CN203658258U - 一种多功能数显折光仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多功能数显折光仪，包括外壳，还包括：位于外壳内的电路板，该电路板上安装微控制器和显示模块；位于外壳内的内置电源，该内置电源与所述电路板相连；位于外壳内的光路传感系统，该光路传感系统包括：位于电路板一侧的支架，设于所述支架上的倒梯形棱镜，设于所述倒梯形棱镜顶面的测量槽，设置在所述支架上且位于倒梯形棱镜一侧的LED灯，以及固定在所述支架上且位于所述倒梯形棱镜另一侧的CMOS光电传感器，所述光电传感器与微控制器通信连接。本实用新型仪器准确度高，折光率准确度为0.00005，且成本低廉。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学仪器测量领域，具体涉及一种多功能数显折光仪。
背景技术
折射率是物质的重要物理常数之一，许多物质具有自己独有的折射率。光线从一种介质进入另一种密度不同的介质时，会产生折射现象，液体的折光率n是一个与它的密度p和入射光波长名有关的函数，温度T和浓度C的变化都会改变溶液的密度，即n=n(C，T，γ)。对于一定温度T的溶液，当其入射光波长γ唯一时，溶液的浓度C与其折光率n之间存在着一一对应关系，即C=f-1(n)。因此我们可以通过对穿过溶液的单波长光线位置变化的检测，计算出相应溶液浓度的变化。
目前，国内测量液体折射率的仪器主要有手持式折光仪及阿贝折光仪。例如授权公告号为CN201955301U的中国实用新型专利公开了一种高精度在线数字折光仪。所述折光仪包括折光仪本体和设置于其上的光源控制电路板、棱镜、至少两个反射镜、CCD图像传感器以及信号处理电路板；光源控制电路板上固定有光源，至少两个反射镜沿折光仪本体的高度方向上左右交错排列在测光仪本体相对的两个侧壁上，反射镜用于将从棱镜出射的光线多次反射后射向CCD图像传感器，光源控制电路板和信号处理电路板之间电连接，信号处理电路板和CCD图像传感器之间电连接。
申请号为91231056.1的中国发明专利文献公开了一种自动瞄准阿贝折光仪，通过采用狭缝处设置光电接收器的自准直光管和直角测试棱镜(该棱镜相对斜面的直角的一侧平面为测试面，另一侧平面为镀有反射膜的反射面)，让自准直光管发出的平行光相对直角测试棱镜的斜面作入射角转换扫描，以简单的结构实现了保证精度下的较大测试范围。
这些仪器测量液体折射率的准确度偏大，约为0.0003，且需要配置目镜观察，智能化程度低，不能远程读数和遥控操作。例如授权公告号为CN202126394U的中国实用新型专利公开了一种手持式折光仪目镜，在手持式折光仪上分别设有折光凌镜、进光板、零位校正螺丝和橡胶套，在手持式折光仪的后端部位套有目镜，所述目镜为圆环形，所述目镜内壁紧凑连接。
国外的自动折光仪的测量准确度能达到0.0001或更小，而且体积小，密封好，可直接数显读数，具有防水功能，可用于在线测量，但不能实现远程操控，同时价格偏高，一台日本数显折光仪，至少需要几万人民币以上。国内目前关于在该领域的研究处于起步阶段，因此开发一款经济实惠且符合国情的多功能数显折光仪尤为重要。
实用新型内容
本实用新型提供了一种多功能数显折光仪，测量准确度高，准确度能达到0.00005，且成本低廉。
一种多功能数显折光仪，包括外壳，还包括：
位于外壳内的电路板，该电路板上安装微控制器和显示模块；
位于外壳内的内置电源，该内置电源与所述电路板相连；
位于外壳内的光路传感系统，该光路传感系统包括：
位于电路板一侧的支架，
