一種測量高折射率玻璃微珠折射率的裝置及方法

2023-06-29 03:46:46 2

專利名稱：一種測量高折射率玻璃微珠折射率的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種測量高折射率玻璃微珠折射率的裝置及方法，屬於測量技術領域。
背景技術：
隨著我國公路建設的快速發展，與道路逆反射材料配合使用的玻璃珠的用量迅速增加。玻璃珠在反光膜、反光油墨、反光標線、反光布、反光革、反光織帶、反光安全性絲織物等交通安全產品和設施中正發揮著越來越重要的作用。玻璃珠是一種矽酸鹽材料，具有良好的化學穩定性、機械強度和電絕緣性，最獨特的特性是對光具有回歸反射特性。利用玻璃珠回歸反射特性的材料使用的玻璃珠基本上均為玻璃微珠。玻璃微珠有實心、空心、多孔玻璃微珠之分，直徑0. 8mm-5mm的玻璃微珠稱為大珠(或細珠)，0. 8mm以下的稱為微珠。目前，道路逆反射材料普遍使用的玻璃微珠是實心微珠，通過其對光線的回歸反射特性，保證了逆反射材料類交通安全產品和設施的可見性， 從而起到了保護道路使用者安全的作用。道路逆反射材料使用的玻璃微珠有折射率低於1. 7的低折射率玻璃微珠和折射率不小於1. 9的高折射率玻璃微珠。低折射率的玻璃微珠主要應用在逆反射特性要求相對不高的材料，如反光標線，而高折射率玻璃微珠則應用在要求具有高的回歸反射特性的材料，如反光膜中。兩類玻璃微珠的製造工藝已經趨於成熟，市場上可購買到不同折射率的玻璃微珠，而且許多新型玻璃微珠，如鍍膜玻璃微珠和雨夜反光玻璃微珠不斷地被研發生產出來，國內許多玻璃微珠廠生產的玻璃微珠性能非常優越，而且遠銷國外，在保證道路逆反射材料的可視性中發揮著重要的作用。道路逆反射材料用玻璃微珠測試技術中最關鍵的項目是折射率的測試。玻璃材料折射率的直接精確測量，大都是基於稜鏡的最小偏轉角法或全反射臨界角法進行的，被測樣品必須製成一定大小的精密稜鏡才能進行測量。對於不便於製作成精密稜鏡的顆粒材料，浸液法是最為常用的折射率測量方法，其對低折射率玻璃微珠是行之有效的，但對高折射率玻璃微珠，由於浸液法所需的高折射率匹配液體都有毒性，給測量帶來很大的不便。 對於高折射率玻璃微珠，通過製作稜鏡的方法測量其折射率既費時又不能直接反映實際情況，由於成珠環境條件不同，實際微珠的折射率往往與用同樣材料溶成塊料的折射率有差異。國內外許多機構在高折射率玻璃微珠的測試方面均進行了卓有成效的研究，取得了一些研究成果，目前可採用彩虹法、幹涉-剪像法、固體介質熔融比較法等一些方法，其中彩虹法是最為有效的方法。專利CN 2581980Y公開了一種雷射照明玻璃微珠折射率測量的裝置，該裝置主要由He-Ne雷射器、正透鏡、載玻片及接收屏等組成，依據玻璃微珠在平行光照明下所產生的彩虹現象來進行折射率的測量。該裝置的主要特徵是採用平行雷射使用長焦距正透鏡使雷射會聚後直接照射到吸附在載玻片上的單個玻璃微珠整體上，並利用五維可調節支架支撐長焦距正透鏡和載玻片獲取玻璃微珠被照明的最佳位置。該測量裝置存在的主要缺陷是(1)由於玻璃微珠通過吸附作用吸附於載玻片上，支撐載玻片的五維可調節支架在調節過程中容易造成玻璃微珠脫落，不能進行連續多次測量，以實現統計分析；(2)雷射與玻璃微珠的對準通過五維可調節支架分別調整長焦距正透鏡和載玻片來實現，調準誤差增加了測量誤差；C3)無法保存形成的彩虹環和相關參數，不能實現測試數據的統計分析。

發明內容
鑑於上述問題，本發明提供了一種測量高折射率玻璃微珠折射率的裝置及方法。 所述裝置克服了現有技術測量玻璃微珠折射率的缺陷，利用玻璃微珠在雷射照明下產生的二次彩虹現象，測出多個玻璃微珠的最小偏向角後，根據相關計算公式從而統計得出被測量玻璃微珠的折射率。為實現本發明的目的，本發明提供了一種測量高折射率玻璃微珠折射率的裝置， 主要包括雷射器1、透鏡3、光闌5、X、Y平移結構7、載玻片8、玻璃微珠9、接收屏10、攝像頭11、升降裝置、讀數器13、採集卡15，所述攝像頭11安裝在升降裝置上；攝像頭11的下方安裝所述接收屏10 ；讀數器13安裝在升降裝置的移動臺上，用於讀取玻璃微珠9到接收屏 10之間的距離；在接收屏10的下方有用於放置載玻片8的載物臺；載物臺安裝在Χ、Υ平移結構7的移動平臺上；雷射器1的出射光經透鏡3、光闌5從載物臺的下方向上穿過載物臺上的光孔照射到玻璃微珠9上，在接收屏10上形成二次彩虹圖像，測量該二次彩虹圖像的半徑，通過所述玻璃微珠9到接收屏10之間的距離和該半徑計算所述高折射率玻璃微珠折射率。