CN2037845U - 一种带微机的透射率反射率测量仪 - Google Patents

Abstract

一种带微机的透射率反射率测量仪，属光学测量仪器，用于测量物体的近紫外—可见—近红外波段范围的绝对反射率和透射率以及溶液的透射率和消光值，它保留了现有差动型透反仪的全部功能及特点，其中，测量路控测器和参考路探测器均为高旁漏电阻的硅光电探测器，探测器差动信号输出端与电压表之间有一直流放大器。差动电桥参考路电阻R₂(或测量路电阻R₁)上并联一个继电器J。其测量过程自动化程度和测量速度比现有技术有很大的提高，并可由微机打印出测量结果和描出曲线，由于采用了差动原理，使其测量精度高达±0.05％。

Description

本实用新型涉及一种带微机的透射率反射率测量仪，属光学测量仪器。

宽波段透射率反射率测量仪是近几年研究成功的一种高精度测量仪器，其测量波长范围为400-110nm。由于它采用了“差动平衡法”的测量原理，因面具有测量精度高(±0.05％)以及结构简单的优点。但它的最大不足之处是测量速度慢，因为是用试件放测量光路后电桥中参考路的平衡电阻值r₂′和试件放入测量，光路前参考路的平衡电阻值r₂之比

来表示反射率或透射率，故每测一个数据都要两次仔细调节电桥中参考路的精密电阻箱使电桥平衡。这样，每测一个波长的反射率或透射率需要几分钟时间，若要测出一条反射率(或透射率)曲线通常要花一二个小时，并且完全要靠人工操作，不能打印出测量结果；其次，在测量反射率时，由于试件放入后，在测量探器上的测量光斑是试件放入前的镜面像，即所谓“光斑反演”，会造成较大的误差；此外，这种仪器采用的是平面光栅分光，杂散光高达10^-3以上。因此，对于反射(或透射)带不宽的光学膜片，若要进行高精度测量，必须加上相应波长的干涉滤光片，这既极大地增加了仪器的成本，使用也很不方便。

本实用新型的目的旨在克服现有透射率反射率测量仪(简称透反仪，下同)测量速度慢、不能自动打印的弊端，并保持其优点，从而提出一种带微处理机的透射率反射率测量仪。

在现有差动型透反仪中，由于测量时采用差动平衡法，试件放入前后，电桥都必须调平衡，此时电桥两端电压都为0，只将这两个“0”电压值输入微机无法进行处理；同时精密电阻箱的电阻值也无法直接输入微机。这就是差动平衡法无法配上微机的原因。鉴于此，本实用新型采用差动非平衡法，仍采用差动电路，但测量时，无论试件放入前后，都不必去调节电桥平衡，即电桥始终保持非平衡状态，并用微机对电桥两端输出的不为。0的电压值进行处理，得出透射(或反射)率的结果。

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图2中探测器P₁(17)结构剖视图；

图4是本实用新型的原理图；

图5是本实用新型的电路图。

图中，1-光源室，2-波长手轮，3-波长计数器，4-光栅单色器，5-试件台，6-拨叉旋柄，7-拨叉旋柄，8-支撑架，9-试件夹，10-电阻箱R₁，11-数字电压表(或面板表)，12-电阻箱R₂，13-放大器，14-分光镜，15-水平扫描拨叉，16-探测器P₁拨叉，17-探测器P₁，18-成像反光镜，19-探测器P₂，20-微机，21-屏蔽筒，22-散射片，23-刻度盘，24-后盖，25-插头，26-打印机，27-驱动器。

参照附图，与实用新型也同样是由光源部份、光学测量部份、以及电子部份等三部份组成，其中，光源部份有光源室(1)；光学测量部份的构成与现有透反仪同，主要包括有光栅单色器(4)、带屏蔽筒的测量路探测器P₁(17)和参考路探测器P₂(19)；电子部份包括两个分别与P₁、P₂并联的负载电阻R₁、R₂以及一个数字电压表或面板表(11)，(现有技术中为检流计α)，所述P₁、P₂与其负载电阻以及数字电压表(或面板表，下同)(11)组成一个差动电桥，如图5中虚线所示。本实用新型将检流计α换成有数字信号输出的高阻抗的精密直流数字电压表(11)(或面板表，下同)，用它来测量经差动的光生电压并输入微机，则可以在不调节R₁和R₂，也就是不需要进行电桥平衡的情况下，就能迅速精确地测出透射率R(或T)的结果，这就是本实用新型采用的“差动非平衡法”。换言之，本实用新型仍采用差动电路，仍根据差动型透反仪公式计算结果。但测量时，无论试件放入前后；都不必去调节电桥平衡，即电桥始终保持非平衡状态，并由数字电压表(11)进行测量，然后通过本实用新型配置的带打印设备的微处理机(20)对电桥两端输出的不为0的电压值进行处理，得出透射(或反射)率的结果。下面简述“差动平衡法”与本实用新型的“差动非平衡法”之间的轮换关系。

