CN206292161U - 一种基于液体棱镜的数字式折射仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于液体棱镜的数字式折射仪，属于液体折射率测量器件的技术领域。该折射仪包括一个液体棱镜(1)、光敏传感器(2)、角编码器(3)、电机(4)、LED光源(5)、单片机(6)、1602液晶(7)、载物台(8)、底座(9)、细分器(10)。而构建液体棱镜(1)的中空三棱镜采用无折射率大小限制的透明材料，光入射面外侧打磨成毛面，且其光入射面和出射面夹角为30°，上底面带有一个活动盖，用于罐装和倾倒液体。

Description

一种基于液体棱镜的数字式折射仪

技术领域

本实用新型涉及一种基于液体棱镜的新型测量液体折射率的数字式折射仪，属于液体折射率及液体浓度、密度测量器件的技术领域。

背景技术

折射仪是测量固体、液体折射率的工具，广泛应用于石油工业、日用化工、制药工业、制漆工业、制糖工业和地质勘察，以及科研实验等。各种液体的密度、浓度、温度等物理量的变化均会引起折射率的变化，所以通过测量折射率还可分析物质的成分或性质。目前国内外最常用的是阿贝折射仪。阿贝折射仪和常见的折射仪特点如下：

(1)刻度式手持折射仪：体积小，测量方便，目视读数，价格稍贵；

(2)手持数字式折射仪：体积小，测量方便，数显读数，价格稍贵；

(3)阿贝折射仪：精度高，操作简单，测量快速，不消耗化学试剂，无化学污染，价格较便宜；

(4)台式数显折光仪：简单易操作，准确度高，价格较贵；

(5)在线折射仪：可在线实时监测样品折射率，各种自定义浓度以及温度等，价格较贵。

阿贝折射仪相对比较便宜，精度较高，但是其折射率测量范围为1.3000～1.7000，比较窄。随着诸如离子液体、液态聚合物等液体的新型品种不断涌现，液体材料的折射率范围不断扩大，约为1.4～2.5，例如[BMIM][I₉]的折射率为2.4，[HMIM][I₃]的折射率为1.88等。阿贝折射仪已不能满足这些新型液体材料的测量需要。国外有的微棱镜折射仪虽然测量范围可达到1.8～2.5，但是价位却要几十万，成本高。因而设计成本低、测量范围大的折射仪成为市场需要。

液体棱镜是一种以液体为主体构成的棱镜。通过在中空棱镜中填充液体与否或通过调节液体浓度、改变液体种类等来灵活改变液体棱镜的光学性质，构建一个光学性质可调的系统。

目前阿贝折射仪等棱镜式折射率测量仪器通常选用几个固体棱镜加成像、读数光学系统及附件构成，采用的测量方法有：偏折角测量法、最小偏向角测量法、临界角全反射法、全息干涉法以及表面等离子体共振(SPR)法等。缺点是要使用几个固体棱镜，要么将几个固体棱镜浸入待测液体，要么几个固体棱镜间隙间填充液体(如阿贝折射仪)，结构较复杂；而且由于折射率测量受固体棱镜材料折射率的限制，一般折射率测量范围为1.3000～1.7000。国外虽然有可测2.0000～3.0000的折射仪，但价格高，要几十万。本实用新型能够很好地解决上面的问题，提供了结构简单、测量范围大、其成本比阿贝折射仪还低的折射仪。相比模拟显示，数字显示具有精度高、功能全、速度快、抗干扰能力强等优点,体积小、耗电低、读数直观,且能将测量结果以数码形式输入计算机。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是：提出一种基于液体棱镜的数字式折射仪，该折射仪能解决阿贝折射仪等棱镜式测量仪器中折射率测量范围不大、结构较复杂的问题，并且低成本。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案是：一种基于液体棱镜的数字式折射仪，所述折射仪包括液体棱镜1、光敏传感器2、角编码器3、电机4、LED光源5、单片机6(51单片机最小系统)、1602液晶7、载物台8、底座9和细分器10，液体棱镜1置于载物台8上，底座9上依次放置LED光源5、所述液体棱镜1和电机4，电机4上叠置角编码器3并带动其转动，同时电机4通过直角连杆连接并带动光敏传感器2 360°转动，LED光源5、液体棱镜1、光敏传感器2始终处于同一高度，单片机6、细分器10放置于空心底座9内；1602液晶7镶嵌于底座9上。

优选的，所述液体棱镜1的中空三棱镜的入射面11和出射面12夹角等于30°，中空三棱镜的光入射面外侧打磨成毛面，中空三棱镜的上部的底面带有一个活动盖13，用于罐装和倾倒液体，充入待测液体构成一个液体棱镜。

优选的，所述中空三棱镜是采用无折射率大小限制的透明材料。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型利用待测液体本身作为光学棱镜，仅使用一个液体棱镜代替常用阿贝折射仪中的几个固体棱镜，简化了结构，减轻了重量，使之成本比阿贝折射仪还低。

2、本实用新型的液体棱镜折射仪比阿贝这类一般棱镜折射仪具有更广的折射率测量范围，同时又比国外可测量大折射率的折射仪成本低许多。

3、可以避免阿贝折射仪等固体棱镜折射仪中由于液体非均匀涂抹漏光导致的测量误差，准确性更高。

4、本实用新型折射率测量范围不受固体棱镜材料的折射率大小限制，突破了阿贝阿贝这类一般棱镜折射仪的局限性。

5、本实用新型液体棱镜折射仪易于制作，且易于转化为生产推广到市场。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的作进一步说明。