设于所述支架上的倒梯形棱镜，
设于所述倒梯形棱镜顶面的测量槽，
设置在所述支架上且位于倒梯形棱镜一侧的LED灯，
以及固定在所述支架上且位于所述倒梯形棱镜另一侧的CMOS光电传感器，所述CMOS光电传感器与微控制器通信连接。
本实用新型的多功能数显折光仪，样品液体位于样品槽内，LED灯发出的光束经过倒梯形棱镜一侧进入倒梯形棱镜，发生第1次折光率变化，到达倒梯形棱镜和样品液体界面，一部分光束进入样品液体，折射率发生第2次变化，进入样品液体的光束在样品液体和空气界面发生反射，回到倒梯形棱镜界面，进入倒梯形棱镜，第3次发生折射率变化，该光束穿过倒梯形棱镜到入射光另一侧的空气介质中，第4次发生折射率变化，然后射到CMOS光电传感器上，不同样品液体介质，会产生不同的折射率，光束最后落在CMOS光电传感器上的位移会发生变化，根据光束位移的光电信号，通过微控制器处理，与集成在微控制器上的内置标准曲线对比分析计算，最后将待测样品液体的折光率和其他指标的浓度值输送到显示模块上，同时储存在储存模块中，可供电脑数据导出。
本实用新型中一方面使用了较高精度的CMOS光电传感器，另一方面为了与CMOS光电传感器更好的匹配，改进了光路系统，光路通过2次折射，1次反射，再经过2次折射后的位移点采集完成测量，该光路通过多次折射和反射结合，使得不同折射率的样品液体最后得到的相对位移差相对于其他折光仪更大，即使细微的差别也通过该光路设计得以放大，结合CMOS光电传感器使得本实用新型仪器的准确度提高到0.00005。
作为优选，所述微控制器为MCU微控制器，集成了A/D转换模块和数据储存模块。A/D转换模块能将信号转换成数字信号输出到液晶屏，数据储存模块可以储存测试数据。
作为优选，所述倒梯形棱镜与光电传感器之间设有滤光片，且滤光片为窄带滤光片，波长为589nm，带宽5nm。
作为优选，所述LED灯为波长为589nm的单色黄光LED灯。
作为优选，所述测量槽与倒梯形棱镜顶面之间设有防水密封垫。所述防水密封垫耐酸碱腐蚀
作为优选，所述测量槽与防水密封垫之间还安装有温度传感器，温度传感器通过导线与电路板连接。使本实用新型仪器具有温度补偿功能。
本实用新型的光路系统在上述进一步优选条件的组合下，能够更好的与CMOS光电传感器匹配，二者相互协同提高本实用新型仪器的精准度。利用CMOS光电传感器和本实用新型改进后的光路系统，获得的数据精确度比现有国标方法高10倍，目前国标方法，采用阿贝折光仪，目镜方式最小读数是0.0001，而本实用新型仪器采用数显方式且最小的读数是0.00001。
作为优选，所述电路板上还安装有蓝牙模块。该蓝牙模块用于无线连接电脑，可将数字信号传输到电脑上或者接受电脑CPU指令，本实用新型仪器可用于远程读数和远程遥控。
作为优选，所述电路板上还安装有计时器，可记录测试时间。
作为优选，所述倒梯形棱镜底面涂有黑色涂层。
作为优选，所述的外壳上设有按键及与显示模块对应的可视窗口，所述显示模块为液晶显示模块。
所述外壳为防水外壳，外壳上的按键包括开关键、温度键、校正/调零键、功能键、读数键和蓝牙键。
为方便待测液体的体积定量，作为优选，所述测量槽内壁上设有内标线。
与现有的折光仪相比，本实用新型具有如下有益效果：
本实用新型折光仪结构简单，轻便手持，重量仅200-300g，操作简单，非专业人员即可使用。快速检测，只需要2-8s左右就能测定一个样品，适用于现场快速检测和极多样品的快速检测。利用LED灯单波长光源，能耗低，寿命长，测定信号稳定，仪器准确度高，折光率准确度为0.00005，带温度补偿功能，根据不同的内置标准曲线，通过功能键选择可测定样品液体的多种指标的浓度测量，准确度在0.1%以上，包括糖度，冰点，白利度、盐度、酒精度、豆浆浓度、尿比重、血清蛋白、乙二醇、丙二醇、电瓶液、农药浓度等。测试的样品数据可以在机内储存，可启动蓝牙键导出到电脑上。全机整体防水。
