二光学窗口相互平行。

3.根据权利要求1所述的液体散射测量装置，其特征在于，还包括：设置在所述第一积分球上的第一探测器；所述第一探测器用于检测所述第一积分球收集的反射散射信号的强度。

4.根据权利要求3所述的液体散射测量装置，其特征在于，还包括：设置在所述第二积分球上的第二探测器；所述第二探测器用于检测所述第二积分球收集的透射散射信号的强度。

5.根据权利要求4所述的液体散射测量装置，其特征在于，还包括：第一屏蔽罩和/或第二屏蔽罩；

所述第一屏蔽罩设置在所述第一探测器与所述第一积分球的连接处；

所述第二屏蔽罩设置在所述第二探测器与所述第二积分球的连接处。

6.根据权利要求1-5任一项所述的液体散射测量装置，其特征在于，所述第一光学窗口和所述第二光学窗口采用高纯石英制作。

7.一种液压散射测量方法，其特征在于，包括：

将单色光从第一积分球上的进光口射入，以使部分所述单色光经第一光学窗口穿透容器中的待测液体；并检测所述第一积分球收集的反射散射信号的强度；

穿透所述容器中的待测液体的部分所述单色光经第二光学窗口射出至第二积分球内；并检测所述第二积分球收集的透射散射信号的强度；

根据所述反射散射信号的强度获取所述待测液体的反射散射特性；以及，根据所述透射散射信号的强度获取所述待测液体的透射散射特性。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，还包括：

改变所述容器的光程，且每改变一次所述容器的光程，检测一次所述第一积分球收集的反射散射信号的强度；以及，检测一次所述第二积分球收集的透射散射信号的强度；

将多次检测的所述反射散射信号的强度进行线性拟合或差分计算，根据所述线性拟合或差分计算的结果获取所述待测液体的反射散射特性；以及，将多次检测的所述透射散射信号的强度进行线性拟合或差分计算，根据所述线性拟合或差分计算的结果获取所述待测液体的透射散射特性。

9.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，还包括如下步骤：

第一步：设定入射光波长，在所述第一积分球入口处测量获得入射光的强度，在所述第二积分球出口处测量获得出射光的强度；

第二步：在所述容器的内侧紧贴所述第一窗口处放置具有预设光谱透射比值的标准片，在所述第二积分球出口处测量获得出射光的强度；

第三步：在所述第二积分球出口处依次放置光谱漫反射比值在0～100％之间的标准片，调节所述第一窗口与所述第二窗口之间的间距，分别测量并记录所述第一探测器与所述第二探测器的信号；且获取所述第一探测器的信号值与所述第二探测器的信号值的比值；

第四步：采用光谱透射比值在0～100％之间的标准片，重复第二步和第三步；

第五步：调节入射光波长，重复第一步至第四步；

第六步：移除第二步中所使用的具有预设光谱透射比值的标准片；

第七步：在所述容器的内侧紧贴所述第二窗口处放置具有预设光谱漫反射比值的标准片，调节所述第一窗口与所述第二窗口之间的间距，分别测量并记录所述第一探测器的信号；以及获取所述第一探测器的信号值与所述具有预设光谱漫反射比值的标准片的漫反射比值之间的比值；

第八步：采用光谱漫反射比值在0～100％之间的标准片，重复第七步；

第九步：调节入射光波长，重复第七步和第八步，以获得与不同波长的入射光对应的第一探测器的信号值与具有预设光谱漫反射比值的标准片的漫反射比值之间的比值。

10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，

在所述容器中装入待测液体；调节入射光波长，测量所述第一积分球入口处的光强度，测量所述第二积分球出口处的光强度；调节所述第一窗口与所述第二窗口之间的间距，分别记录所述第一探测器与所述第二探测器的信号；

根据所述第一探测器的信号值与所述第二探测器的信号值，利用内插法或者外推法计算得到所述待测液体的透射散射特性和反射散射特性。