自動v稜鏡折射儀的製作方法

2023-05-29 11:16:51 2

專利名稱：自動v稜鏡折射儀的製作方法
技術領域：
本發明屬於測量物體折射率的光學測試儀器，是對V稜鏡折射儀的改進，特別是關於利用V稜鏡折射原理的測量物體(固體，液體)折射率色散係數和部分色散的自動V稜鏡折射儀。
目前廣泛應用的V稜鏡折射儀的光路原理如

圖1所示，它由光源1、濾光片3、準直平行光管101、玻璃V型凹塊9、待測樣品11、光學度盤102、瞄準望遠鏡103和讀數顯微鏡104等組成，該議器的優點是結構簡單，但是它存在如下問題1.由於光學度盤的測角精度僅為10秒，因此折射率的測量精度比較低，為±(3-5)×10-5;
2.儀器採用瞄準望遠鏡和讀數顯微鏡工作，操作人員長期工作，容易產生視力疲勞，不同操作人員會產生主觀誤差。
本發明的目的是提供一種自動V稜鏡折射儀，以提高折射率的測量精度，減輕操作人員勞動強度，儘量避免主觀誤差，提高工作效率。
本發明的技術方案是根據V稜鏡測量物體折射率的原理，改進光路設計，利用計算機控制步進電機驅動莫爾光柵盤和振動狹縫進行高精度光電瞄準和精密測角，並自動進行數據處理。
本發明的自動V稜鏡折射儀的原理框圖如圖2所示。沿光路有光源1、聚光鏡2、濾光片3、狹縫4、玻璃V形凹塊9之間還有分束器5和準直物鏡8，狹縫4位於聚光鏡2和準直物鏡9的共焦面上，在分束器5並垂直於光路的一側有振動狹縫6和光電倍增管7，沿光路在玻璃V形凹塊9的另一端有一準直反射鏡13，在玻璃V形凹塊的一側(後面或前面)裝莫爾光柵盤10，該光柵盤的主軸20的軸線與光路垂直並通過玻璃V形凹塊的V形空間，莫爾光柵盤的主軸上有一固定的L形連杆12與準直反射鏡13固定連接，以保證光柵盤和準直反射鏡同步運動。
還有計算機16，印表機17，信號處理電路18，控制電路15，變速驅動系統14和光柵盤10的角度編碼器19，由所說的光電倍增管7接收的光電瞄準信號經信號處理電路18輸入計算機16，經過判斷，計算機輸出控制信號，經控制電路15，控制變速驅動系統14的運動，帶動光柵盤10和準直反射鏡13運動。當儀器處於瞄準狀態時，計算機從角度編碼器19讀取折射角值，並進行數據處理，結果由印表機17輸出。
為了充分利用光路中的光能量，所說的分束器5應是半透半反的，所說的振動狹縫6應位於準直物鏡8的反回光束經分束器5反射後的光路上的焦面上，以保證反射光束中儘量多的光能通過振動狹縫6而被光電倍增管7接收。
本發明由於採用了高精度的莫爾光柵盤和振動狹縫進行高精度光電瞄準和精密測角，計算機自動控制尋的和處理數據，因而，折射率的測量精度提高到1-1.5×10-5，操作人員勞動強度大大降低，避免了主觀誤差，也提高了工作效率。
下面結合附圖對本發明及實施例作進一步說明。
圖1是已有V稜鏡折射儀的光路原理2是本發明的實施例的光路和結構框3是圖2中莫爾光柵盤10和準直反射鏡13的變速驅動系統14的剖視4是濾光片裝置，左圖是濾光片裝置的剖視圖，右圖是其左視5是光源支架的頂視6是光源支架的D-O-D剖視7為控制電路8為信號處理系統電路9是計算機16的工作程序圖從圖2至圖9構成了本發明的最佳實施例圖2中元、器件的靜態位置關係如上述，這裡不再贅述。
圖3是莫爾光柵盤10和準直反射鏡13的變速驅動系統14的一種實例。圖中12是將準直反射鏡13固定連接在光柵盤10的主軸20的L形連杆。步進電機141，步進電機軸延長的蝸杆142、蝸輪143和主輪144構成莫爾光柵盤10和準直反射鏡13的變速驅動系統。
圖4是為了測試過程中更換濾光片方便而設計的濾光片裝置。該裝置包括固定在儀器底座311上的支架310，裝在支架上螺孔305內的固定軸313和可繞軸旋轉的濾光片轉盤303，該盤上至少有7個在同一圓周上均勻分布的供安放濾光片3的通孔301，本實施例有8個通孔，每個孔有L形環狀凸緣供放濾光片用，濾光片靠彈簧壓圈302壓牢。這8個通孔中順序裝入與汞燈的e、g、h線，氪燈的c、f線，氦燈的d、r線相應的濾光片，如圖中的e、g、h、c、f、d、r所示，還有一個孔可隨時根據測量需要安放特定譜線的濾光片。濾光片轉盤上還有與通孔301數量相等的限位洞304，該限位洞與旋入支架的螺孔309的頂螺307凹槽中的彈簧308和頂珠306的配合下，起濾光片轉盤303的定位作用。所說的支架310由固定螺釘312固定在底座311上時，正好使濾光片轉盤上一塊濾光片處於光路中。