本实用新型的各个部件均可采用市售产品，组装方便，成本低廉。
附图说明
图1是本实用新型折光仪纵向剖视结构示意图。
图2是本实用新型折光仪横向剖视结构示意图。
图3是本实用新型折光仪外壳示意图。
图4是本实用新型折光仪测量原理示意图。
图中，1、外壳，2、电路板，3、微控制器，4、显示模块，5、内置电源，6、LED灯光源，7、倒梯形棱镜，8、滤光片，9、CMOS光电传感器，10、光路传感系统支架，11、测量槽，12、密封垫，13、按键，14、蓝牙模块，15、计时器，16、温度传感器。
具体实施方式
如图1～3所示，一种多功能数显折光仪，包括外壳1、设于外壳1内的电路板2、内置电源5和光路传感系统。
电路板2置于外壳1内，电路板2上安装微控制器3、显示模块4、蓝牙模块14、计时器15和各种功能开关，内置电源5置于外壳1内，与电路板2之间通过线路相连，为电路板提供电源，光路传感系统安装在电路板2的一侧。
微控制器3优选为MCU微控制器，集成了A/D转换模块和数据储存模块，A/D转换模块能将信号转换成数字信号输出到显示模块4，数据储存模块可以储存测试数据，根据待测样品的不同在微控制器上集成不同的标准曲线，显示模块4优选为液晶显示模块，用于显示所述数字信号。
蓝牙模块14用于无线连接电脑，可将数字信号传输到电脑上或者接受电脑CPU指令，计时器15用于记录读数时间。
光路传感系统包括：LED灯6，倒梯形棱镜7，滤光片8，CMOS光电传感器9、支架10、测量槽11、温度传感器16。
支架10固定在外壳1底部且位于电路板2一侧，倒梯形棱镜7固定在支架10的顶面，倒梯形棱镜7远离电路板2的一侧固定一个LED灯6，该LED灯固定在支架10上，该LED灯发射波长为589nm的单色黄光；在与该LED灯相对的一侧（即倒梯形棱镜7靠近电路板2一侧）的支架上固定一个CMOS光电传感器9，在CMOS光电传感器9与倒梯形棱镜7之间固定一个滤光片8，滤光片8为窄带滤光片，波长为589nm，带宽5nm.
CMOS光电传感器9、滤光片8和与倒梯形棱镜7的侧面相互平行，为方便CMOS光电传感器9和滤光片8的安装，支架10顶部靠近电路板2的一侧带有一段向下倾斜的倾斜面，滤光片8和CMOS光电传感器9安装在该倾斜面上。
倒梯形棱镜7的底面涂有黑色涂层，顶面与测量槽11的底面相连，在倒梯形棱镜7的顶面与测量槽11的底面之间设置密封垫12和温度传感器16，测量槽11为耐酸碱腐蚀材料制成，测量槽内壁刻有标线，外壳1上带有与测量槽11对应的开口。
CMOS光电传感器9与微控制器3之间通信连接，接收通过倒梯形棱镜7的光电信号，将该光电信号传输到微控制器的A/D转换模块上，进行信号转换。
为方便集成安装，光路传感系统位于外壳1的前端，电路板2位于外壳1的后端，内置电源5设于电路板2的下方，显示模块4位于电路板2的中央处，各对应的功能开关位于靠近外壳1的尾端处，各对应的功能开关采用常规设置方式。
外壳1采用防水材质，外壳1上带有与显示模块4对应的可视窗口和与电路板2上各功能开关对应的按键13，按键13包括开关键、温度键、功能键、校正/调零键、读数键、蓝牙键。
