CN110749423A - 一种棱镜折射率的测量方法及测量系统 - Google Patents

一种棱镜折射率的测量方法及测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种棱镜折射率测量系统，包括光源、测量机构和准直件，测量机构包括壳体、陀螺仪传感器、时钟模块、中央处理模块和显示模块；陀螺仪传感器、时钟模块、中央处理模块均设置于壳体内部，外壳设置有测量壁；陀螺仪传感器、时钟模块、显示模块与中央处理模块电连接，取代了分光计对棱镜折射角和最小偏向角的繁琐测量，而且省去了人工计算的过程，测量过程简单快捷；本发明公开了一种棱镜折射率测量方法，利用陀螺仪和中央处理模块计算出棱镜折射角和最小偏向角，并利用中央处理模块计算出折射率，从而便捷的实现了棱镜相关角度测量和折射率的计算。

Description

一种棱镜折射率的测量方法及测量系统
技术领域
本发明涉及棱镜玻璃折射率测量技术领域，尤其涉及一种棱镜折射率的测量方法及测量系统。
背景技术
目前，棱镜的折射率采用分光计进行测量。分光计是一个测量角度的装置，主要由四部分组成，平行光管、望远镜、载物台和读数装置。利用分光计测量棱镜折射率时，必须经过“望远镜调焦到无穷远；调望远镜的光轴与分光计中心轴垂直；调载物台法线平行于分光计中心轴；调平行光管出射平行光；调平行光管的光轴与分光计中心轴垂直”等复杂的调节后,才能进行棱镜棱角和最小偏向角的相关测量，在测量过程中根据分光计游标数据得到棱镜棱角及最小偏向角，最后，手动计算出棱镜玻璃折射率。因此，用分光计测量棱镜折射率不仅调节非常繁琐复杂，且需要人工读数及计算，棱镜玻璃折射率的测量过程耗时长。本发明企图找到一种简单快捷实用的测量方法。
发明内容
本发明的目的是利用现代信息技术提供一种棱镜折射率的测量方法及测量系统，取代了分光计对棱镜折射角和最小偏向角的测量，并由系统自动计算出棱镜折射率，省去了人工记数和计算的过程，测量方法简单快捷。
本发明采用的技术方案为：
一种棱镜折射率的测量方法，包括以下步骤：
S1、测量机构初始化；测量机构包括外壳、用于采集测量机构旋转信号的陀螺仪传感器、时钟模块和中央处理模块；所述的外壳设置有用于贴合棱镜的测量壁；
S2、利用测量机构获取待测量棱镜的棱镜折射角的大小A；
将测量壁贴合棱镜折射角的第一折射边，使测量机构角度初始化，固定棱镜不动，再将测量壁贴合棱镜的第二折射边，中央处理模块根据测量壁移动过程中陀螺仪传感器采集的角速度信号、时钟模块的旋转时间信号，解算出棱镜折射角的大小A；
S3、用测量机构获取光线通过棱镜折射角的第一折射边和第二折射边后的最小偏向角的大小δmin；
S3.1：将外壳与准直件固定连接；所述的准直件设置有准直狭缝；
S3.2：使入射光线入射到棱镜折射角的第一折射边，入射光线经棱镜两次折射，出射光线从待测量棱镜折射角的第二折射边射出；
S3.3：保持入射光线方向不变，旋转棱镜，以改变入射光线的入射角，直至找到最小偏向角的出射光线时，固定棱镜不动，让此时的出射光线平行穿过准直狭缝，并使测量机构角度初始化；
S3.3：移去棱镜，在水平面内移动测量机构，使入射光线平行穿过准直狭缝；
S3.4：中央处理模块根据手机移动过程中，根据陀螺仪传感器采集的角速度信号、时钟模块的旋转时间信号，解算出最小偏向角的大小δmin；
S4、中央处理模块根据公式(1)解算出棱镜折射率n；
Figure BDA0002211486280000021
所述的测量机构采用手机，所述的中央处理模块包括数据获取模块和数据处理模块；
所述的数据获取模块用于调用手机内部的时钟模块和陀螺仪传感器的信号；所述的数据处理模块用于根据时钟模块和陀螺仪传感器的信号，解算测量机构移动过程中的输出旋转角度；