参照图5，分别选取电桥两臂电阻箱R₁、R₂上任意适当的电阻值r₁r₀，对于任意波长，一般说差动后的光生电压不为0，也就是电桥不平衡。设试件放入前数字电压表(11)的读数为V，试件放入后，(11)的读数为V′(R₁、R₂取值不变)。

这里要引入电压灵敏度S这一概念。S的定义是：参考臂中每单位电阻值的变化所引起的数字电压表(11)读数的变化。设参考臂电阻R₂取值r₀时，(11)的读数为V，R₂取值V″时，(11)的读数为V″，则 $S=\frac{V-V^{\′\′}}{r_0-r^{\′\′}}(\mathrm{\μV}/\mathrm{\Ω})$ 。

对于差动非平衡态的两个不为0的光生电压值V和V′，可借助于S这一概念，经过简单地转换，不用调节电桥两臂的电阻值，就可以算出试件放入测量光路前、后参考臂上的平衡电阻值r₂、r₂′分别应是多少，才能分别使V和V′变为0，即由V、V′、S计算出两次差动平衡时r₂和r₂′的值，然后采用差动平衡法公式R(或T)＝r₂′/r²计算出结果。

根据S的定义，试件放入前要使V为0，R₂必须取值 $r_2=r_0-\frac{V}{S},$ 同样，试件放入后，要使V为0，R₂必须取值 ${r_2}^{\′}=r_0-\frac{V^{\′}}{S},$ 于是反射(或透射)率

或

式中，r₀、r″为参考臂电阻R₂的两次不同取值；V，V″是对应于r₀、r″时数字电压表的读数，V′是试件放入后数字电压表的读数(此时R₂取值r₀)。

由于r₀、r″可以事先规定为适当的整数，以使

为一简单的常数m，则以上公式可简化为

这样，通过测量试件放入前、后以及改变参考臂某一整数电阻值三种状态下的V，V′以及V″值，就能根据上式算出反射或透射率结果。由于V、V′、V″都很容易输入微机进行处理，而测V″时，只需改变R₂的某一固定的整数电阻值。为配合电子线路实现自动调节，本实用新型在差动电桥参考路可变精密电阻箱R₂(或阻值固定的精密电阻)上并联一个由微机(20)控制的继电器开关J₂。同时，为提高测量的灵敏度，扩大测量波长范围，在电桥和数字电压表(11)之间增设一个高精度高输入阻抗放大器(13)，将差动以后的光电压经放大后再输入数字电压表(11)。此外，为了进一步减小探测器的非线性误差，两探测器P₁、P₂均采用高旁漏电阻(最好1MΩ以上)的硅光电探测器。值得指出的是，由于数字电压表(或面板表)的阻抗R_L很高，因此对于任意波长，只要光强L₀本身不变，无论电阻箱R₁、R₂取何值(只要取值r≤R_L)，电压灵敏度S都将保持不变。这是用高阻抗的数字电压表代替低内阻的检流计的主要原因之一。

本实用新型也可在电桥参考路电阻R₂上串联一个精密电阻R₀，并在R₀上并联一个由微机(20)控制的继电器开关J₁。此时，前述电阻R₂上的继电器开关J₂可以保留，也可去掉。

当然，R₀和J₁、J₂也可按照上述方法加到测量路电阻箱R₁上，此时仍按差动平衡原理，由公式 $R\left(T\right)=\frac{r_1}{{r_1}^{\′}}$ (r₁为未放试件前测量路电阻箱R₁的值，r₁′为放试件后R₁的值)推导出相应的差动非平衡法的R(或T)与V、V′、V″的关系式，从而求出反射(或透射)率。

本实用新型所使用的单色器(4)为全息四面光栅单色器，使杂散光降到10^-5～10^-6。这样，在整个测量波长范围，除为了消除多级谱线重而加快宽带滤色玻璃外，不需要加任何干涉滤光片。

为了进一步消除前述“光斑反演”造成的误差，本实用新型在测量探测器P₁的屏蔽筒(21)内加上一块或两块用毛玻璃或透紫外白玻璃、白有机玻璃、赛璐珞等做成的散射片(22)，使入射光均匀地散射到测量探测器P₁上(参见图3)。

本实用新型中的微机(20)为带有打印设备的单板机或单片机(如16针打印机及继电器控制电路)。

本实用新型的原理图和电路图如下(参照图2、图4、图5)：

由光源室(1)发出的光经光源反光镜入射，光栅单色器(4)光，再经成像反光镜(18)，被分光镜(14)分为参考路(它由位置固定的光电探测器P₂接收)和测量路(它由可以绕试件的被测面旋转的光电探测器P₁接收)，P₁与一可调电阻箱R₁(10)并联，P₂与一可调电阻箱(或阻值固定的精密电阻)R₂(12)并联，在R₂上还串联一个精密的阻值固定的电阻R₀(阻值可以为0，或小于1000Ω的任意值)，并在R₀和R₂上分别并联一个继电器开关J₁和J₂，且用计算机软件和输出接口对J₁、J₂实行闭环控制，以达到改变探测器P₂的负载电阻值的目的(使其阻值分别为0、R₀、R₂及R₀+R₂Ω)。