本实用新型的工作原理如图4所示，待测样品置于测量槽11中，LED灯6发出的光束经过棱镜一侧进入倒梯形棱镜7，发生第1次折光率变化，到倒梯形棱镜和样品液体界面，光束进入样品液体介质，折射率发生第2次变化，进入样品液体的光束在样品液体和空气界面发生反射，回到倒梯形棱镜7界面，进入倒梯形棱镜7，第3次发生折射率变化，该光束穿过倒梯形棱镜7到空气介质中，第4次发生折射率变化，然后射到CMOS光电传感器9上。
不同样品液体介质，会产生不同的折射率，光束最后落在CMOS光电传感器9上的位移会发生变化，根据光束位移的光电信号，通过微控制器处理，与集成在微控制器上的标准曲线对比分析计算，最后将待测样品液体的折光率和其他指标的浓度值输送到显示模块4上，同时储存在储存模块中，可供电脑数据导出。
本实用新型的使用方法如下：
按开关键接通电源，将蒸馏水加入到测量槽中直到液面与内壁标线持平。按温度键，测定蒸馏水温度，同时仪器自动开启温度补偿功能。按校正/调零键，调零校正；然后将待测样液加入到测量槽中直到液面与内壁标线持平，按功能键选测需要测定的指标参数，如折光率，然后按温度键，液晶屏显示样液温度，同时仪器自动开启温度补偿功能，按读数键，液晶屏显示当前功能键选择指标参数下的浓度值，一般单位以%表示。
当换样液不换指标时，只要将第2份样液加入到测量槽中直到液面与内壁标线持平，按温度键，显示温度后，按读数键即可得到第2个样液的指标浓度值。当换样液同时换指标时，需要将第2份样液加入到测量槽中直到液面与内壁标线持平，按功能键选测需要测定的指标参数，然后按温度键显示温度后，按读数键得到第2个样液的不同指标浓度值。仪器内部储存模块可以记录至少10000次以上的数据，内置计数器在按读数键时自动记录数据对应的测定时间，利于数据的查找。所有数据可通过蓝牙按钮一次性输出到电脑上，省去了现场人工记录数据的麻烦。
Claims (10)
1.一种多功能数显折光仪，包括外壳，其特征在于，还包括：
位于外壳内的电路板，该电路板上安装微控制器和显示模块；
位于外壳内的内置电源，该内置电源与所述电路板相连；
位于外壳内的光路传感系统，该光路传感系统包括：
位于电路板一侧的支架，
设于所述支架上的倒梯形棱镜，
设于所述倒梯形棱镜顶面的测量槽，
设置在所述支架上且位于倒梯形棱镜一侧的LED灯，
以及固定在所述支架上且位于所述倒梯形棱镜另一侧的CMOS光电传感器，所述CMOS光电传感器与微控制器通信连接。
2.根据权利要求1所述多功能数显折光仪，其特征在于，所述微控制器为MCU微控制器，集成了A/D转换模块和数据储存模块。
3.根据权利要求1所述多功能数显折光仪，其特征在于，所述倒梯形棱镜与CMOS光电传感器之间设有滤光片，且滤光片为窄带滤光片，波长为589nm，带宽5nm。
4.根据权利要求1所述多功能数显折光仪，其特征在于，所述LED灯为波长为589nm的单色黄光LED灯。
5.根据权利要求1所述多功能数显折光仪，其特征在于，所述测量槽与倒梯形棱镜顶面之间设有防水密封垫。
6.根据权利要求1所述多功能数显折光仪，其特征在于，所述测量槽与防水密封垫之间还安装有温度传感器，温度传感器通过导线与电路板连接。
7.根据权利要求1所述多功能数显折光仪，其特征在于，所述电路板上还安装有蓝牙模块。
8.根据权利要求1所述多功能数显折光仪，其特征在于，所述电路板上还安装有计时器。
9.根据权利要求1所述多功能数显折光仪，其特征在于，所述倒梯形棱镜底面涂有黑色涂层。
10.根据权利要求1所述多功能数显折光仪，其特征在于，所述的外壳上设有按键及与显示模块对应的可视窗口，所述显示模块为液晶显示模块。
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