CN109187431A - 一种液体折射率测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液体折射率测量装置及测量方法，包括：用以生成光束的光源、用以折射光束的光学树脂棱镜和用以接收光束图像的图像传感器；所述光学树脂棱镜包括能够使光束进入的入射面、与待测量液体接触的第一表面、第二表面、第三表面和能够使光束射出的射出面；所述与待测量液体接触的第一表面、第二表面、第三表面能够使光束中至少部分光线形成全反射，分别形成第一反射光束、第二反射光束和第三反射光束。由此，降低了待测液体中气泡对液体折射率测量的影响，同时，促进了装置小型化。

Description

一种液体折射率测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及一种测量技术领域，尤其涉及一种液体折射率测量装置及测量方法。
背景技术
现有技术中，折射率是液体的重要光学参数之一，借助折射率能了解液体的光学性能、纯度、浓度以及色散等性质，其他的一些参数(如温度)也与折射率密切相关。因此，液体折射率的测量在化工、医药、食品、石油等等领域中都有重要的意义。
全反射临界角成像法是一种常用的液体折射率的测量方法，是根据全反射原理，通过测量处于临界角光线的出射角，计算出待测量液体的折射率。如图1所示，一种典型的全反射临界角测量***包括光源U1、棱镜U3、图像传感器U2，工作时，从光源U1发出的光束穿过棱镜U3到达被测液体X和棱镜U3的界面，在该界面分离成折射光和反射光，其中，反射光被图像传感器U2接收，生成如图1中右侧所示的明暗图像。在该明暗图像中，明的部分对应在被测溶液X和棱镜U3的界面发生全反射的光线，暗的部分对应未发生全反射的光线，明暗分界线则对应发生全反射的临界角。由于被测溶液的折射率变化会导致发生全反射临界角的变化，因此通过测量该明暗分界线的位置，就可以求出全反射临界角，从而求出被测液体的折射率。
但是，在待测量液体中含有气泡的时候，这种单次全反射测量方法无法避免气泡对测量的干扰，实现精确地测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种液体折射率测量装置及测量方法，用以解决现有技术中液体折射率测量不准确的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种液体折射率测量装置，包括：
用以生成光束的光源、用以折射入射光束的光学树脂棱镜、用以接收出射光束图像的线阵图像传感器和用以计算待测量液体折射率的折射率计算模块；
所述光学树脂棱镜包括能够使光束进入形成入射光束的入射面、与待测量液体接触的第一表面、第二表面、第三表面和能够使光束射出形成出射光束的射出面；所述与待测量液体接触的第一表面、第二表面、第三表面能够使光束中至少部分光线形成全反射，分别形成第一反射光束、第二反射光束和第三反射光束；
光源发出的光束进入光学树脂棱镜的入射面，形成入射光束；
所述入射光束在所述光学树脂棱镜内传播且在所述第一表面上至少部分光线与待测量液体发生全反射以形成第一反射光束；
所述第一反射光束在所述光学树脂棱镜内传播且在所述第二表面上再次与待测量液体接触并发生全反射以形成第二反射光束；
所述第二反射光束在所述光学树脂棱镜内传播且在所述第三表面上再次与待测量液体接触并发生全反射以形成第三反射光束；
所述第三反射光束经所述射出面射出。
所述光源和光学树脂棱镜之间设置一准直透镜；
所述光源发出的光束经所述准直透镜后，进入所述光学树脂棱镜的入射面。
所述准直透镜由非球面镜和鲍威尔棱镜2个光学面组成。
所述第一表面与所述第三表面相对于所述光学树脂棱镜的中心对称。
所述第二表面与所述入射面和所述射出面平行。
所述入射面、第一表面、第二表面、第三表面、射出面和所述光学树脂棱镜为一体成型。
所述光学树脂棱镜的折射率是1.50-1.75之间；
所述入射面为复曲面透镜；
所述射出面为柱面镜。
根据本发明的另一个方面，提供了一种液体折射率测量方法，采用如上所述的液体折射率测量装置，包括：
光源发出的光束进入光学树脂棱镜的入射面，形成入射光束；
