CN103792208B - 玻璃器壁的光学和几何参数测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种玻璃器壁的光学和几何参数测量装置，在支架上一侧设置待测量圆柱状玻璃容器、另一侧设上半导体激光器和下半导体激光器，在待测量圆柱状玻璃容器器壁外表面局部设一层白色油漆或白色玻璃油墨构成的光散射成像层。测量方法为：在待测量圆柱状玻璃容器中充入已知折射率的透明液体，上半导体激光器和下半导体激光器射出的激光束通过光散射成像层发生散射，散射光进入玻璃容器与容器内介质的界面时产生全反射，在光散射成像层上形成大椭圆暗斑和小椭圆暗斑，根据折射率和壁厚与小椭圆形暗斑长轴长度和大椭圆形暗斑长轴长度之间的关系，计算出待测玻璃器壁的光学和几何参数。本发明具有结构和方法简单、测量速度快、精度高、且易于实施等优点。

Description

玻璃器壁的光学和几何参数测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及到玻璃器壁光学、几何参数的测量装置与测量方法。

背景技术

玻璃容器与玻璃管使用的广泛性人所共知，由于其优异稳定的化学、光学和机械性能，成为化学化工、食品卫生、电光源、太阳能等工业生产领域以及实验室和科学研究中必不可少的器具和材料，因此玻璃器壁的光学、几何参数的测量成为其制造和使用中不可缺少的环节。

传统的玻璃容器和玻璃管壁厚的测量方法有超声测量法和电容测量法，由于其测量过程复杂、设备操作难度大且测量精度差，影响了其推广与应用。近年来采用光学方法测量玻璃器壁光学、几何参数的技术受得了本专业领域技术人员的充分关注，专利公开号为CN102809351A发明名称为“透明和半透明玻璃瓶壁厚检测装置及方法”的发明专利，专利公开号为CN1049492C、发明名称为为“透明容器壁厚度的测量”的发明专利，提供了一种利用激光和光电传感器测量玻璃器壁厚度的测量方法与装置，其特征在于利用激光束倾斜入射玻璃器壁，根据器壁内、外表面对入射光束反折射形成的两束光之间的距离与器壁厚度间的函数关系，测量玻璃器壁的厚度。其不足在于，测量***复杂，用于薄壁容器壁厚的测量误差较大，并且无法获得器壁的光学参数。专利公开号为CN101701912A发明名称为“一种无损测量透明毛细管管壁折射率的方法及装置”的发明专利，公开了一种利用平行光通过装有已知折射率液体的毛细管会聚焦点位置与管壁折射率之间的关系，测量管壁折射率的方法与装置。但其测量***复杂，调试难度大，特别是管壁的几何尺寸R、r必须是已知的，这使得其应用具有一定的局限性。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于克服上述专利的不足，提供一种结构简单、成本低、测量精度高的玻璃器壁的光学和几何参数测量装置。

本发明所要解决的另一个技术问题在于为玻璃器壁的光学和几何参数测量装置提供一种方法简单、操作简便、测量精度较高的测量方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在支架上一侧设置待测量圆柱状玻璃容器、另一侧设置上半导体激光器和下半导体激光器，在待测量圆柱状玻璃容器器壁外表面局部设置一层白色油漆或白色玻璃油墨构成的光散射成像层。

本发明的圆柱状玻璃容器5壁外表面设置光散射成像层后对绿色激光的透射率为55%～70﹪。

采用上述测量装置测量圆柱状玻璃容器器壁的光学和几何参数的方法，由下述步骤组成：

1、在待测量圆柱状玻璃容器侧壁外表面的局部位置，丝印一层白色玻璃油墨或喷涂一层白色油漆构成光散射成像层，光散射成像层对绿色激光的透射率为70%～80﹪。

2、在待测量圆柱状玻璃容器中充入已知折射率的透明液体，液面位于上半导体激光器与下半导体激光器的中心线之间。

3、接通下半导体激光器的电源，所产生的激光束垂直入射于待测量圆柱状玻璃容器侧壁下部外表面的光散射成像层上，在光散射成像层上形成以激光束入射点为中心的大椭圆形暗斑，大椭圆形暗斑的长轴与待测圆柱状玻璃容器的中心线平行，测量大椭圆形暗斑的长轴长度，圆柱状玻璃容器器壁的折射率、壁厚与内装液体的折射率与大椭圆形暗斑的长轴长度之间的关系为：

$n_x=\frac{n}{L}\sqrt{L^2+16\mathrm{\Δ}{R}^2}---\left(1\right)$

（1）式中，n为圆柱状玻璃容器中液体的折射率，L为大椭圆形暗斑的长轴长度，单位为mm，n_x为圆柱状玻璃容器器壁的折射率，△R为圆柱状玻璃容器的侧壁厚度，单位为mm。

