本發(fā)明涉及折射率測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于全反射原理測量土壤折射率的方法及裝置。

背景技術(shù)：

人類對(duì)于材料的應(yīng)用取決于人類對(duì)其的認(rèn)知水平，可以說，科技水平的進(jìn)步是隨著人類對(duì)材料性質(zhì)的不斷深入了解而獲得的。折射率是材料的重要光學(xué)參數(shù)之一，借助折射率能了解材料的光學(xué)性能、純度、濃度以及色散等性質(zhì)。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(jī)質(zhì)、微生物、水分和空氣等，同時(shí)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(duì)特定的土壤樣品進(jìn)行折射率測量。

折射率作為材料的一個(gè)重要參數(shù)，現(xiàn)已有多種測量方法，包括：最小偏向角法、插針法、光干涉法和阿貝折射儀法等。而目前這些方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)：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；插針法手動(dòng)測量角度，測量精度較低，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(duì)被測樣品和測量光路反復(fù)調(diào)整，操作復(fù)雜，且對(duì)儀器的精密要求非常高；阿貝折射儀法計(jì)算公式相對(duì)復(fù)雜，引起誤差的因素較多，且要求被測樣品的折射率不得大于1.7，對(duì)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，卻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(diǎn)和難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于全反射原理測量土壤折射率的方法及裝置，以解決現(xiàn)有測量方法測量范圍有限，測量精度較低的問題。

第一方面，本發(fā)明提供了一種基于全反射原理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在透明陶瓷的表面，并在所述待測土壤樣品與透明陶瓷的分界面上填充一層浸液；

無線電磁波發(fā)射器發(fā)射電磁波光束，所述電磁波光束沿所述分界面入射，且所述電磁波光束在透明陶瓷內(nèi)發(fā)生全反射，全反射后的電磁波光束在透明陶瓷的出射面發(fā)生折射；

移動(dòng)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,l1)和(x2,l2)；

將位置坐標(biāo)(x1,l1)和(x2,l2)代入公式計(jì)算得到所述待測土壤樣品的折射率n，其中n0為透明陶瓷的折射率。

可選的，所述移動(dòng)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,l1)和(x2,l2)，具體包括：

將所述ccd傳感器與透明陶瓷出射面的水平距離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,l1)；

水平移動(dòng)所述ccd傳感器，將所述ccd傳感器與透明陶瓷出射面的水平距離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,l2)。

第二方面，本發(fā)明還提供了一種基于全反射原理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、透明陶瓷和ccd傳感器，其中：

所述透明陶瓷包括入射面和出射面，所述入射面與出射面相互垂直，且所述入射面為所述待測土壤樣品與透明陶瓷的分界面；

所述無線電磁波發(fā)射器發(fā)出的電磁波光束沿所述分界面入射所述透明陶瓷；

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，所述待測土壤樣品與透明陶瓷的分界面為光滑水平面。

可選的，所述無線電磁波發(fā)射器的工作頻率為100mhz—300mhz。

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)明提供的基于全反射原理測量土壤折射率的方法及裝置，該方法包括：將待測土壤樣品放置在透明陶瓷的表面，并在待測土壤樣品與透明陶瓷的分界面上填充一層浸液，浸液用于減少樣品和透明陶瓷的加工要求；無線電磁波發(fā)射器發(fā)射電磁波光束，電磁波光束沿分界面入射，光束滿足在透明陶瓷內(nèi)發(fā)生全反射條件，并以全反射臨界角反射回透明陶瓷內(nèi)，之后以折射角從透明陶瓷的出射面射出；移動(dòng)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)，測得折射角；將位置坐標(biāo)代入公式計(jì)算得到待測土壤樣品的折射率。本申請(qǐng)?zhí)峁┑臏y量方法改進(jìn)了傳統(tǒng)的阿貝折光法，把傳統(tǒng)的玻璃棱鏡替換成透明陶瓷材料，提高了測量折射率的范圍；利用無線電磁波發(fā)射器和ccd傳感器等光學(xué)儀器，極大地提高了測量精度。

應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細(xì)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(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)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(shí)施例提供的一種基于全反射原理測量土壤折射率的方法流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于全反射原理測量土壤折射率的光線圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于全反射原理測量土壤折射率的方法中s300的詳細(xì)流程示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于全反射原理測量土壤折射率的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

