CN116379942A - 一种光散射法测量物体直径的测试装置及其测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光散射法测量物体直径的测试装置及其测试方法，其特征是还包括安装在支架上的移动架、滑动安装在移动架上的激光机构、安装在移动架上用于驱动激光机构进行移动的驱动机构、安装在底架上的步进电机、安装在底架上且与步进电机连接的旋转臂以及安装在旋转臂上的光强传感器。该发明采用驱动机构的设置，通过步进电机控制激光光束调节架进行移动并控制每次移动距离一致；在半导体激光器位置发生移动后，反射的光强最强点发生变化，通过光强传感器自动捕捉光强最强点，从而得出准确的入射角和反射角，然后自动根据算法自动计算被测样品圆柱体的直径，从而确保实验的准确性且有助于操作人员操作，降低操作繁琐性。

Description

一种光散射法测量物体直径的测试装置及其测试方法
技术领域
本发明涉及光散射法测试物体直径实验，具体是指一种光散射法测量物体直径的测试装置及其测试方法。
背景技术
现有技术中用于光散射法测量物体直径的实验装置基板包含激光器、用于安装激光器的移动架、圆盘、校准镜片移动平台组成，实验时每次激光器的移动都是通过手动调节，激光照射到物体后反射的最强光强点也是通过眼睛进行寻找后得出入射角和反射角，然后在根据得到的数据进行计算；但是通过手动调整激光器的移动，每次的移动距离难以保证一致，肯定会存在一定的偏差，并且通过眼睛找寻最强光强点也会存在一定的偏差，导致得出的入射角和反射角也相应存在偏差，导致最后实验的计算数据出现偏差，影响实验效果，并且每次调整都需人工操作，操作繁琐且数据不精准。为此，提出一种光散射法测量物体直径的测试装置及其测试方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决以上问题而提出一种光散射法测量物体直径的测试装置及其测试方法。
为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案一种光散射法测量物体直径的测试装置，包括底架以及安装在底架上的支架；其特征是还包括安装在支架上的移动架、滑动安装在移动架上的激光机构、安装在移动架上用于驱动激光机构进行移动的驱动机构、安装在底架上的步进电机、安装在底架上且与步进电机连接的旋转臂以及安装在旋转臂上的光强传感器；所述底架上还安装有圆盘，圆盘上设有角度指示。
进一步优选的，所述步进电机连接有角度编码器。
进一步优选的，所述激光机构包含滑动安装在移动架上的激光光束调节架以及安装在激光光束调节架上的半导体激光器；所述驱动机构包含安装在移动架上的步进电机二、与步进电机连接的丝杆、活动安装在丝杆上且与激光光束调节架连接的螺母座。
进一步优选的，所述移动架上还设有滑轨，激光光束调节架上设有与滑轨适配的滑槽。
一种光散射法测量物体直径的测试装置的测试方法，其特征在于：所述测试方法如下：
1)仪器准备：打开半导体激光器电源，调节半导体激光器电源强度；
2)光斑调节：在圆盘中心位置放置圆柱体样品，使激光束射在圆柱体样品表面，通过调节半导体激光器前部聚焦透镜，使当前距离射到圆柱体样品表面的光斑尺寸最小；
3)光路调节：将圆柱体样品从圆盘中心位置取下，然后在圆盘中心零刻度位置放上校准镜片，然后通过步进电机二调节激光光束调节架以及半导体激光器的位置使激光束入射到校准镜片，激光束通过校准镜片反射后能回到半导体激光器出光孔中心位置，此时激光束经过圆心；然后取下校准镜片，然后在圆盘中心处放上样品即可观察反射光线返回半导体激光器出光孔中心位置，此时半导体激光器位置为初始位置；