所述的数据处理模块解算测量机构的输出旋转角度包括以下步骤：
A1:测量机构移动过程中的旋转均绕陀螺仪的z轴方向；利用时钟模块，数据获取模块按照一定采样频率采集陀螺仪绕z轴旋转的角速度信号；设定在陀螺仪旋转过程中采样次数为n，采样周期为dt，第i个采样周期陀螺仪的角速度为Gyro(i)，第i个采样周期陀螺仪沿z轴旋转的角度增量为Δangle(i)；1≤i≤n；
A2:利用阈值滤波算法解算出测量机构移动过程的输出旋转角度angle：
A2.1:利用公式(2)解算出第i个采样周期陀螺仪沿z轴旋转的角度增量Δangle(i)；
Figure BDA0002211486280000031
K为阈值开度；
A2.2:利用公式(3)解算出测量机构移动过程中陀螺仪沿z轴的滤波旋转角度z-angle；
A2.3:采用平均补偿法对滤波旋转角度z-angle进行补偿，得到输出旋转角度angle:
将完成角度测量的测量机构，绕着陀螺仪Z轴方向旋转Z1度，中央处理模块利用步骤A2.1和步骤A2.2中的阈值滤波算法解算出陀螺仪沿Z轴实际的旋转角度Z2,并利用公式(4)和公式(5)对滤波旋转角度z-angle进行矫正，得到输出旋转角度angle；
ΔZ1＝|Z1-Z2| (4)
angle＝z-angle*(1+ΔZ1/Z1) (5)
一种棱镜折射率测量系统，包括光源、测量机构和辅助机构，所述的测量机构包括壳体、陀螺仪传感器、时钟模块、中央处理模块和显示模块；所述的辅助机构包括设置有准直狭缝的准直件；
所述的陀螺仪传感器、时钟模块、中央处理模块均设置于壳体内部，所述的陀螺仪传感器与壳体固定连接，所述的显示屏设置于壳体外壁；所述的准直件与壳体可拆卸连接；所述的外壳设置有用于贴合棱镜的测量壁；
所述的陀螺仪传感器的信号输出端连接中央处理模块的角速度信号输入端；时钟模块与中央处理模块电连接，所述的中央处理模块的角度输出端与显示模块相连接。
优选的，所述的辅助机构还包括用于旋转棱镜的旋转组件；所述的旋转组件包括底座和用于固定放置棱镜的旋转平台，所述的旋转平台与底座转动连接。
所述的旋转平台上端面设置有用于固定棱镜的卡接部。
所述的卡接部为与棱镜形状匹配的限位槽。
本发明了提供一种棱镜折射率测量方法，利用陀螺仪和中央处理模块计算出棱镜折射角和最小偏向角，并利用中央处理模块计算出折射率，从而实现了棱镜相关角度测量和折射率的计算两大功能，不但完全取代了分光计对棱镜折射角和最小偏向角的测量，而且省去了人工记数和计算的过程，测量方法简单快捷。
本发明提供了一种棱镜折射率的测量系统，利用陀螺仪和中央处理模块计算出棱镜折射角和最小偏向角，并利用中央处理模块计算出折射率，结构简单，易于调节和测量，避免了分光计测量棱镜折射率时繁琐复杂的调节过程。
进一步的，本发明的测量方法，在测量并计算棱镜折射角和最小偏向角时，利用阈值滤波法和平均补偿法，进一步提升了棱镜折射角和最小偏向角的测算精度，提升了棱镜折射率的测量精度。
附图说明
图1为本发明棱镜折射率测量系统的结构示意图；
图2为本发明棱镜折射率测量系统的原理方框图；
图3为本发明测量方法的流程图；
1、光源；2、棱镜；3、底座；4、旋转轴；5、旋转平台；6、测量机构；7、准直件；8、增高架。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的棱镜折射率测量系统，包括光源、测量机构和辅助机构，所述的测量机构包括壳体、陀螺仪传感器、时钟模块、中央处理模块和显示模块；所述的辅助机构包括设置有准直狭缝的准直件；
所述的陀螺仪传感器、时钟模块、中央处理模块均设置于壳体内部，所述的陀螺仪传感器与壳体固定连接，所述的显示屏设置于壳体外壁；所述的准直件与壳体可拆卸连接；所述的外壳设置有用于贴合棱镜的测量壁；