參見圖1，為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于全反射原理測量土壤折射率的方法流程圖。

本申請(qǐng)實(shí)施例提供的基于全反射原理測量土壤折射率的方法包括：

s100：將待測土壤樣品放置在透明陶瓷的表面，并在所述待測土壤樣品與透明陶瓷的分界面上填充一層浸液。

具體地，將透明陶瓷加工成立方體形狀，將待測土壤樣品放置在透明陶瓷的上表面。由于樣品加工的誤差，待測土壤樣品的下表面和透明陶瓷的上表面之間會(huì)存在間隙，需要填充一層浸液(即折射率液)。

土壤折射率一般在1.5-2.0之間，要求浸液(折射率液)的折射率大于待測土壤樣品的折射率。由于本申請(qǐng)?zhí)峁┑耐寥勒凵渎蕼y量法要求待測土壤樣品與透明陶瓷完美貼合，但是，一方面土壤介質(zhì)存在空氣，另一方面透明陶瓷表面因?yàn)榧庸栴}，并不光滑，因此浸液的作用一是消除被測固體樣品與透明陶瓷之間空氣層的影響，二是樣品表面只需細(xì)磨，免去拋光的麻煩，減少了土壤樣品和透明陶瓷的加工要求。

s200：無線電磁波發(fā)射器發(fā)射電磁波光束，所述電磁波光束沿所述分界面入射，且所述電磁波光束在透明陶瓷內(nèi)發(fā)生全反射，全反射后的電磁波光束在透明陶瓷的出射面發(fā)生折射。

具體地，如圖2所示，電磁波光束沿待測土壤樣品與透明陶瓷的分界面入射，光束滿足在透明陶瓷內(nèi)發(fā)生全反射條件。全反射原理：當(dāng)光從光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)傳播時(shí)，入射角總小于折射角，且折射角隨著入射角的增大而增大，當(dāng)入射角增大到一定值時(shí)，折射角增大為90°，即折射光線將沿兩介質(zhì)界面?zhèn)鞑?，此時(shí)的入射角稱為臨界角，記為i0。若入射角達(dá)到臨界角后繼續(xù)增大，光線將不再進(jìn)入光疏介質(zhì)，而全部返回光密介質(zhì)。

本申請(qǐng)基于全反射原理，待測土壤樣品的折射率(1.5-2.0)小于透明陶瓷的折射率(2.42)，因此待測土壤樣品為光疏介質(zhì)，透明陶瓷為光密介質(zhì)，將電磁波光束由待測土壤樣品向透明陶瓷傳播，即由光疏介質(zhì)向光密介質(zhì)，電磁波光束沿待測土壤樣品與透明陶瓷的分界面入射，即入射角為90°，則光束在分界面上發(fā)生全反射，透明陶瓷內(nèi)的折射角為臨界角i0，滿足：

n＝n0sini0(1)

而發(fā)生全發(fā)射的電磁波光束在射出透明陶瓷的出射面時(shí)發(fā)生折射，相對(duì)于入射光束方向偏折θ°，根據(jù)折射定律可得：

n0sin(90°-i0)＝sinθ(2)

結(jié)合式(1)和式(2)可得：

s300：移動(dòng)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,l1)和(x2,l2)。

具體地，ccd(charge-coupleddevice,電荷耦合器件)傳感器具有光電轉(zhuǎn)換功能，又具有信號(hào)存儲(chǔ)、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(shí)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(shí)，把每一個(gè)像元產(chǎn)生的光電荷暫時(shí)存儲(chǔ)在相應(yīng)的光敏二極管勢阱中，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷存儲(chǔ)；第三是在曝光結(jié)束后，把存儲(chǔ)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(gè)光生電荷包依次轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的視頻信號(hào)，完成信號(hào)讀出。因此ccd傳感器可以看成一個(gè)變換器，它能把一幅空間分布的光電圖像變成按時(shí)間順序分布的視頻電壓信號(hào)。

從透明陶瓷出射面射出的出射電磁波光束的光點(diǎn)位置由ccd傳感器測定，使ccd光敏面平行于透明陶瓷的出射面放置，光點(diǎn)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(dòng)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(shí)，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,l1)和(x2,l2)，由此可算得：

如圖3所示，本申請(qǐng)實(shí)施例準(zhǔn)確測得偏折角θ的方法如下：

s301：將所述ccd傳感器與透明陶瓷出射面的水平距離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,l1)。

s302：水平移動(dòng)所述ccd傳感器，將所述ccd傳感器與透明陶瓷出射面的水平距離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,l2)。