圖5和圖6表示一個可方便地更換光源的光源支架，圖5是其頂視圖，圖6是圖5的DOD剖視圖，它可同時安裝汞燈、氪燈和氦燈，使用時只要轉動該支架，即可將所需的燈光旋轉到工作位置。該支架改換其他光源也很方便。
圖7是計算機控制步進電機141運動的控制電路14的電路圖。控制電路包括PIO接口，PIO的PB5、PB6、PB7分別通過相同的電路，即由集成塊75452P、光電隔離器22和功率放大的集成塊TWH8751組成的電路分別與步進電機的三個繞組A、B、C相連，實現對步進電機的控制，其控制過程是1正向轉動時，步進電機驅動繞組的控制順序為
在尋的過程中，若找不到瞄準信號，步進電機可一直旋轉，到計算機事先設定的最大驅動步數時，進行反向尋的。
2反向轉動時，步進電機驅動繞組的控制順序為
在尋的過程中，若找不到瞄準信號，步進電機可一直轉動，到反向最大驅動步數時，自動進行正向尋的。
信號處理系統18的電路如圖8所示，它主要由信號放大電路，相敏檢波器21，A/D變換器和PIO接口組成。圖中BG1和BG3可選場效應管3DJ4。光電倍增管7接收的光信號變為電信號，由隔直電容C1耦合到BG1進行前置放大，C2、C3組成高頻濾波器，BG2和電容C8，電位器W1組成移相網絡，R7和R8阻值相等，在BG2的發射極和集電極提供兩個數值相等、相位相反的信號源，調節W1能使A點輸出信號的相位改變。BG3組成射極跟隨器，BG4、BG5和BG6均為信號放大而設置的，放大後的信號由射極跟隨器BG7經電容C19送至相敏檢波器21進行信號解調，經A/D變換器，由PIO接口輸入計算機16。
角度編碼器19是莫爾光柵盤10帶的，例如上海機械學院的產品，可直接與計算機連接並進行角度採樣。
計算機在測量過程中工作程序如圖9所示。圖2至圖8組成了本發明的最佳實施例，下面以測量待測樣品11相對於汞燈的g線的折射率為例說明本發明的動態過程。
1.首先轉動光源支架使汞燈就位，撥動濾光片轉盤使濾光片g進入光路，打開電源，汞燈光經聚光鏡2通過濾光片g，汞燈的g線光照亮狹縫4，狹縫4形成的暗線和光束一起通過分束器5和準直物鏡8，穿過玻璃V形凹塊9，指向準直反射鏡13，準直反射鏡將光反射回，經過玻璃V形凹塊9，準直物鏡8，在分束器5上進行分光，其反射光經振動狹縫6被光電倍增管7接收，2.啟動計算機並初始化後，輸入被測樣品號、測試日期和測試者號。
3.找基準將標準V塊放入玻璃V形凹塊9的V形空間，鍵入標準V塊折射率N，計算機即自動控制進行找基準。其過程是狹縫4暗線的象偏離振動狹縫6中心的平衡位置時，稱為未瞄準狀態，光電倍增管7輸出一非正弦電信號，放大後由BG7經電容C19耦合進入相敏檢波器21，經相敏檢波後的電信號輸出不為零，這個信號A/D變換後，由PIO接口送入計算機，計算機發出驅動步進電機141的指令，通過控制電路15驅動步進電機旋轉，變速驅動系統的運動，帶動光柵盤10和準直反射鏡13同步運動，準直反射鏡運動的角度由光柵盤10及其角度編碼器19一一對應地記錄。當準直反射鏡13的鏡面精確地垂直於射入光束時，狹縫4暗線的象必定正好在振動狹縫6(亮狹縫)的中心的平衡位置，稱為瞄準狀態，也就是尋的過程完成，也就是找到了基準，這時光電倍增管7輸出一正弦電信號，放大後經相敏檢波後的信號為零，這時計算機不再發出驅動指令並根據軟體程序自動從角度編碼器讀入這基準角。
4.樣品折射率測試取出標準V塊，將被測樣品11放入玻璃V形凹塊9中，在計算機中輸入譜線號(例如g線)，這時光電倍增管7輸出的又是一非正弦電信號，計算機驅動尋的。尋的過程是一個反覆驅動步進電機運動的過程。當準直反射鏡13的鏡面又精確垂直於入射光束時，狹縫4的暗線的象又處于振動狹縫(亮狹縫)6的中心平衡位置，完成尋的，計算機又從角度編碼器讀入(採樣)一個角度，這個角與基準角之差即為測得的折射角θ，計算機按下面公式進行折射率N計算。
N=N02sinN02-sin2]]>式中N是標準V塊的折射率。
測量結果Ng由印表機17輸出。