4)进行实验：通过步进电机二改变激光光束调节架和半导体激光器位置，使半导体激光器朝一个方向移动，设定半导体激光器位置为b，每次移动间隔为△b；移动间隔调节完成后，控制带有角度编码器的步进电机控制旋转臂进行旋转，当旋转臂上的光强传感器接收到最大光强信号(即散射斑位置)后停止旋转，通过步进电机上的角度编码器自动记录角度位置2α和半导体激光器位置b；然后再次按△b改变位置b后用相同的方法测得每次位置b改变后的散射斑角度位置2α，直至2α为90°；
5)计算：设定R为样品半径，b为半导体激光器位置(即瞄准距离，光束与通过目标中心的平行线之间的距离)，光束击中目标后反射，设反射角为α，则由样品侧面反射的反射角等于入射角α，依据几何学得出
Figure BDA0004167567190000031
定义全反射角θ＝π-2α，得到/>
Figure BDA0004167567190000032
通过瞄准距离b的变化量△b和散射角度φ的变化量△φ实验数据计算微分散射截面/>
Figure BDA0004167567190000033
通过/>
Figure BDA0004167567190000034
初步计算R0，测量离散射中心距离r(即光强传感器接收到面到圆盘中心的距离)，然后通过/>
Figure BDA0004167567190000035
再通过做/>
Figure BDA0004167567190000036
图，得出斜率K1和R1；
6)然后用迭代方式多次重复上述步骤5)的数据处理过程，直至Rn+1与Rn基本一致，即可作为R的数值，从而确定了圆柱体的半径。
本发明通过采用驱动机构的设置，通过步进电机控制激光光束调节架进行移动，并控制每次移动距离一致；同时通过步进电机、角度编码器和光强传感器的设置，在半导体激光器位置发生移动后，反射的光强最强点发生变化，通过光强传感器自动捕捉光强最强点，从而得出准确的入射角和反射角，然后根据算法自动计算被测样品圆柱体的直径，从而确保实验的准确性且有助于操作人员操作，降低操作繁琐性。
附图说明
附图1是本发明结构示意图；
附图2是本发明的结构示意图；
附图3是本发明中驱动机构处局部剖面示意图；
附图4是本发明中散射角度φ与瞄准距离b的关系数据图；
附图5是本发明中微分散射截面与x(x代表
Figure BDA0004167567190000041
)的关系数据图；
附图6是本发明根据
Figure BDA0004167567190000042
与x的关系得到的样品半径数据表。
图例说明：1、底架；11、圆盘；12、角度指示；2、支架；3、移动架；31、滑轨；4、激光机构；41、激光光束调节架；42、半导体激光器；43、滑槽；5、驱动机构；51、步进电机二；52、丝杆；53、螺母座；6、步进电机；7、旋转臂；8、光强传感器。
具体实施方式
下面我们结合附图对本发明所述的一种光散射法测量物体直径的测试装置及其测试方法做进一步的说明。
参阅图1-6中所示，一种光散射法测量物体直径的测试装置，包括底架1以及安装在底架1上的支架2；其特征是还包括安装在支架2上的移动架3、滑动安装在移动架3上的激光机构4、安装在移动架3上用于驱动激光机构4进行移动的驱动机构5、安装在底架1上的步进电机6、安装在底架1上且与步进电机6连接的旋转臂7以及安装在旋转臂7上的光强传感器8；所述底架1上还安装有圆盘11，圆盘11上设有角度指示12；所述步进电机6连接有角度编码器；
通过采用驱动机构5的设置，通过步进电机51控制激光光束调节架41进行移动，并控制每次移动距离一致；同时通过步进电机6、角度编码器和光强传感器8的设置，在半导体激光器42位置发生移动后，反射的光强最强点发生变化，通过光强传感器8自动捕捉光强最强点，从而得出准确的入射角和反射角，从而确保实验的准确性且有助于操作人员操作，降低操作繁琐性；
光强传感器8捕捉光强最强点时，通过步进电机6带动旋转臂7进行旋转，旋转臂7带动光强传感器8进行旋转而捕捉最强强光点，捕捉完成后通过角度编码器得出旋转角度。