所述的陀螺仪传感器的信号输出端连接中央处理模块的角速度信号输入端；时钟模块与中央处理模块电连接，所述的中央处理模块的角度输出端与显示模块相连接。
本实施例中，所述光源为氦氖激光器。
在本实施例中，优选的，所述的测量机构采用手机，所述的中央处理模块包括数据获取模块和数据处理模块；所述的数据获取模块用于调用手机内部的时钟模块和陀螺仪传感器的信号；所述的数据处理模块用于根据时钟模块和陀螺仪传感器的解算手机旋转角度，手机的显示模块显示解算出的棱镜折射角、最小偏向角和棱镜折射率。手机长边的二个壁形状规整，任意一个壁作为测量壁，与棱镜的折射边贴合，作为旋转棱镜时的参照物。
所述的辅助机构还包括用于旋转棱镜的旋转组件；所述的旋转组件包括底座和用于固定放置棱镜的旋转平台，所述的旋转平台与底座转动连接。
具体的，所述的底座上设置有旋转轴，所述旋转轴的下端与底座转动连接，所述旋转轴的上端设置有卡接头，所述旋转平台的上部端面设置有与棱镜匹配的限位槽。旋转平台与底座转动连接，旋转平台绕旋转轴的轴心可做360度旋转。在测量光线最小偏向角时，准直狭缝用于对光线传播方向的定位，测量时准直件固定在手机上。
优选的，所述的辅助机构还包括用于放置手机的增高架，将手机放置在增高架上，使得准直狭缝的高度与光源的高度一致，从而能保证光源发出的光线能够平行穿过准直狭缝。
本实施例中，所述旋转平台上的限位槽为与棱镜形状匹配。
优选的，所述的限位槽正对旋转轴，将棱镜放入限位槽中，将棱镜卡住。
本发明提供了一种棱镜折射率测量系统，利用陀螺仪和中央处理模块计算出棱镜折射角和最小偏向角，并利用中央处理模块计算出折射率，从而实现了棱镜相关角度测量和折射率的计算两大功能，不但完全取代了分光计对棱镜折射角和最小偏向角的测量，而且省去了人工记数和计算的过程，测量方法简单快捷。
本发明所述的棱镜折射率的测量方法，包括以下步骤：
S1、测量机构初始化；棱镜折射率测量系统包括外壳、用于采集测量机构旋转信号的陀螺仪传感器、时钟模块和中央处理模块；本实施例中，所述的棱镜折射率测量系统采用手机，所述的中央处理模块包括数据获取模块和数据处理模块；所述的数据获取模块用于调用手机内部的时钟模块和陀螺仪传感器的信号；所述的数据处理模块用于根据时钟模块和陀螺仪传感器的信号解算角度。
S2、利用棱镜折射率测量系统获取待测量棱镜折射角的大小A；
将手机的一个侧壁作为测量壁，将测量壁贴合棱镜折射角的第一折射边，把系统角度初始化为0，固定棱镜不动，再将测量壁贴合棱镜折射角的第二折射边，中央处理模块根据测量壁移动过程中陀螺仪传感器采集的角速度信号、时钟模块的旋转时间信号，解算出棱镜折射角；
S3、用棱镜折射率测量系统获取光线通过棱镜折射角的第一折射边和第二折射边后的最小偏向角的大小δmin；
S3.1：使入射光线入射到棱镜折射角的第一折射边，入射光线经棱镜两次折射，出射光线从棱镜折射角的第二折射边射出；将外壳与具有准直狭缝的准直件固定连接；
S3.2：保持入射光线方向不变，旋转棱镜，以改变入射光线的入射角，直至找到最小偏向角的出射光线时，固定棱镜不动，让此时的出射光线平行穿过准直狭缝，并使棱镜折射率测量系统角度初始化为0；
S3.3：移去棱镜，在水平面内移动手机，使原入射光线平行穿过准直狭缝；
S3.4：中央处理模块根据手机移动过程中中央处理模块根据测量壁移动过程中陀螺仪传感器采集的角速度信号、时钟模块的旋转时间信号，解算出最小偏向角δmin；
S4、中央处理模块根据公式(1)自动解算出棱镜折射率n，并显示在手机的显示模块上；
Figure BDA0002211486280000061
δmin-最小偏向角的大小；A-棱镜折射角的大小。