4、接通上半导体激光器的电源，所产生的激光束垂直入射于待测量圆柱状玻璃容器侧壁上部外表面的光散射成像层上，在光散射成像层上形成以激光束入射点为中心的小椭圆形暗斑，小椭圆形暗斑的长轴与待测圆柱状玻璃容器的中心线平行，测量小椭圆形暗斑的长轴长度，圆柱状玻璃容器器壁的折射率、壁厚与小椭圆形暗斑的长轴长度之间的关系为：

$n_x=\frac{1}{l}\sqrt{l^2+16\mathrm{\Δ}{R}^2}---\left(2\right)$

(2)式中，n_x为圆柱状玻璃容器器壁的折射率，l为小椭圆形暗斑的长轴长度，△R为圆柱状玻璃容器的侧壁厚度，单位为mm。

5、将圆柱状玻璃容器中液体的折射率值n、大椭圆形暗斑的长轴长度值L、小椭圆形暗斑的长轴长度值l代入（1）、（2）式，求解（1）、（2）式方程组，得n_x，△R的值。

在本发明中，激光束垂直入射到玻璃容器外表面光散射成像层，通过光散射成像层时，由于受到光散射成像层中大量微米级白色色料颗粒的散射作用，变为高发散度的点光源，辐射状的光线进入玻璃容器器壁并入射到器壁与折射率已知介质的界面后，符合全反射条件的光线由玻璃与已知介质的界面反射到光散射成像层，在光散射成像层上形成以入射光点为中心的椭圆形暗斑，椭圆形暗斑的长轴长度与玻璃容器器壁的折射率和壁厚密切相关，通过求解方程组，计算出玻璃容器的光学和几何参数。本发明具有结构和方法简单、成本低、测量速度快、精度高、且易于实施，与玻璃器壁折射率和壁厚相关的光学图像的产生，不需调试，光照即显，同时适用范围广，可测量透明玻璃器壁的折射率和壁厚，也可测量半透明玻璃器壁的折射率和壁厚。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是采用本发明实施例1装置测量玻璃量筒壁折射率和壁厚的椭圆形暗斑照片。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本实施例的玻璃器壁的光学和几何参数测量装置由光散射成像层1、上半导体激光器2、下半导体激光器3、支架4联接构成。

待测量圆柱状玻璃容器5放置在支架4一侧，在待测量圆柱状玻璃容器5器壁外表面丝印展开平面为圆形的白色玻璃油墨构成光散射成像层1，光散射成像层1的几何形状也可喷涂成展开形状为矩形或其它形状，不受形状的限制，表面丝印光散射成像层1的圆柱状玻璃容器5壁后对绿色激光的透射率为55%～70﹪。支架4的另一侧上部用螺纹紧固联接件固定联接安装有上半导体激光器2，支架4的下部用螺纹紧固联接件固定联接安装有下半导体激光器3，上半导体激光器2和下半导体激光器3用于产生激光。

使用上述玻璃器壁的光学和几何参数测量装置测量玻璃量筒壁光学和几何参数的方法由下述步骤组成：

1、在容量1000ml、外径65.65mm的待测玻璃量筒筒壁侧壁外表面的局部位置，丝印一层白色玻璃油墨构成光散射成像层1，光散射成像层1对绿色激光的透射率为70%～80﹪。

2、在待测玻璃量筒内装入已知折射率n为1.3613的无水乙醇，无水乙醇液面位于上半导体激光器2与下半导体激光器3中心线之间，无水乙醇液面距下半导体激光器3中心线的距离是上半导体激光器2与下半导体激光器3中心线之间距离的2/3。

3、接通下半导体激光器3的电源，所产生的激光束垂直入射于待测玻璃量筒筒壁下部外表面的光散射成像层1上，激光束通过光散射成像层1时，由于受到光散射成像层1中大量微米级白色色料颗粒的散射作用，变为高发散度的点光源，辐射状的光线进入玻璃量筒筒壁并入射到筒壁与无水乙醇的界面后，符合全反射条件的光线由玻璃与无水乙醇的界面反射到光散射成像层1，在光散射成像层1上形成以入射光点为中心的大椭圆形暗斑，大椭圆形暗斑的长轴与待测玻璃量筒的中心线平行，测量大椭圆形暗斑的长轴长度，玻璃量筒筒壁的折射率、壁厚与内装无水乙醇的折射率与大椭圆形暗斑的长轴长度之间的关系为：

$n_x=\frac{n}{L}\sqrt{L^2+16\mathrm{\Δ}{R}^2}---\left(1\right)$

（1)式中，n为玻璃量筒内乙醇的折射率n为1.3613，L为大椭圆形暗斑的长轴长度，L为22.3mm，n_x为待测玻璃量筒筒壁的折射率，△R为待测玻璃量筒筒壁的厚度，单位为mm。