優選地，在載玻片8上一次放置有多個玻璃微珠9，在測試完一個玻璃微珠9後，通過調節Χ、Υ平移結構7和升降裝置，繼續下一個玻璃微珠9的測量，直到完成對多個玻璃微珠9的測量，然後統計分析所述多個玻璃微珠9的測量結果；優選地，所述多個玻璃微珠為 200個以上。優選地，所述裝置還包括第一反射鏡2、第二反射鏡4、第三反射鏡6，雷射器1的光路前方依次安裝第一反射鏡2、所述透鏡3、第二反射鏡4、所述光闌5和第三反射鏡6，雷射器1發出的雷射，被第一反射鏡2反射經過透鏡3，透射光經第二反射鏡4反射，通過光闌5 的光束再經第三反射鏡6反射，光束垂直向上後透過載物臺上載玻片8，使光束射到玻璃微珠9上。優選地，所述升降裝置包括三角架14，升降臺，所述三腳架連接有所述升降臺，在所述升降臺上安裝有所述攝像頭11 ；優選地，所述升降裝置還包括升降旋鈕12，通過調節該升降旋鈕12來調節升降臺的高度；優選地，在所述升降臺的下部安裝所述接收屏10 ；優選地，所述X、Y平移結構7包括螺旋機構或者齒輪齒條機構。優選地，將測量到的玻璃微珠9到接收屏10之間的距離和攝像頭11拍攝下來的二次彩虹圖像傳輸到採集卡15 ；優選地，所述採集卡15上的數據通過計算機進行分析。本發明還提供一種測量高折射率玻璃微珠折射率的方法，其特徵在於雷射器發出雷射，經過透鏡，透射光經過光闌的光束垂直向上後透過載物臺上載玻片，利用X、Y平移結構調節載玻片上的玻璃微珠，使光束照射到玻璃微珠上，從而會在接收屏上得到二次彩虹圖像；測量玻璃微珠到接收屏之間的距離(S)，採集所述二次彩虹環半徑(r)，從而計算出待測玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角，結合該最小偏向角和玻璃微珠的內反射次數來確定玻璃微珠的折射率。優選地，在測試完一個玻璃微珠後，通過調節X、Y平移結構和升降裝置，繼續下一個玻璃微珠的測量，直到完成對多個玻璃微珠的測量，然後統計分析所述多個玻璃微珠的
測量結果。優選地，雷射器發出的雷射，被第一反射鏡反射經過透鏡，透射光經第二反射鏡反射，通過光闌的光束再經第三反射鏡反射，光束垂直向上後透過載物臺上載玻片，利用X、Y 平移結構調節載玻片上的玻璃微珠，使光束射到玻璃微珠上，從而在接收屏上得到二次彩虹圖像；優選地，所述計算玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角的方法如下玻璃微珠到接收屏之間的距離為s，彩虹環半徑為r，用下面的算式(3)計算出待測玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角9min。
權利要求
1.一種測量高折射率玻璃微珠折射率的裝置，主要包括雷射器(1)、透鏡(3)、光闌(5)、X、Y平移結構(7)、載玻片(8)、玻璃微珠(9)、接收屏(10)、攝像頭(11)、升降裝置、讀數器(13)、採集卡(15)，所述攝像頭(11)安裝在升降裝置上；攝像頭(11)的下方安裝所述接收屏(10)；讀數器(13)安裝在升降裝置的移動臺上，用於讀取玻璃微珠(9)到接收屏 (10)之間的距離；在接收屏(10)的下方有用於放置載玻片⑶的載物臺；載物臺安裝在X、 Y平移結構(7)的移動平臺上；雷射器(1)的出射光經透鏡(3)、光闌(5)從載物臺的下方向上穿過載物臺上的光孔照射到玻璃微珠(9)上，在接收屏(10)上形成二次彩虹圖像，測量該二次彩虹圖像的半徑，通過所述玻璃微珠(9)到接收屏(10)之間的距離和該半徑計算所述高折射率玻璃微珠折射率。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於在載玻片(8)上一次放置有多個玻璃微珠(9)，在測試完一個玻璃微珠(9)後，通過調節X、Y平移結構(7)和升降裝置，繼續下一個玻璃微珠(9)的測量，直到完成對多個玻璃微珠(9)的測量，然後統計分析所述多個玻璃微珠(9)的測量結果；優選地，所述多個玻璃微珠為200個以上。
3.根據上述任一權利要求所述的裝置，其特徵在於還包括第一反射鏡O)、第二反射鏡G)、第三反射鏡(6)，雷射器(1)的光路前方依次安裝第一反射鏡O)、所述透鏡(3)、第二反射鏡G)、所述光闌(5)和第三反射鏡(6)，雷射器(1)發出的雷射，被第一反射鏡(2) 反射經過透鏡(3)，透射光經第二反射鏡(4)反射，通過光闌(5)的光束再經第三反射鏡(6)反射，光束垂直向上後透過載物臺上載玻片(8)，使光束射到玻璃微珠(9)上。