进一步，所述激光机构4包含滑动安装在移动架3上的激光光束调节架41以及安装在激光光束调节架41上的半导体激光器42；所述驱动机构5包含安装在移动架3上的步进电机二51、与步进电机二51连接的丝杆52、活动安装在丝杆52上且与激光光束调节架41连接的螺母座53；
半导体激光器42移动时，通过步进电机51带动丝杆52转动，丝杆52通过与螺母座53的螺旋配合带动激光光束调节架41进行直线移动，从而带动半导体激光器42进行直线移动。
进一步，所述移动架3上还设有滑轨31，激光光束调节架41上设有与滑轨31适配的滑槽43；通过滑轨31和滑槽43的设置，对激光光束调节架41的移动起限位导向作用。
本发明的测试方法：
1)首先准备仪器，打开半导体激光器42电源后调节半导体激光器42的电源强度；
2)光斑调节：在圆盘中心位置放置圆柱体样品，使激光束射在圆柱体样品表面，通过调节半导体激光器42前部聚焦透镜，使当前距离射到圆柱体样品表面的光斑尺寸最小后完成光斑调节；
3)光路调节：将圆柱体样品从圆盘11中心位置取下，然后在圆盘中心零刻度位置放上校准镜片，然后通过步进电机51调节激光光束调节架41以及半导体激光器42的位置使激光束入射到校准镜片，激光束通过校准镜片反射后能回到半导体激光器42出光孔中心位置，此时激光束经过圆心；然后取下校准镜片，然后在圆盘11中心处放上样品即可观察反射光线返回半导体激光器42位置，此时半导体激光器42出光孔中心位置为初始位置；
4)进行实验：通过步进电机51带动激光光束调节架和半导体激光器42朝一个方向移动，设定半导体激光器42位置为b，每次移动间隔为△b，例如设定每次移动间隔为0.1cm；移动间隔调节完成后，通过步进电机6带动旋转臂7进行旋转，当旋转臂7上的光强传感器8接收到最大光强信号(即散射斑位置)后停止旋转，通过步进电机6上的角度编码器自动记录角度位置2α和半导体激光器42位置b；然后再次按△b改变位置b后用相同的方法测得每次位置b改变后的散射斑角度位置2α，直至2α为90°；
5)计算：设定R为样品半径，通过瞄准距离b的变化量△b和散射角度φ的变化量△φ实验数据计算微分散射截面
Figure BDA0004167567190000071
通过/>
Figure BDA0004167567190000072
初步计算R0，测量离散射中心距离r(即光强传感器接收面到圆盘11中心的距离)，然后通过计算/>
Figure BDA0004167567190000073
再通过做/>
Figure BDA0004167567190000074
图，通过线性拟合得出斜率K1和R1；
6)然后用迭代方式多次重复上述步骤5)的数据处理过程，直至Rn+1与Rn基本一致，即可作为R的数值，从而确定了圆柱体的半径，确定了半径后即可得知样品的直径；
实验数据记录及处理：
通过
Figure BDA0004167567190000075
做散射角度φ与瞄准距离b的关系数据图，如图4中所示，设定趋势线的截距为0，得到斜率K，即可得到圆柱体半径的初步估值R0；
做微分散射截面
Figure BDA0004167567190000076
(单位：cm/弧度)与/>
Figure BDA0004167567190000077
关系数据，将上述中
Figure BDA0004167567190000078
作为x；如图5中所示，
通过
Figure BDA0004167567190000079
与x的关系图得出斜率K1表示，R1＝2K1，如图6中所示，
用R1替换R0，通过迭代方式重复上述数据处理过程，得出K2、R2；类似的用Rn替换替换R0，重复上述处理过程得出Rn+1直至Rn+1与Rn大小基本相同，即确定样品圆柱体的半径。
本发明的保护范围不限于以上实施例及其变换。本领域内技术人员以本实施例的内容为基础进行的常规修改和替换，均属于本发明的保护范畴。

