本發(fā)明涉及折射率測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種V棱鏡測量土壤折射率的方法及裝置。

背景技術(shù)：

折射率是物質(zhì)的重要光學(xué)參數(shù)之一，借助折射率能了解物質(zhì)的光學(xué)性能、純度、濃度以及色散等性質(zhì)，其他的一些參數(shù)(如熱光系數(shù))也與折射率密切相關(guān)。土壤是人類賴以生存的主要條件之一，其包含了土壤礦物質(zhì)、有機質(zhì)、微生物、水分和空氣等，同時在不同的外界環(huán)境下，土壤成分的不同導(dǎo)致土壤折射率差異較大，因此有必要對特定的土壤樣品進行折射率測量。

目前測量固體折射率的方法主要包括最小偏向角法、插針法、光干涉法和阿貝折射儀法等，目前這些方法都有各自的優(yōu)缺點，最小偏向角法測量精度很高，但被測樣品需是特定的三棱狀；插針法測量精度較差，且要求被測樣品較厚；光干涉法僅限于薄透明體，且在測量過程中，需要對待測樣品和測量光路反復(fù)調(diào)整，操作復(fù)雜，且對儀器的精密要求非常高；阿貝折射儀法計算公式相對復(fù)雜，引起誤差的因素較多，而且要求樣品的折射率不得大于1.7，對某些樣品不能使用。

若使用上述測量方法測量土壤折射率，操作復(fù)雜，且測量出的折射率精度較低，因此，找到一種簡單、快速、精準(zhǔn)地測量土壤折射率的方法一直都是折射率測量領(lǐng)域的重點和難點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種V棱鏡測量土壤折射率的方法及裝置，以解決目前土壤折射率測量精度低、測量范圍有限的問題。

第一方面，本發(fā)明提供了一種V棱鏡測量土壤折射率的方法，所述方法包括：

將待測土壤樣品放置于V棱鏡的V形缺口處，并在所述待測土壤樣品與V棱鏡之間填充一層浸液

無線電磁波發(fā)射器發(fā)射垂直于所述V棱鏡入射面的電磁波光束，所述電磁波光束通過所述V棱鏡和待測土壤樣品時發(fā)生折射，且折射后的電磁波光束通過所述V棱鏡的出射面射出；

移動CCD傳感器，分別記錄所述CCD傳感器感應(yīng)到出射電磁波光束的位置坐標(biāo)(x₁,y₁)和(x₂，y₂)C；

將位置坐標(biāo)(x₁,y₁)和(x₂,y₂)代入公式

計算得到所述待測土壤樣品的折射率n，其中n₀為V棱鏡的折射率。

可選的，所述移動CCD傳感器，分別記錄所述CCD傳感器感應(yīng)到出射電磁波光束的位置坐標(biāo)(x₁,y₁)和(x₂,y₂)，具體包括：

將所述CCD傳感器與V棱鏡出射面的水平距離x₁設(shè)置為0，記錄所述CCD傳感器感應(yīng)到出射電磁波光束的位置坐標(biāo)(0,y₁)；

水平移動所述CCD傳感器，將所述CCD傳感器與V棱鏡出射面的水平距離x₂設(shè)置為d，記錄所述CCD傳感器感應(yīng)到出射電磁波光束的位置坐標(biāo)(d,y₂)。

第二方面，本發(fā)明提供了一種V棱鏡測量土壤折射率的裝置，所述裝置包括沿光路依次設(shè)置的無線電磁波發(fā)射器、V棱鏡和CCD傳感器，其中：

所述V棱鏡包括入射面和出射面，所述入射面與出射面相互平行，且所述無線電磁波發(fā)射器發(fā)出的電磁波光束垂直于所述入射面；

所述CCD傳感器接收所述出射面射出的電磁波光束，且所述CCD傳感器的光束接收面與所述出射面平行。

可選的，所述V棱鏡為透明陶瓷V棱鏡。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以包括以下有益效果：

本發(fā)明提供的測量土壤折射率的方法基于V棱鏡法，所述方法包括:將待測土壤樣品放置于V棱鏡的V形缺口處，并在待測土壤樣品與V棱鏡之間填充一層浸液；無線電磁波發(fā)射器發(fā)射電磁波光束，電磁波光束垂直入射V棱鏡的入射面，電磁波光束通過V棱鏡和待測土壤樣品時發(fā)生折射，折射后的電磁波光束通過V棱鏡的出射面射出；移動CCD傳感器，分別記錄CCD傳感器感應(yīng)到出射電磁波光束的位置坐標(biāo)(x₁,y₁)和(x₂,y₂)；將位置坐標(biāo)(x₁,y₁)和(x₂,y₂)代入公式，計算得到待測土壤樣品的折射率。本申請?zhí)峁┑臏y量土壤折射率的方法改進了傳統(tǒng)的V棱鏡法，將傳統(tǒng)的玻璃棱鏡替換為透明陶瓷，提高了可測量折射率范圍，同時使用無線電磁波發(fā)射器和CCD傳感器，提高了測量精度，還有本方法測量原理簡單，利于快速得到測量結(jié)果。