4.根據上述任一權利要求所述的裝置，其特徵在於所述升降裝置包括三角架(14)， 升降臺，所述三腳架(14)連接有所述升降臺，在所述升降臺上安裝有所述攝像頭(11)；優選地，所述升降裝置還包括升降旋鈕(12)，通過調節該升降旋鈕(1 來調節升降臺的高度；優選地，在所述升降臺的下部安裝所述接收屏(10)；優選地，所述X、Y平移結構(7)包括螺旋機構或者齒輪齒條機構。
5.根據上述任一權利要求所述的裝置，其特徵在於將測量到的玻璃微珠(9)到接收屏(10)之間的距離和攝像頭(11)拍攝下來的二次彩虹圖像傳輸到採集卡(1 ；優選地， 所述採集卡(1 上的數據通過計算機進行分析。
6.一種利用權利要求1-5任一項所述的裝置測量高折射率玻璃微珠折射率的方法，其特徵在於雷射器發出雷射，經過透鏡，透射光經過光闌的光束垂直向上後透過載物臺上載玻片， 利用X、Y平移結構調節載玻片上的玻璃微珠，使光束照射到玻璃微珠上，從而會在接收屏上得到二次彩虹圖像；測量玻璃微珠到接收屏之間的距離(s)，採集所述二次彩虹環半徑 (r)，從而計算出待測玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角，結合該最小偏向角和玻璃微珠的內反射次數來確定玻璃微珠的折射率。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於在測試完一個玻璃微珠後，通過調節X、Y 平移結構和升降裝置，繼續下一個玻璃微珠的測量，直到完成對多個玻璃微珠的測量，然後統計分析所述多個玻璃微珠的測量結果。
8.根據權利要求6-7任一所述的方法，其特徵在於雷射器發出的雷射，被第一反射鏡反射經過透鏡，透射光經第二反射鏡反射，通過光闌的光束再經第三反射鏡反射，光束垂直向上後透過載物臺上載玻片，利用X、Y平移結構調節載玻片上的玻璃微珠，使光束射到玻璃微珠上，從而在接收屏上得到二次彩虹圖像；優選地，所述計算玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角的方法如下玻璃微珠到接收屏之間的距離為s，彩虹環半徑為r，用下面的算式C3)計算出待測玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角9min。Q mm=tg \ (r— )(3)Λ "
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於確定玻璃微珠的折射率的方法如下 入射角i、折射角ζ的光線在折射率為η的玻璃微珠內經過k次內反射後，偏向角θ可以表示為θ = kJi +2i-2z(k+l) (1)i與ζ之間滿足Snell定理sini = nsinz，代入(1)式可得到最小偏向角θ min與玻璃微珠折射率η及內反射次數k的關係0m=kn+ Iarcsm V / -2(MJarcsiri- Y "丄;)⑵y k(k-s(-2)ηy Kfk-iT^)(2)式表明，最小偏向角θ min大小隻與玻璃微珠折射率n和內反射次數k有關，當確定了內反射次數k，將所述emin代入( 式即可確定玻璃微珠的折射率；優選地，取k = 2。
10.根據權利要求6-9任一所述的方法，其特徵在於其中在接收屏上得到二次彩虹圖像的步驟為旋轉固定在三腳架上的升降旋鈕，使觀察到的二次彩虹圖像達到要求，從而攝像頭拍攝到適當大小而又清晰的二次彩虹圖像；優選地，其中測量玻璃微珠到接收屏之間的距離S的步驟為使用讀數器，讀數器上顯示玻璃微珠到接收屏之間的距離S。
全文摘要
一種測量高折射率玻璃微珠折射率的裝置及方法，攝像頭11安裝在升降裝置上；攝像頭11的下方安裝接收屏10；讀數器13安裝在升降裝置的移動臺上，用於讀取玻璃微珠9到接收屏10之間的距離；在接收屏10的下方有用於放置載玻片8的載物臺；載物臺安裝在X、Y平移結構7的移動平臺上；雷射器1的出射光經透鏡3、光闌5從載物臺的下方向上穿過載物臺上的光孔照射到玻璃微珠9上，在接收屏10上形成二次彩虹圖像，測量該二次彩虹圖像的半徑，通過所述玻璃微珠9到接收屏10之間的距離和該半徑計算所述高折射率玻璃微珠折射率。
文檔編號G01N21/01GK102175646SQ20111005216
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月4日 優先權日2010年12月15日
發明者劉恆權, 包左軍, 呂虎, 張智勇, 李丹, 李大海, 王瑋, 王瓊華, 蘇文英, 薄健康, 郭東華, 陸宇紅, 馬學鋒, 馬駿 申請人:交通運輸部公路科學研究所, 四川大學