樣品相對於其他譜線的測量過程和不同樣品的測量過程只需相應地設置光源和濾光片，並向計算機輸入相應的譜線號(e、g、h、c、f、d、r等)，計算機重複第4步即可自動進行測量。
當儀器對同一樣品進行了d、c、f、譜線的折射率Nd、Nc、Nf測量後，計算機還會自動計算部分色散 Nc-Nf色散係數 u＝ (Nd-1)/(Nc-Nf)並列印出結果。
很明顯，本發明達到了目的，測量精度高，操作方便，減輕了勞動強度，避免了主觀誤差，提高了工作效率。
根據本發明的構思，在機械結構和電路方面稍作變動，仍應屬本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種測量玻璃等透明物體折射率的自動V稜鏡折射儀，沿光路有光源1、聚光鏡2、濾光片3、狹縫4、玻璃V形凹塊9，其特徵在於1沿光路在狹縫4和玻璃V形凹塊9之間還有分束器5和準直物鏡8，所說的狹縫4位於聚光鏡2和準直物鏡8的共焦面上；2在分束器5並垂直於光路的一側有振動狹縫6和光電倍增管7；3沿光路在玻璃V形凹塊9的另一端有一準直反射鏡13；4在玻璃V形凹塊後面(或前面)裝有莫爾光柵盤10，該光柵盤的主軸20的軸線通過玻璃V形凹塊9的V形空間，與光路正交；5還有計算機16，由所說的光電倍增管7接收的光電瞄準信號經信號處理系統18輸入計算機21，經過判斷，計算機輸出控制信號，經控制電路15，控制變速驅動系統14運動，當儀器處於瞄準狀態時，計算機從莫爾光柵盤10的角度編碼器19讀取折射角度值，並進行數據處理，由印表機17輸出結果。
2.按照權利要求1的V稜鏡折射儀，其特徵在於所說的振動狹縫6位於準直物鏡8的光束經分束器5反射後的光路上的焦面上。
3.按照權利要求1的V稜鏡折射儀，其特徵在於所說的控制電路15，包括PIO接口，PIO的PB5、PB6、PB7分別通過相同的電路，即由集成塊75452p、光電隔離器和功率放大集成塊TWH8751組成的電路，與變速驅動系統14的步進電機141的三個繞組A、B、C相連，以實現對步進電機的控制。
4.按照權利要求1的V稜鏡折射儀，其特徵在於所說的信號處理系統18由電信號放大電路、相敏檢波器21、A/D變換器和PIO接口組成，光電倍增管7接收的光信號變為電信號，由隔直電容C1耦合到BG1進行前置放大，經BG2的移相網絡和BG3射極跟隨器後，由BG4、BG5、BG6組成的放大電路再放大，從射極跟隨器BG7經電容C19送至相敏檢波器21進行信號解調，經A/D變換器，由PIO接口輸入計算機。
5.按照權利要求1的V稜鏡折射儀，其特徵在於所說的變速驅動系統由步進電機141，蝸杆142，蝸輪143，主輪144和莫爾光棚盤的主軸20按機械驅動關係關連而成。
6.按照權利要求1至5的V稜鏡折射儀，其特徵是所說的濾光片3是安裝在濾光片裝置上的，該濾光片裝置包括固定在儀器底座311的支架310，固定軸313和可繞固定軸旋轉的濾光片轉盤303，該盤上至少有7個在同一圓周上均勻分布的供安裝濾光片3的通孔301，該孔有L形環狀凸緣，濾光片用彈簧壓圈302壓牢，濾光片轉盤還有與通孔301數量相等的限位洞304，該限位洞與旋入支架的螺孔309的頂螺307凹槽中的彈簧308和頂珠306的配合下起濾光片轉盤303的定位作用。
7.按照權利要求6的V稜鏡折射儀，其特徵是所說的光源是安裝在一可轉動的光源支架上的。
全文摘要
一種用於透明物體折射率測量的自動V稜鏡折射儀，由光源、聚光鏡、濾光片裝置、狹縫、分束器、準直物鏡、玻璃V形凹塊、準直反射鏡、莫爾光柵盤及其角度編碼器、振動狹縫、光電倍增管、計算機、信號處理系統、控制電路、變速驅動系統等組成，利用計算機控制步進電機驅動莫爾光柵盤和振動狹縫進行高精度光電瞄準和精密測角，並自動進行數據處理，達到了高精度測量物體折射率，減輕工作人員勞動強度，避免主觀誤差，提高工作效率之目的。
文檔編號G01N21/41GK1060358SQ9010294
公開日1992年4月15日 申請日期1990年9月26日 優先權日1990年9月26日
發明者李錫善, 孫保定, 孫晶礬, 蔣安民, 夏青生, 王德林 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所