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为液体棱镜示意图。

图3为利用液体棱镜基于掠入射法测量液体折射率的原理示意图。

标识说明：液体棱镜-1、光敏传感器-2、角编码器-3、电机-4、LED光源-5、单片机-6、1602液晶-7、载物台-8、底座-9、细分器-10、棱镜光入射面-11、棱镜光出射面-12、中空的三棱镜活动盖-13。

具体实施方式

实施例1

下面结合说明书附图对本实用新型创造作进一步的详细说明。

如图1，本实用新型包括一个液体棱镜1、光敏传感器2、角编码器3、电机4、LED光源5、单片机6、1602液晶7、载物台8、底座9、细分器(10)。

本实施例过程包括：首先将待测液体注入到中空三棱镜中形成液体棱镜1，来自单色LED光源5的光入射液体棱镜1表面，由于棱镜的入射面已打磨成毛面，使得入射光线为全漫射光，经液体棱镜1折射，在出射面会形成明暗分界线，按下单片机6开关，单片机6控制电机4转动。在电机4转动过程中，光敏传感器2检测此时的出射光强，一旦检测到明暗分界线处电机4就停止转动。由于角度编码器3和电机4的转轴相连，因此角度编码器3和电机4旋转的角度相同。此时角度编码器3反馈此时的旋转角度，单片机6反馈此角度对应的液体折射率值并将结果显示到1602液晶7上。进一步可由折射率与浓度、密度的关系推导出待测液体的浓度、密度。

如图2，本实用新型液体棱镜由中空三棱镜内填充液体构成，中空三棱镜采用无折射率大小限制的透明材料，光入射面外侧打磨成毛面，且其光入射面11和出射面夹角12等于30°，上底面带有一个活动盖13，用于罐装和倾倒液体，当液体充入时，即构成一个液体棱镜。使用时，将液体棱镜置于载物台上，使棱镜的一边与圆形载物台的直径重合，载物台固定。

测量原理如附图3所示：虚线为填充的液体；θ₀～θ₅为光在各个界面的入、折射角；后方“明”“暗”圈图表示探测器接收到的两个明暗视场及交界线。

本实用新型使用的液体棱镜顶角是α。LED单色光入射，在液体棱镜入射面形成全方向漫射光。假设液体折射率为n_l，棱镜壁折射率为n_g，根据Snell定律：

sinθ₀＝n_gsinθ₁＝n_lsinθ₂

n_lsinθ₃＝n_gsinθ₄＝sinθ₅

又θ₃＝α-θ₂

假设当光掠入射，即入射角θ0＝90°时，位于空心棱镜面内侧的液体介质中和棱镜出射面后方空气中的折射角为θc和有：

并可由上述几个公式推导出液体折射率测量公式如下：

由上述公式可知n_l与空心棱镜壁折射率无关，所以折射率测量范围不受空心棱镜壁材料折射率的限制。液体相当于一个独立的棱镜，这一点突破了阿贝折射仪的局限性。

任何一条入射角小于90°的光线在棱镜出射面后方的折射角θ₅大于光线位于掠入射光线外侧。后方像视场出现明暗两个区，明暗交界线即为掠入射光线在棱镜后方出射的位置。若通过光接收器件测得折射角的值，即明暗交界线位置，则可由液体折射率测量公式得出待测液体的折射率。进一步可由折射率与浓度、密度的关系推导出待测液体的浓度、密度。

综上所述，液体棱镜顶角α决定了折射率测量范围，顶角α不同，测量范围不同。当棱镜顶角α＝30°时，液体折射率测量范围为：1.0000～3.8600。

本实用新型用一个液体棱镜代替前述阿贝等棱镜折射仪中的几个固体棱镜，基于掠入射原理测量液体折射率。相比阿贝折射仪，具有更广的测量范围，在液体棱镜顶角为30°时，可测折射率范围达1.0000～3.8600。而且用一个液体棱镜代替多个固体棱镜后，结构变简单，重量变轻，成本更低，采用数字式的思想可以避免测量者主观读数带来的误差。同时可以避免阿贝折射仪等固体棱镜折射仪中由于液体非均匀涂抹漏光导致的测量误差，准确性更高，且易于转化成产品。

本实用新型的不局限于上述实施例所述的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本实用新型要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于液体棱镜的数字式折射仪，其特征在于，所述折射仪包括液体棱镜(1)、光敏传感器(2)、角编码器(3)、电机(4)、LED光源(5)、单片机(6)、1602液晶(7)、载物台(8)、底座(9)和细分器(10)，液体棱镜(1)置于载物台(8)上，底座(9)上依次放置LED光源(5)、所述液体棱镜(1)和电机(4)，电机(4)上叠置角编码器(3)并带动其转动，同时电机(4)通过直角连杆连接并带动光敏传感器(2)360°转动，LED光源(5)、液体棱镜(1)、光敏传感器(2)始终处于同一高度，单片机(6)、细分器(10)放置于空心底座(9)内；1602液晶(7)镶嵌于底座(9)上。

2.根据权利要求1所述的基于液体棱镜的数字式折射仪，其特征在于，所述液体棱镜(1)的中空三棱镜的入射面(11)和出射面(12)夹角等于30°，中空三棱镜的光入射面外侧打磨成毛面，中空三棱镜的上部的底面带有一个活动盖(13)，用于罐装和倾倒液体，充入待测液体构成一个液体棱镜。

3.根据权利要求2所述的基于液体棱镜的数字式折射仪，其特征在于，所述中空三棱镜是采用无折射率大小限制的透明材料。