所述入射光束在所述光学树脂棱镜内传播且在所述第一表面上至少部分光线与待测量液体发生全反射以形成第一反射光束；
所述第一反射光束在所述光学树脂棱镜内传播且在所述第二表面上再次与待测量液体接触并发生全反射以形成第二反射光束；
所述第二反射光束在所述光学树脂棱镜内传播且在所述第三表面上再次与待测量液体接触并发生全反射以形成第三反射光束；
所述第三反射光束经所述射出面射出；
图像传感器采集所述第三反射光束的图像；
折射率计算模块根据采集到的第三反射光束的图像与折射率的对应关系计算待测量液体的折射率。
所述光源和光学树脂棱镜之间设置一准直透镜；
所述光源发出的光束经所述准直透镜后，进入所述光学树脂棱镜的入射面。
所述第一表面与所述第三表面相对于所述光学树脂棱镜的中心对称；
所述第二表面与所述入射面和所述射出面平行；
所述入射面、第一表面、第二表面、第三表面、射出面和所述光学树脂棱镜为一体成型。
采用上述方案的有益效果是：
本发明实施例的液体折射率测量装置及方法，通过利用在光学树脂棱镜和待测量液体的多个接触面上全反射的光束图像和该待测量液体的折射率的对应关系，来计算该待测量液体的折射率，使得待测量液体中气泡对测量结果的干扰得到了消除/抑制，从而提高了测量装置的适应性。同时，降低了测量装置的体积。
附图说明
图1为现有技术中一种液体折射率测量设备的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的液体折射率测量装置的光学原理示意图；
图3为本发明实施例2提供的液体折射率测量装置的光学原理示意图；
图4为本发明实施例3提供的液体折射率测量装置的光学原理示意图；
图5为本发明实施例3提供的液体折射率测量装置的光路示意图；
图6为本发明实施例3提供的液体折射率测量装置的解决气泡干扰原理示意图；
图7～9为本发明实施例3提供的光线追踪模拟示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明各个实施例中，能够实现多次全反射，将由于待测量液体中气泡的作用而产生的多余全反射光线再次通过棱镜与待测量液体的接触面，折射出本装置。从而达到筛选准确的全反射光线的作用，避免/降低气泡对测量的影响。同时，实现装置的小型化。
实施例一
如图2所示，本发明实施例1提供了一种液体折射率测量装置，包括：
光源U1，优选为激光光源，用于限制入射光束的入射角度；
光学树脂棱镜U3，包括入射面、与待测量液体C接触的第一表面S2、第二表面S3、第三表面S4和射出面S5。
光源U1发出的光束经入射面入射到光学树脂棱镜U3内以形成入射光束，所述入射光束在所述光学树脂棱镜U3内传播且在所述第一表面S2上至少部分光线与待测量液体C发生全反射以形成第一反射光束，所述第一反射光束在所述光学树脂棱镜U3内传播且在所述第二表面S3上再次与待测量液体C接触并发生全反射以形成第二反射光束，所述第二反射光束在所述光学树脂棱镜U3内传播且在所述第三表面S4上再次与待测量液体C接触并发生全反射以形成第三反射光束，所述第三反射光束经所述射出面S5射出；
图像传感器U4，优选为线阵图像传感器，用于采集经射出面S5射出的第三反射光束的图像；
折射率计算模块(未图示)，用于根据第三反射光束图像与折射率的对应关系计算待测量液体C的折射率。
本发明实施例的液体折射率测量装置，通过利用在光学树脂棱镜U3和待测量液体C的接触面上多次全反射的光束图像和该待测量液体C的折射率的对应关系，来计算该待测量液体C的折射率，使得待测量液体C中气泡对测量结果的干扰得到了消除/抑制。从而提高了测量装置的测量精度、测量的可靠性和适应性。同时，降低了测量装置的体积。
优选地，所述光源为激光光源。
优选地，所述第一表面S2与所述第三表面S4相对于所述光学树脂棱镜U3的中心对称。
优选地，所述第二表面S3与所述入射面和所述射出面S5平行。
实施例2
如图3所示，本发明实施例2提供了一种液体折射率测量装置，在实施例1的基础上，本实施例进一步包括：
准直透镜U2，设置于光源U1与光学树脂棱镜U3之间，用于汇聚从光源U1发出的光束以入射到光学树脂棱镜U3中。并且该准直透镜U2的主轴与光源的中心重合。