具体测量过程如下：

转动波长手轮(2)使波长计数器(3)为测量波长读数。将试件M装入试件夹(9)并放入试件台(5)上固定位置，转动拨叉旋柄(6)使探测器P₁(17)处于接收M的反射光的位置，对好光斑(若测透射率，则P₁处于接收透射光的位置)。假设R₂取500Ω，R₀取100Ω，调节R₁使数字电压表V(11)读数为小于1600的任意值，微机(20)通过控制继电器开关J₁、J₂和数字电压表(11)分别测量探测器P₂的负载电阻r₀取值为500Ω和r取值600Ω时的光电压值V′和V″，然后旋转拨叉旋柄(7)，将试件M移出光路，再旋转拨叉旋柄(6)，使探测器P₁处于接收透射光的位置，测量当R₂取值为500Ω时的光电压V值，微机根据(2)式 $R\left(T\right)=\frac{5(V^{\′\′}-V^{\′})-V^{\′}}{5(V^{\′\′}-V^{\′})-V}$ 计算并打印出反射率R或透射率T的测量结果。若取R₀的值为0，即在电桥中取消R₀和J₁，只由J₂来控制R₂，则计算公式更为简单，变为 $R\left(T\right)=\frac{-V^{\′\′}}{V^{\′}-V^{\′\′}-V},$ 式中，V′为试件放入光路后，P₂的负载电阻R₂取值为500Ω时(或其它任一适当的阻值)的差动光电压值，V″为试件放入光路后，R₂为0时的差动光电压值，V为试件退出后，R₂取值500Ω时(当然也可为上述同一适当的阻值)的差动光电压值。当需要测另一个波长的反射(或透射)率时，只需变换波长，重复上述过程。

若要加快测量速度，也可先测出各波长的V′值，然后再分别测出各波长的V″及V值，仍按上述公式分别计算。

将试件M换成比色皿，则可测量溶液的透射率T或消光度R(R＝-16T)。

将试件台(5)取下，换上测光积分球，则可进行散射和绝对光谱反射率测量。

本实用新型具有制造成本低、精度高(在高反射透射率和低反射透射率测量时精度可达±0.05％)、操作方便等优点，尤其是整个测量过程自动化程度和测量速度比现有透反仪有很大的提高，并可由微机打印出测量结果和描出曲线，可广泛应用于各种光学和激光元件的反射率和透射率测量，也可用于物质微量组分的定性定量分析测定，同时还可用于物体表面散射率和绝对光谱反射率的测量(需配上测光积分球)；在进一步扩充计算机软件情况下，就可用于各种物体(如纺织物、纸张、植物、油漆等)色度和色差测量及感光测定中的光密度测量。

Claims (5)

1、一种带微机的透射率反射率测量仪，由光源部份、光学测量部分以及电子部份组成，其中，光学测量部份包括一个带屏蔽筒的测量路探测器P₁和参考路探测器P₂以及光栅单色器(4)，电子部份包括分别与P₁、P₂并联的负载电阻R₁、R₂以及一个数字电压表(或面板表，下同)(11)，所述P₁、P₂与负载电阻以及数字电压表(11)组成一个差动电桥，其特征在于测量路探测器P₁(17)和参考路探测器P₂(19)均为高旁漏电阻的硅光电探测器，在探测器P₁、P₂的差动信号输出端与数字电压表(11)之间有一个高输入阻抗的高精度直流放大器(13)，在数字电压表(11)之后连有微机(20)，在差动电桥的参考路电阻R₂(或测量路电阻R₁)上并联一个由微机(20)控制的继电器开关J₂，R₂为可变精密电阻箱或阻值固定的精密电阻，数字电压表(11)为有数字信号输出的数字电压表或面板表。

2、根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于在差动电桥的参考路电阻R₂(或测量路电阻R₁)上串联一个精密电阻R₀，并在该电阻R₀上并联一个由微机(20)控制的继电器开关J₁，此时电阻R₂上的继电器开关J₂可以去掉，也可以保留。

3、根据权利要求1或2所述的测量仪，其特征在于单色器(4)为全息四面光栅单色器。

4、根据权要求1或2所述的测量仪，其特征在于探测器P₁(17)的屏蔽筒内装有一至二块用毛玻璃或透紫外白玻璃，白有机玻璃、赛璐珞等材料制成的散射片(22)。

5、根据权利要求1或2所述的测量仪，其特征在于微机(20)为带有打印设备的单板机或单片机。

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