應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細節(jié)描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本發(fā)明。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種V棱鏡測量土壤折射率方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的V棱鏡的光線示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的一種V棱鏡測量土壤折射率方法中S300的詳細流程示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的一種V棱鏡測量土壤折射率裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

參見圖1，為本發(fā)明實施例提供的V棱鏡測量土壤折射率的方法流程圖。

本申請?zhí)峁┑腣棱鏡測量土壤折射率的方法包括：

S100：將待測土壤樣品放置于V棱鏡的V形缺口處，并在所述待測土壤樣品與V棱鏡之間填充一層浸液。

具體地，V棱鏡是一塊帶有“V”形缺口的長方形棱鏡，由兩塊材料完全相同、折射率均為n₀的直角棱鏡膠合而成，V形缺口的張角為90°，兩個尖棱的角度為45°。將待測土壤樣品磨出構(gòu)成90°的兩個平面，并將其放在V形缺口內(nèi)，由于樣品角度加工的誤差，待測土壤樣品的兩個平面和V形缺口的兩個平面之間會存在間隙，需要在中間填充一層浸液(折射率液)。

浸液的折射率應(yīng)控制在1.5-2.0之間，保持浸液的折射率與待測土壤樣品的折射率相近。由于本申請?zhí)峁┑耐寥勒凵渎蕼y量法要求被測樣品呈90°直角，與V棱鏡的V形缺口完美貼合，但是，一方面土壤介質(zhì)存在空氣，另一方面V棱鏡表面因為加工問題，并不光滑，導(dǎo)致實際情況下待測土壤樣品與V棱鏡之間的接觸面不可避免存有空氣泡，該空氣泡會導(dǎo)致待測土壤樣品與V棱鏡的接觸面發(fā)生全反射，所述浸液的作用一是防止光線在界面上發(fā)生全發(fā)射；一是即使樣品加工90°不準(zhǔn)確，加上浸液之后，近似于一個準(zhǔn)確的90°角，且樣品表面只需細磨，免去拋光的麻煩，減少了土壤樣品和V棱鏡的加工要求。

S200：無線電磁波發(fā)射器發(fā)射垂直于所述V棱鏡入射面的電磁波光束，所述電磁波光束通過所述V棱鏡和待測土壤樣品時發(fā)生折射，且折射后的電磁波光束通過V棱鏡的出射面射出。

具體地，透地探測的信號源基本選用電磁波，若選用單色光等，光線產(chǎn)生損耗，影響折射率測量精度。如圖2所示，調(diào)整無線電磁波發(fā)射器的方向，使得發(fā)射的電磁波垂直射入V棱鏡的入射面AB，如果被測樣品的折射率n和已知的V棱鏡折射率n₀相同，則整個V棱鏡加上被測樣品就像一塊平行平板玻璃一樣，電磁波光束在兩接觸面上不發(fā)生偏折，最后的出射電磁波光束也將不發(fā)生任何偏折。如果兩者折射率不相等，則電磁波光束在待測土壤樣品和V棱鏡的接觸面上發(fā)生偏折，最后的出射電磁波光束相對于入射電磁波光束就要發(fā)生一偏折角θ，偏折角θ的大小和被測樣品的折射率n有關(guān)。

土壤折射率小于V棱鏡折射率時，入射電磁波光束垂直射入V棱鏡的AB面，再通過各分界面時電磁波光束發(fā)生偏折，在各分界面，依次應(yīng)用折射定律可得：

n₀sin45°＝n sin(45°+ω₁)

n sin(45°-ω1)＝n₀sin(45°-ω₂)