进一步的，准直透镜U2由2个光学面组成，一个光学面为非球面镜；另一个光学面为鲍威尔棱镜(powerwell lens)。
实施例3
如图4所示，本发明实施例3提供了一种液体折射率测量装置，在实施例2的基础上，本实施例进一步包括入射面S1和射出面S5。入射面S1用于将入射光角度控制在一定范围内；射出面S5用于将出射光束的夹角扩大。
进一步的，该入射面S1为复曲面透镜。
进一步的，该射出面S5为柱面镜。
优选地，该入射面S1和射出面S5与该光学树脂棱镜U3一体成型，更优选地，是采用光学级透明树脂材料；采用注塑工艺一体化成型的，从而保障光学部件的装配一致性。
具体的，如图5所示，入射光束到达光学树脂棱镜U3与待测量液体C接触的第一表面S2时，其入射角范围是a1-a2，与待测量液体C对应的全反射临界角为ac，小于该临界角的光线(a1-ac)折射出本装置，大于该临界角的光线(ac-a2)发生全反射，形成第一反射光束，继续在光学树脂棱镜U3中传播，并到达第二表面S3。这时，光束的入射角度在a3-a4之间，且大于ac。因此，该光束发生全反射，形成第二反射光束，继续在光学树脂棱镜U3中传播，并到达第三表面S4。这时，光束的入射角度在a7-a8之间，由于S2和S4为对称关系，a7-a8与ac-a2相等，大于ac。因此，第二反射光束发生全反射，形成第三反射光束，继续在光学树脂棱镜U3中传播，并到达射出面S5。并经S5的扩散后射出，抵达线阵图像传感器U4。
如果待测量液体C中有气泡，气泡处于悬浮状态，不与光学树脂棱镜U3接触，不影响本装置的测量。
气泡与光学树脂棱镜U3的S2表面接触并位于ac-a2之间。由于气泡内为气体，气体的折射率远小于待测量液体C。因此，光束同样发生全反射，不影响本装置的测量。
气泡与光学树脂棱镜U3的S2表面接触并位于a1-ac之间。由于气泡内为气体，气体的折射率远小于待测量液体C。因此，光束同样发生全反射，将产生多余的全反射光束，如图6所示。
多余的光束和有用的第二反射光束形成复合全反射光束，在光学树脂棱镜U3内传播，抵达S3表面。这时，复合全反射光束中多余的全反射光束入射角度在a4-a5之间，且大于ac。因此，该复合光束发生全反射，继续在光学树脂棱镜U3中传播，并到达第三表面S4。这时，复合全反射光束中多余的全反射光束的入射角度在a6-a7之间，由于S2和S4为对称关系，a6-a7与a1-ac相等，小于ac。因此，多余的光束将折射出本装置，而有用的光束继续在光学树脂棱镜U3中传播，形成第三反射光束，并到达射出面S5后射出，不影响本装置的测量。
气泡不仅与光学树脂棱镜U3的S2表面接触，并位于a1-ac之间。同时，还有气泡与光学树脂棱镜U3的S4表面接触，并位于a6-a7之间。多余的光束无法折射出本装置，形成复合全反射光束经射出面S5射出，则会影响本装置的测量。
参照图7～9，根据本发明的实施例3，采用光线追踪软件模拟出的本装置测量不同折射率的待测量液体C时，第三反射光束在线阵图像传感器的图像。
图7为测量折射率为1.3330(去离子水)的图像。
图8为测量折射率为1.4250液体的图像。
图9为测量折射率为1.5230液体的图像。
实施例4
根据上述各个实施例，本实施例4提供一种液体折射率测量方法，采用上述各个实施例提供的液体折射率测量装置，包括：
光源发出的光束进入光学树脂棱镜的入射面，形成入射光束；
所述入射光束在所述光学树脂棱镜内传播且在所述第一表面上至少部分光线与待测量液体发生全反射以形成第一反射光束；
所述第一反射光束在所述光学树脂棱镜内传播且在所述第二表面上再次与待测量液体接触并发生全反射以形成第二反射光束；
所述第二反射光束在所述光学树脂棱镜内传播且在所述第三表面上再次与待测量液体接触并发生全反射以形成第三反射光束；
所述第三反射光束经所述射出面射出；
线阵图像传感器采集所述第三反射光束的图像；
折射率计算模块根据采集到的第三反射光束的图像与折射率的对应关系计算待测量液体的折射率。
所述光源和光学树脂棱镜之间设置一准直透镜；
所述光源发出的光束经所述准直透镜后，进入所述光学树脂棱镜的入射面。
所述第一表面与所述第三表面相对于所述光学树脂棱镜的中心对称；