本实施例中，具体的，所述的数据处理模块解算测量机构的输出旋转角度包括以下步骤：
A1:由于在测试过程中，手机均在水平面内旋转或移动，因此，测量机构移动过程中的旋转均绕陀螺仪的z轴方向；利用时钟模块，数据获取模块按照一定采样频率采集陀螺仪绕z轴旋转的角速度信号；设定在陀螺仪旋转过程中采样次数为n，采样周期为dt，第i个采样周期陀螺仪的角速度为Gyro(i)，第i个采样周期陀螺仪绕z轴旋转的角度增量为Δangle(i)；1≤i≤n；
A2:利用阈值滤波算法解算出测量机构移动过程的输出旋转角度angle：
A2.1:利用公式(2)解算出第i个采样周期陀螺仪绕z轴旋转的角度增量Δangle(i)；
Figure BDA0002211486280000062
K为阈值开度；
A2.2:利用公式(3)解算出测量机构移动过程中陀螺仪绕z轴的滤波旋转角度z-angle；
Figure BDA0002211486280000071
A2.3:采用平均补偿法对滤波旋转角度z-angle进行补偿，得到输出旋转角度angle:
将完成角度测量的测量机构，绕着陀螺仪Z轴方向旋转Z1度，中央处理模块利用步骤A2.1和步骤A2.2中的阈值滤波算法解算出陀螺仪绕Z轴实际的旋转角度Z2,并利用公式(4)和公式(5)对滤波旋转角度z-angle进行矫正，得到输出旋转角度angle；
ΔZ1＝|Z1-Z2| (4)
angle＝z-angle*(1+ΔZ1/Z1) (5)
现对Z轴的误差产生的大小作以下分析：
在通过对陀螺仪信号进行积分得到手机旋转角度的过程中，积分时间越长，存在误差越大。由于本实验测量的时间很短，故积分误差极小，在实验允许的误差范围之内。且陀螺仪的静态性能差，动态性能好，而本测量过程本来就是一个动态的过程，当由动态转为静态时，标志着测量的结束，故对陀螺仪信号进行积分得到手机旋转角度的过程中积分误差极小，在实验允许的误差范围之内。
外部干扰会对传感器造成误差，使传感器产生一个移动的错觉，所以我们将对此进行滤波处理。本实施例中，采用了阈值滤波。将阈值内的“噪声”进行滤除。
阈值滤波法也会对正常测量值的微小部分进行滤除，因此需要对整体结果进行补偿，在实际测量使用过程中发现性能稳定。
综上所述，本发明所述的棱镜折射率测量方法，利用陀螺仪测量棱镜折射角和最小偏向角，直接在中央处理模块中计算出棱镜折射率，从而实现了棱镜相关角度测量和折射率的计算两大功能，不但完全取代了分光计对棱镜折射角和最小偏向角的测量，而且省去了人工记数和计算的过程，测量方法简单快捷，且在本发明的棱镜相关角度计算方法中，则充分考虑棱镜折射角度测量过程中测量时间短、测量过程为动态过程、仅需测量水平面上的旋转角度这三大特点，采集陀螺仪绕z轴旋转的角速度信号，从而简化解算过程，并利用阈值滤波算法和平均补偿算法提升解算精度，从而提升棱镜折射率的测量精度。

Claims (7)

1.一种棱镜折射率的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、测量机构初始化；测量机构包括外壳、用于采集测量机构旋转信号的陀螺仪传感器、时钟模块和中央处理模块；所述的外壳设置有用于贴合棱镜的测量壁；
S2、利用测量机构获取待测量棱镜的棱镜折射角的大小A；
将测量壁贴合棱镜折射角的第一折射边，使测量机构角度初始化，固定棱镜不动，再将测量壁贴合棱镜的第二折射边，中央处理模块根据测量壁移动过程中陀螺仪传感器采集的角速度信号、时钟模块的旋转时间信号，解算出棱镜折射角的大小A；
S3、用测量机构获取光线通过棱镜折射角的第一折射边和第二折射边后的最小偏向角的大小δmin；
S3.1：将外壳与准直件固定连接；所述的准直件设置有准直狭缝；