n₀sinω₂＝sinθ

其中，ω₁——電磁波光束在AE界面上的折射方向和最初入射電磁波光束方向的夾角；

ω₂——電磁波光束在ED界面上的折射方向和最初入射電磁波光束方向的夾角。

消去上式中的ω₁和ω₂，可得土壤折射率n和電磁波光束偏折角θ之間的關(guān)系式：

而偏折角θ可由CCD傳感器探測得到。

S300：移動CCD傳感器，分別記錄所述CCD傳感器感應(yīng)到的出射電磁波光束的位置坐標(biāo)(x₁,y₁)和(x₂,y₂)。

具體地，CCD(Charge-Coupled Device,電荷耦合器件)傳感器具有光電轉(zhuǎn)換功能，又具有信號存儲、轉(zhuǎn)移和讀出功能，其工作過程可分為四步，第一是光積分期，即曝光時間，這是CCD像元把入射光量子按比例地轉(zhuǎn)換成光生電荷，完成光-電轉(zhuǎn)換；第二是在光積分的同時，把每一個像元產(chǎn)生的光電荷暫時存儲在相應(yīng)的光敏二極管勢阱中，實現(xiàn)信號電荷存儲；第三是在曝光結(jié)束后，把存儲的光生電荷沿CCD移位寄存器轉(zhuǎn)移到輸出區(qū)，完成電荷轉(zhuǎn)移；第四是在讀出放大器中把每一個光生電荷包依次轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的視頻信號，完成信號讀出。因此CCD傳感器可以看成一個變換器，它能把一幅空間分布的光電圖像變成按時間順序分布的視頻電壓信號。

從V棱鏡射出的出射電磁波光束的光點位置由CCD傳感器測定，使CCD光敏面平行于V棱鏡出射面CD放置，光點照在CCD傳感器上，CCD傳感器可接收感知探頭上的光子數(shù)，通過移動CCD傳感器上的探頭位置，使出射電磁波光束照射在CCD探頭上，當(dāng)探頭接收到的光子數(shù)最大時，說明出射電磁波光束照射到CCD傳感器探頭上，記錄下此處位置坐標(biāo)。

通過CCD傳感器獲得出射電磁波光束位置坐標(biāo)(x₁,y₁)和(x₂,y₂)，由此可得到

如圖3所示，本申請實施例準(zhǔn)確測得偏折角θ大小的方法如下：

S301：將所述CCD傳感器與V棱鏡出射面的水平距離x₁設(shè)置為0，記錄所述CCD傳感器感應(yīng)到出射電磁波光束的位置光標(biāo)(0,y₁)。

S302：將所述CCD傳感器與V棱鏡出射面的水平距離x₂設(shè)置為d，記錄所述CCD傳感器感應(yīng)到出射電磁波光束的位置坐標(biāo)(d,y₂)。

具體地，當(dāng)CCD傳感器與V棱鏡出射面CD的水平距離為0，d時，分別測量出射電磁波光束到達CCD傳感器的垂直坐標(biāo)y₁和y₂。此時偏折角θ的大小為

S400：將位置坐標(biāo)(x₁,y₁)和(x₂,y₂)代入公式，計算得到待測土壤樣品的折射率n。

具體地，將位置坐標(biāo)(x₁,y₁)和(x₂,y₂)代入式(1)，可得：

當(dāng)x₁為0，x₂為d，式(3)變?yōu)椋?/p>

經(jīng)由上述方法即可準(zhǔn)確測得土壤的折射率n。

上述實施例是當(dāng)待測土壤樣品的折射率小于V棱鏡的折射率時的測量方法，若帶測土壤樣品的折射率大于V棱鏡的折射率時，式(4)變?yōu)椋?/p>

因此，采用V棱鏡測量待測樣品折射率時，測得出射光線的位置坐標(biāo)后，代入式(4)即可。

本申請?zhí)峁┑腣棱鏡測量土壤折射率的方法包括：將待測土壤樣品放置于V棱鏡的V形缺口處，并在待測土壤樣品和V棱鏡之間填充一層浸液，浸液用于減小測量誤差；無線電磁波發(fā)射器發(fā)射垂直于V棱鏡入射面的電磁波光束，電磁波光束通過V棱鏡和待測土壤樣品時發(fā)生折射，且折射后的電磁波光束通過V棱鏡的出射面射出；移動CCD傳感器，分別記錄CCD傳感器感應(yīng)到出射電磁波光束的位置坐標(biāo)，精確測得偏折角，提高測量精度；將位置坐標(biāo)代入公式計算得到土壤折射率。本申請?zhí)峁┑姆椒ǜ倪M了傳統(tǒng)的V棱鏡法，測量原理簡單，利于快速得到測量結(jié)果，且提高了測量范圍和測量精度。