Claims (5)

1.一种光散射法测量物体直径的测试装置，包括底架(1)以及安装在底架(1)上的支架(2)；其特征是还包括安装在支架(2)上的移动架(3)、滑动安装在移动架(3)上的激光机构(4)、安装在移动架(3)上用于驱动激光机构(4)进行移动的驱动机构(5)、安装在底架(1)上的步进电机(6)、安装在底架(1)上且与步进电机(6)连接的旋转臂(7)以及安装在旋转臂(7)上的光强传感器(8)；所述底架(1)上还安装有圆盘(11)，圆盘(11)上设有角度指示(12)。
2.根据权利要求1所述的一种光散射法测量物体直径的测试装置，其特征在于：所述步进电机(6)连接有角度编码器。
3.根据权利要求1所述的一种光散射法测量物体直径的测试装置，其特征在于：所述激光机构(4)包含滑动安装在移动架(3)上的激光光束调节架(41)以及安装在激光光束调节架(41)上的半导体激光器(42)；所述驱动机构(5)包含安装在移动架(3)上的步进电机二(51)、与步进电机二(51)连接的丝杆(52)、活动安装在丝杆(52)上且与激光光束调节架(41)连接的螺母座(53)。
4.根据权利要求3所述的一种光散射法测量物体直径的测试装置，其特征在于：所述移动架(3)上还设有滑轨(31)，激光光束调节架(41)上设有与滑轨(31)适配的滑槽(43)。
5.权利要求1～4任意一项所述的一种光散射法测量物体直径的测试装置的测试方法，其特征在于：所述测试方法如下：
1)仪器准备：打开半导体激光器电源，调节半导体激光器电源强度；
2)光斑调节：在圆盘中心位置放置圆柱体样品，使激光束射在圆柱体样品表面，通过调节半导体激光器前部聚焦透镜，使当前距离射到圆柱体样品表面的光斑尺寸最小；
3)光路调节：将圆柱体样品从圆盘中心位置取下，然后在圆盘中心零刻度位置放上校准镜片，然后通过步进电机二调节激光光束调节架以及半导体激光器的位置使激光束入射到校准镜片，激光束通过校准镜片反射后能回到半导体激光器出光孔中心位置，此时激光束经过圆心；然后取下校准镜片，然后在圆盘中心处放上样品即可观察反射光线返回半导体激光器出光孔中心位置，此时半导体激光器位置为初始位置；
4)进行实验：通过步进电机二改变激光光束调节架和半导体激光器位置，使半导体激光器朝一个方向移动，设定半导体激光器位置为b，每次移动间隔为△b；移动间隔调节完成后，控制带有角度编码器的步进电机控制旋转臂进行旋转，当旋转臂上的光强传感器接收到最大光强信号后停止旋转，通过步进电机上的角度编码器自动记录角度位置2α和半导体激光器位置b；然后再次按△b改变位置b后用相同的方法测得每次位置b改变后的散射斑角度位置2α，直至2α为90°；
5)计算：设定R为样品半径，b为半导体激光器位置，光束击中目标后反射，设反射角为α，则由样品侧面反射的反射角等于入射角α，依据几何学得出
Figure FDA0004167567180000031
定义全反射角θ＝π-2α，得到/>
Figure FDA0004167567180000032
通过瞄准距离b的变化量△b和散射角度φ的变化量△φ实验数据计算微分散射截面/>
Figure FDA0004167567180000033
通过/>
Figure FDA0004167567180000034
初步计算R0，测量离散射中心距离r，然后通过
Figure FDA0004167567180000035
再通过做/>
Figure FDA0004167567180000036
图，通过线性拟合得出斜率K1和R1；
6)然后用迭代方式多次重复上述步骤5)的数据处理过程，直至Rn+1与Rn基本一致，即可作为R的数值，从而确定了圆柱体的半径。
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