4、接通上半导体激光器2的电源，所产生的激光束垂直入射于待测玻璃量筒筒壁上部外表面的光散射成像层1上，在光散射成像层1上形成以激光束入射点为中心的小椭圆形暗斑，成像过程与大椭圆形暗斑相同，小椭圆形暗斑的长轴与待测玻璃量筒的中心线平行，测量小椭圆形暗斑的长轴长度，玻璃量筒筒壁的折射率、壁厚与小椭圆形暗斑的长轴长度之间的关系为：

$n_x=\frac{1}{l}\sqrt{l^2+16\mathrm{\Δ}{R}^2}---\left(2\right)$

（2）式中，l为小椭圆形暗斑的长轴长度，l为8.1mm，n_x为待测玻璃量筒筒壁的折射率，△R为玻璃量筒筒壁厚度，单位为mm。

5、将玻璃量筒内无水乙醇的折射率值n、大椭圆形暗斑的长轴长度值L、小椭圆形暗斑的长轴长度值l代入（1）、（2）式，求解（1）、（2）式方程组，得n_x为1.4591，△R为2.152mm。

实施例2

本实施例中，在待测量圆柱状玻璃容器5侧壁外表面局部喷涂一层白色油漆，展开平面为圆形构成光散射成像层1，光散射成像层1的几何形状也可喷涂成展开形状为矩形或其它形状，不受形状的限制，表面喷涂光散射成像层1的圆柱状玻璃容器5壁对绿色激光的透射率为55%～70﹪。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

采用本实施例装置测量圆柱状玻璃容器5侧壁的光学和几何参数的方法与实施例1相同。

Claims (2)

1.一种玻璃器壁的光学和几何参数测量装置，其特征在于：在支架(4)上一侧设置待测量圆柱状玻璃容器(5)、另一侧设置上半导体激光器(2)和下半导体激光器(3)，在待测量圆柱状玻璃容器(5)器壁外表面局部设置一层白色油漆或白色玻璃油墨构成的光散射成像层(1)，光散射成像层(1)对绿色激光的透射率为55％～70﹪。

2.一种使用权利要求1玻璃器壁的光学和几何参数测量装置测量圆柱状玻璃容器(5)器壁的光学和几何参数的方法，其特征在于由下述步骤组成：

1)在待测量圆柱状玻璃容器(5)侧壁外表面的局部位置，丝印一层白色玻璃油墨或喷涂一层白色油漆构成光散射成像层(1)，光散射成像层(1)对绿色激光的透射率为55％～70﹪；

2)在待测量圆柱状玻璃容器(5)中充入已知折射率的透明液体，液面位于上半导体激光器(2)与下半导体激光器(3)的中心线之间；

3)接通下半导体激光器(3)的电源，所产生的激光束垂直入射于待测量圆柱状玻璃容器(5)侧壁下部外表面的光散射成像层(1)上，在光散射成像层(1)上形成以激光束入射点为中心的大椭圆形暗斑，大椭圆形暗斑的长轴与待测圆柱状玻璃容器(5)的中心线平行，测量大椭圆形暗斑的长轴长度，圆柱状玻璃容器(5)器壁的折射率、壁厚与内装液体的折射率与大椭圆形暗斑的长轴长度之间的关系为：

$n_x=\frac{n}{L}\sqrt{L^2+16\mathrm{\Δ}{R}^2}---\left(1\right)$

(1)式中，n为圆柱状玻璃容器(5)中液体的折射率，L为大椭圆形暗斑的长轴长度，单位为mm，n_x为圆柱状玻璃容器(5)器壁的折射率，△R为圆柱状玻璃容器(5)的侧壁厚度，单位为mm；

4)接通上半导体激光器(2)的电源，所产生的激光束垂直入射于待测量圆柱状玻璃容器(5)侧壁上部外表面的光散射成像层(1)上，在光散射成像层(1)上形成以激光束入射点为中心的小椭圆形暗斑，小椭圆形暗斑的长轴与待测圆柱状玻璃容器(5)的中心线平行，测量小椭圆形暗斑的长轴长度，圆柱状玻璃容器(5)器壁的折射率、壁厚与小椭圆形暗斑的长轴长度之间的关系为：

$n_x=\frac{1}{l}\sqrt{l^2+16\mathrm{\Δ}{R}^2}---\left(2\right)$

(2)式中，n_x为圆柱状玻璃容器(5)器壁的折射率，l为小椭圆形暗斑的长轴长度，△R为圆柱状玻璃容器(5)的侧壁厚度，单位为mm；

5)将圆柱状玻璃容器(5)中液体的折射率值n、大椭圆形暗斑的长轴长度值L、小椭圆形暗斑的长轴长度值l代入(1)、(2)式，求解(1)、(2)式方程组，得n_x，△R的值。