所述第二表面与所述入射面和所述射出面平行；
所述入射面、第一表面、第二表面、第三表面、射出面和所述光学树脂棱镜为一体成型。
综上所述，本发明各个实施例中，能够实现多次全反射，将由于待测量液体中气泡的作用而产生的多余全反射光线再次通过棱镜与待测量液体的接触面，折射出本装置。从而达到筛选准确的全反射光线的作用，避免/降低气泡对测量的影响。同时，实现装置的小型化。
本发明实施例的液体折射率测量装置及方法，通过利用在光学树脂棱镜和待测量液体的多个接触面上全反射的光束图像和该待测量液体的折射率的对应关系，来计算该待测量液体的折射率，使得待测量液体中气泡对测量结果的干扰得到了消除/抑制，从而提高了测量装置的适应性。同时，降低了测量装置的体积。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种液体折射率测量装置，其特征在于，包括：
用以生成光束的光源、用以折射入射光束的光学树脂棱镜和用以接收出射光束图像的图像传感器；
所述光学树脂棱镜包括能够使光束进入形成入射光束的入射面、与待测量液体接触的第一表面、第二表面、第三表面和能够使光束射出形成出射光束的射出面；所述与待测量液体接触的第一表面、第二表面、第三表面能够使光束中至少部分光线形成全反射，分别形成第一反射光束、第二反射光束和第三反射光束；
光源发出的光束进入光学树脂棱镜的入射面，形成入射光束；
所述入射光束在所述光学树脂棱镜内传播且在所述第一表面上至少部分光线与待测量液体发生全反射以形成第一反射光束；
所述第一反射光束在所述光学树脂棱镜内传播且在所述第二表面上再次与待测量液体接触并发生全反射以形成第二反射光束；
所述第二反射光束在所述光学树脂棱镜内传播且在所述第三表面上再次与待测量液体接触并发生全反射以形成第三反射光束；
所述第三反射光束经所述射出面射出。
2.根据权利要求1所述的液体折射率测量装置，其特征在于，所述光源和光学树脂棱镜之间设置一准直透镜；
所述光源发出的光束经所述准直透镜后，进入所述光学树脂棱镜的入射面。
3.根据权利要求2所述的液体折射率测量装置，其特征在于，所述准直透镜由非球面镜和鲍威尔棱镜2个光学面组成。
4.根据权利要求1所述的液体折射率测量装置，其特征在于，所述第一表面与所述第三表面相对于所述光学树脂棱镜的中心对称。
5.根据权利要求1所述的液体折射率测量装置，其特征在于，所述第二表面与所述入射面和所述射出面平行。
6.根据权利要求1所述的液体折射率测量装置，其特征在于，所述入射面、第一表面、第二表面、第三表面、射出面和所述光学树脂棱镜为一体成型。
7.根据权利要求1所述的液体折射率测量装置，其特征在于，所述光学树脂棱镜的折射率是1.50-1.75之间；
所述入射面为复曲面透镜；
所述射出面为柱面镜。
8.一种液体折射率测量方法，采用如权利要求1～7任一所述的液体折射率测量装置，其特征在于，包括：
光源发出的光束进入光学树脂棱镜的入射面，形成入射光束；
所述入射光束在所述光学树脂棱镜内传播且在所述第一表面上至少部分光线与待测量液体发生全反射以形成第一反射光束；
所述第一反射光束在所述光学树脂棱镜内传播且在所述第二表面上再次与待测量液体接触并发生全反射以形成第二反射光束；
所述第二反射光束在所述光学树脂棱镜内传播且在所述第三表面上再次与待测量液体接触并发生全反射以形成第三反射光束；
所述第三反射光束经所述射出面射出；
图像传感器采集所述第三反射光束的图像；
折射率计算模块根据采集到的第三反射光束的图像与折射率的对应关系计算待测量液体的折射率。
9.根据权利要求8所述的液体折射率测量方法，其特征在于，包括：
所述光源和光学树脂棱镜之间设置一准直透镜；
所述光源发出的光束经所述准直透镜后，进入所述光学树脂棱镜的入射面。
10.根据权利要求8所述的液体折射率测量方法，其特征在于，包括：
所述第一表面与所述第三表面相对于所述光学树脂棱镜的中心对称；
所述第二表面与所述入射面和所述射出面平行；
所述入射面、第一表面、第二表面、第三表面、射出面和所述光学树脂棱镜为一体成型。
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