S3.2：使入射光线入射到棱镜折射角的第一折射边，入射光线经棱镜两次折射，出射光线从待测量棱镜折射角的第二折射边射出；
S3.3：保持入射光线方向不变，旋转棱镜，以改变入射光线的入射角，直至找到最小偏向角的出射光线时，固定棱镜不动，让此时的出射光线平行穿过准直狭缝，并使测量机构角度初始化；
S3.3：移去棱镜，在水平面内移动测量机构，使入射光线平行穿过准直狭缝；
S3.4：中央处理模块根据手机移动过程中，根据陀螺仪传感器采集的角速度信号、时钟模块的旋转时间信号，解算出最小偏向角的大小δmin；
S4、中央处理模块根据公式(1)解算出棱镜折射率n；
Figure FDA0002211486270000011
2.根据权利要求1所述的棱镜折射率的测量方法，其特征在于：所述的测量机构采用手机，所述的中央处理模块包括数据获取模块和数据处理模块；所述的数据获取模块用于调用手机内部的时钟模块和陀螺仪传感器的信号；所述的数据处理模块用于根据时钟模块和陀螺仪传感器的信号，解算测量机构移动过程中的输出旋转角度。
3.根据权利要求1所述的棱镜折射率的测量方法，其特征在于：所述的数据处理模块解算测量机构的输出旋转角度包括以下步骤：
A1:测量机构移动过程中的旋转均绕陀螺仪的z轴方向；利用时钟模块，数据获取模块按照一定采样频率采集陀螺仪绕z轴旋转的角速度信号；设定在陀螺仪旋转过程中采样次数为n，采样周期为dt，第i个采样周期陀螺仪的角速度为Gyro(i)，第i个采样周期陀螺仪沿z轴旋转的角度增量为Δangle(i)；1≤i≤n；
A2:利用阈值滤波算法解算出测量机构移动过程的输出旋转角度angle：
A2.1:利用公式(2)解算出第i个采样周期陀螺仪沿z轴旋转的角度增量Δangle(i)；
Figure FDA0002211486270000021
K为阈值开度；
A2.2:利用公式(3)解算出测量机构移动过程中陀螺仪沿z轴的滤波旋转角度z-angle；
Figure FDA0002211486270000022
A2.3:采用平均补偿法对滤波旋转角度z-angle进行补偿，得到输出旋转角度angle:
将完成角度测量的测量机构，绕着陀螺仪Z轴方向旋转Z1度，中央处理模块利用步骤A2.1和步骤A2.2中的阈值滤波算法解算出陀螺仪沿Z轴实际的旋转角度Z2,并利用公式(4)和公式(5)对滤波旋转角度z-angle进行矫正，得到输出旋转角度angle；
ΔZ1＝|Z1- Z2| (4)
angle＝z-angle*(1+ΔZ1/ Z1) (5)
4.一种棱镜折射率测量系统，其特征在于：包括光源、测量机构和辅助机构，所述的测量机构包括壳体、陀螺仪传感器、时钟模块、中央处理模块和显示模块；所述的辅助机构包括设置有准直狭缝的准直件；
所述的陀螺仪传感器、时钟模块、中央处理模块均设置于壳体内部，所述的陀螺仪传感器与壳体固定连接，所述的显示屏设置于壳体外壁；所述的准直件与壳体可拆卸连接；所述的外壳设置有用于贴合棱镜的测量壁；
所述的陀螺仪传感器的信号输出端连接中央处理模块的角速度信号输入端；时钟模块与中央处理模块电连接，所述的中央处理模块的角度输出端与显示模块相连接。
5.根据权利要求4所述的棱镜折射率测量系统，其特征在于：所述的辅助机构还包括用于旋转棱镜的旋转组件；所述的旋转组件包括底座和用于固定放置棱镜的旋转平台，所述的旋转平台与底座转动连接。
6.根据权利要求5所述的棱镜折射率测量系统，其特征在于：所述的旋转平台上端面设置有用于固定棱镜的卡接部。
7.根据权利要求5所述的棱镜折射率测量系统，其特征在于：所述的卡接部为与棱镜形状匹配的限位槽。
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