基于本申請實施例提供的V棱鏡測量土壤折射率的方法，本申請實施例還提供了V棱鏡測量土壤折射率的裝置，如圖4所示。

本申請實施例提供的V棱鏡測量土壤折射率的裝置包括沿光路依次設(shè)置的無線電磁波發(fā)射器1、V棱鏡2和CCD傳感器3，其中：

V棱鏡2包括入射面21和出射面22,入射面21與出射面22相互平行，且無線電磁波發(fā)射器1發(fā)出的電磁波光束垂直于入射面21，使得電磁波光束垂直入射V棱鏡2。V棱鏡是一塊帶有“V”形缺口的長方形棱鏡，由兩塊材料完全相同、折射率均為n₀的直角棱鏡膠合而成，V形缺口的張角為90°，兩個尖棱的角度為45°。

若電磁波光束入射方向與V棱鏡2的入射面21成一定角度，會使得測量工作復(fù)雜，需要測量入射角、出射角等角度，而若電磁波光束垂直入射V棱鏡2，則入射角為45°，只需測量出射角即可，減少了工作量。

進一步地，無線電磁波發(fā)射器1用于發(fā)射穩(wěn)定強度和頻率的電磁波。為使得光線穿透土壤，避免土壤對可見光的損耗，本申請采用的光源為電磁波，電磁波可在地下巖層中傳播，若選用單色光等，光線產(chǎn)生損耗，影響折射率測量精度。

相比傳統(tǒng)的玻璃V棱鏡，本申請?zhí)峁┑腣棱鏡將微波透明陶瓷作為棱鏡材料，透明陶瓷具有優(yōu)良的熱及機械性能，同時保持著良好的透光性，目前有透明氧化鋁陶瓷、透明氧化釔陶瓷、透明氧氮化鋁陶瓷和高折射率透明陶瓷等。與玻璃相比，透明陶瓷具有更高的折射率，可以提高折射率測量范圍。

利用V棱鏡測量介質(zhì)折射率，必須保證有出射光線，也就是說，要使測量可進行，需避免光線在樣品與V棱鏡的接觸面和V棱鏡的出射面發(fā)生全反射，根據(jù)分析，在V棱鏡折射率n₀一定的情況下，若要避免光線在被測樣品與V棱鏡的接觸面上發(fā)生全反射，待測樣品的折射率n必須滿足下面關(guān)系：

由此可見，V棱鏡折射率n₀大小限制了可測量的樣品折射率n，并且n₀越大，可測量的n范圍越廣，基于此原理，本申請用高折射率的透明陶瓷替代傳統(tǒng)折射率較低的棱鏡，進而提高了折射率測量范圍。

CCD傳感器3用于接收出射電磁波光束，且CCD傳感器3的光束接收面與出射面22平行，測定出射電磁波光束的光點位置，精確測得偏折角θ的大小。傳統(tǒng)的V棱鏡折射儀的測微讀數(shù)系統(tǒng)的行差在1.8″，空程在3″，同時光源自身線寬以及在介質(zhì)中的色散效應(yīng)等，讀取角度時有諸多誤差因素。而本申請采用的CCD測量儀具有高精度性，直接測量得到的尺寸誤差可控制在微米級別，從而獲得更精確的偏移出射角θ。

CCD傳感器3測得電磁波光束的偏移出射角θ后，可將其傳輸至處理器，通過處理器計算得到土壤折射率n。

本申請實施例提供的V棱鏡測量土壤折射率的裝置包括沿光路依次設(shè)置的無線電磁波發(fā)射器、V棱鏡和CCD傳感器，其中，無線電磁波發(fā)射器用于發(fā)射電磁波光束，且電磁波光束垂直入射V棱鏡的入射面；V棱鏡為測量載體，待測樣品放置于V棱鏡的V形缺口內(nèi)，電磁波光束入射V棱鏡和待測樣品時發(fā)生折射；CCD傳感器用于接收出射電磁波光束，測得出射電磁波光束的光點位置，精確測得電磁波光束的偏移出射角；獲得偏移出射角后，即可代入公式算的土壤折射率。本申請實施例提供的裝置改進了傳統(tǒng)的V棱鏡測量裝置，透明陶瓷替換玻璃，提高了測量范圍，還有采用無線電磁波發(fā)射器和CCD傳感器，提高了測量精度。

本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮說明書及實踐這里發(fā)明的公開后，將容易想到本發(fā)明的其它實施方案。本申請旨在涵蓋本發(fā)明的任何變型、用途或者適應(yīng)性變化，這些變型、用途或者適應(yīng)性變化遵循本發(fā)明的一般性原理并包括本發(fā)明未公開的本技術(shù)領(lǐng)域中的公知常識或慣用技術(shù)手段。說明書和實施例僅被視為示例性的，本發(fā)明的真正范圍和精神由下面的權(quán)利要求指出。

以上所述的本發(fā)明實施方式并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定。