具體地，當(dāng)ccd傳感器與透明陶瓷出射面的水平距離為0，d時(shí)，分別測量出出射電磁波光束到達(dá)ccd傳感器的垂直坐標(biāo)l1，l2，此時(shí)偏折角θ的大小為：

s400：將位置坐標(biāo)(x1,l1)和(x2,l2)代入公式，計(jì)算得到待測土壤樣品的折射率n。

具體地，將位置坐標(biāo)(x1,l1)和(x2,l2)代入式(3)和式(4)，可得：

當(dāng)x1為0，x2為d，式(5)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。

本申請(qǐng)?zhí)峁┑幕谌瓷湓頊y量土壤折射率的方法包括：將待測土壤樣品放置在透明陶瓷的表面，并在待測土壤樣品與透明陶瓷的分界面上填充一層浸液，浸液用于減少樣品和透明陶瓷的加工要求。無線電磁波發(fā)射器發(fā)射電磁波光束，電磁波光束沿待測土壤樣品與透明陶瓷的分界面入射，光束滿足在透明陶瓷內(nèi)發(fā)生全發(fā)射的條件，并以全反射臨界角發(fā)射回透明陶瓷內(nèi)，發(fā)生全發(fā)射后的透明陶瓷以折射角θ從透明陶瓷的出射面射出。移動(dòng)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)，測得折射角θ。將位置坐標(biāo)代入公式計(jì)算得到待測土壤樣品的折射率。本申請(qǐng)?zhí)峁┑臏y量方法改進(jìn)了傳統(tǒng)的阿貝折光法，把傳統(tǒng)的玻璃棱鏡替換成透明陶瓷，提高了測量折射率的范圍；利用無線電磁波光束和ccd傳感器等光學(xué)儀器，極大地提高了測量精度。

基于本申請(qǐng)?zhí)峁┑幕谌瓷湓頊y量土壤折射率的方法，本申請(qǐng)還提供了基于全反射原理測量土壤折射率的裝置，如圖4所示。

本申請(qǐng)?zhí)峁┑幕谌瓷湓頊y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、透明陶瓷2和ccd傳感器3，其中：

透明陶瓷2包括入射面21和出射面22，入射面21與出射面22相互垂直，且入射面21為待測土壤樣品與透明陶瓷2的分界面。無線電磁波發(fā)射器1發(fā)出的電磁波光束沿入射面21(分界面)入射，滿足全反射條件。

進(jìn)一步地，為保證光束發(fā)生全發(fā)射，將透明陶瓷加工成立方體形狀，將待測土壤樣品放置在透明陶瓷的上表面，使得待測土壤樣品與透明陶瓷的分界面為光滑水平面，更精確的控制入射角為90°。

無線電磁波發(fā)射器1用于發(fā)射穩(wěn)定強(qiáng)度和頻率的電磁波。為使得光線穿透土壤，避免土壤對(duì)可見光的損耗，本申請(qǐng)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?？蛇x的，無線電磁波發(fā)射器的工作頻率為100mhz-300mhz。

相比傳統(tǒng)的玻璃棱鏡，本申請(qǐng)采用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(jī)械性能，同時(shí)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。

ccd傳感器3用于接收出射面22射出的電磁波光束，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(diǎn)位置，精確測得偏折角θ的大小。傳統(tǒng)的阿貝折光儀因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(shí)有諸多誤差因素。而本申請(qǐng)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(jí)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(jì)算得到土壤折射率n。

本申請(qǐng)?zhí)峁┑幕谌瓷湓頊y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、透明陶瓷和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，且電磁波光束沿帶測土壤樣品與透明陶瓷的分界面入射，滿足全反射條件。透明陶瓷為測量載體，透明陶瓷包括入射面和出射面，入射面為待測土壤樣品與透明陶瓷的分界面，電磁波光束由入射面入射，發(fā)生全反射，以臨界角入射透明陶瓷，之后以折射角從出射面射出。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(diǎn)位置，精確測得電磁波光束的折射角。獲得折射角后，即可代入公式計(jì)算土壤折射率。本申請(qǐng)?zhí)峁┑臏y量裝置改進(jìn)了傳統(tǒng)的阿貝折光儀，把傳統(tǒng)的玻璃棱鏡替換成透明陶瓷材料，提高了測量折射率的范圍；利用無線電磁波發(fā)射器和ccd傳感器等光學(xué)儀器，極大地提高了測量精度。

本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮說明書及實(shí)踐這里發(fā)明的公開后，將容易想到本發(fā)明的其它實(shí)施方案。本申請(qǐng)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(shí)或慣用技術(shù)手段。說明書和實(shí)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(shí)施方式并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。