專利名稱：自動(dòng)v棱鏡折射儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測(cè)量物體折射率的光學(xué)測(cè)試儀器，是對(duì)V棱鏡折射儀的改進(jìn)，特別是關(guān)于利用V棱鏡折射原理的測(cè)量物體(固體，液體)折射率色散系數(shù)和部分色散的自動(dòng)V棱鏡折射儀。
目前廣泛應(yīng)用的V棱鏡折射儀的光路原理如

圖1所示，它由光源1、濾光片3、準(zhǔn)直平行光管101、玻璃V型凹?jí)K9、待測(cè)樣品11、光學(xué)度盤102、瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡103和讀數(shù)顯微鏡104等組成，該議器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是它存在如下問(wèn)題1.由于光學(xué)度盤的測(cè)角精度僅為10秒，因此折射率的測(cè)量精度比較低，為±(3-5)×10-5;
2.儀器采用瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡和讀數(shù)顯微鏡工作，操作人員長(zhǎng)期工作，容易產(chǎn)生視力疲勞，不同操作人員會(huì)產(chǎn)生主觀誤差。
本發(fā)明的目的是提供一種自動(dòng)V棱鏡折射儀，以提高折射率的測(cè)量精度，減輕操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，盡量避免主觀誤差，提高工作效率。
本發(fā)明的技術(shù)方案是根據(jù)V棱鏡測(cè)量物體折射率的原理，改進(jìn)光路設(shè)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)莫爾光柵盤和振動(dòng)狹縫進(jìn)行高精度光電瞄準(zhǔn)和精密測(cè)角，并自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
本發(fā)明的自動(dòng)V棱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?jí)K9之間還有分束器5和準(zhǔn)直物鏡8，狹縫4位于聚光鏡2和準(zhǔn)直物鏡9的共焦面上，在分束器5并垂直于光路的一側(cè)有振動(dòng)狹縫6和光電倍增管7，沿光路在玻璃V形凹?jí)K9的另一端有一準(zhǔn)直反射鏡13，在玻璃V形凹?jí)K的一側(cè)(后面或前面)裝莫爾光柵盤10，該光柵盤的主軸20的軸線與光路垂直并通過(guò)玻璃V形凹?jí)K的V形空間，莫爾光柵盤的主軸上有一固定的L形連桿12與準(zhǔn)直反射鏡13固定連接，以保證光柵盤和準(zhǔn)直反射鏡同步運(yùn)動(dòng)。
還有計(jì)算機(jī)16，打印機(jī)17，信號(hào)處理電路18，控制電路15，變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)14和光柵盤10的角度編碼器19，由所說(shuō)的光電倍增管7接收的光電瞄準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路18輸入計(jì)算機(jī)16，經(jīng)過(guò)判斷，計(jì)算機(jī)輸出控制信號(hào)，經(jīng)控制電路15，控制變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)14的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)光柵盤10和準(zhǔn)直反射鏡13運(yùn)動(dòng)。當(dāng)儀器處于瞄準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，計(jì)算機(jī)從角度編碼器19讀取折射角值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果由打印機(jī)17輸出。
為了充分利用光路中的光能量，所說(shuō)的分束器5應(yīng)是半透半反的，所說(shuō)的振動(dòng)狹縫6應(yīng)位于準(zhǔn)直物鏡8的反回光束經(jīng)分束器5反射后的光路上的焦面上，以保證反射光束中盡量多的光能通過(guò)振動(dòng)狹縫6而被光電倍增管7接收。
本發(fā)明由于采用了高精度的莫爾光柵盤和振動(dòng)狹縫進(jìn)行高精度光電瞄準(zhǔn)和精密測(cè)角，計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制尋的和處理數(shù)據(jù)，因而，折射率的測(cè)量精度提高到1-1.5×10-5，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，避免了主觀誤差，也提高了工作效率。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明及實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1是已有V棱鏡折射儀的光路原理2是本發(fā)明的實(shí)施例的光路和結(jié)構(gòu)框3是圖2中莫爾光柵盤10和準(zhǔn)直反射鏡13的變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(hào)處理系統(tǒng)電路9是計(jì)算機(jī)16的工作程序圖從圖2至圖9構(gòu)成了本發(fā)明的最佳實(shí)施例圖2中元、器件的靜態(tài)位置關(guān)系如上述，這里不再贅述。
圖3是莫爾光柵盤10和準(zhǔn)直反射鏡13的變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)14的一種實(shí)例。圖中12是將準(zhǔn)直反射鏡13固定連接在光柵盤10的主軸20的L形連桿。步進(jìn)電機(jī)141，步進(jìn)電機(jī)軸延長(zhǎng)的蝸桿142、蝸輪143和主輪144構(gòu)成莫爾光柵盤10和準(zhǔn)直反射鏡13的變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
圖4是為了測(cè)試過(guò)程中更換濾光片方便而設(shè)計(jì)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(nèi)的固定軸313和可繞軸旋轉(zhuǎn)的濾光片轉(zhuǎn)盤303，該盤上至少有7個(gè)在同一圓周上均勻分布的供安放濾光片3的通孔301，本實(shí)施例有8個(gè)通孔，每個(gè)孔有L形環(huán)狀凸緣供放濾光片用，濾光片靠彈簧壓圈302壓牢。這8個(gè)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(yīng)的濾光片，如圖中的e、g、h、c、f、d、r所示，還有一個(gè)孔可隨時(shí)根據(jù)測(cè)量需要安放特定譜線的濾光片。濾光片轉(zhuǎn)盤上還有與通孔301數(shù)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(zhuǎn)盤303的定位作用。所說(shuō)的支架310由固定螺釘312固定在底座311上時(shí)，正好使濾光片轉(zhuǎn)盤上一塊濾光片處于光路中。
圖5和圖6表示一個(gè)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(shí)安裝汞燈、氪燈和氦燈，使用時(shí)只要轉(zhuǎn)動(dòng)該支架，即可將所需的燈光旋轉(zhuǎn)到工作位置。該支架改換其他光源也很方便。
圖7是計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)141運(yùn)動(dòng)的控制電路14的電路圖?？刂齐娐钒≒IO接口，PIO的PB5、PB6、PB7分別通過(guò)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(jìn)電機(jī)的三個(gè)繞組A、B、C相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，其控制過(guò)程是1>正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)繞組的控制順序?yàn)?
在尋的過(guò)程中，若找不到瞄準(zhǔn)信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)可一直旋轉(zhuǎn)，到計(jì)算機(jī)事先設(shè)定的最大驅(qū)動(dòng)步數(shù)時(shí)，進(jìn)行反向?qū)さ摹?br> 2>反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)繞組的控制順序?yàn)?
在尋的過(guò)程中，若找不到瞄準(zhǔn)信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)可一直轉(zhuǎn)動(dòng)，到反向最大驅(qū)動(dòng)步數(shù)時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行正向?qū)さ摹?br> 信號(hào)處理系統(tǒng)18的電路如圖8所示，它主要由信號(hào)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(chǎng)效應(yīng)管3DJ4。光電倍增管7接收的光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，由隔直電容C1耦合到BG1進(jìn)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(wǎng)絡(luò)，R7和R8阻值相等，在BG2的發(fā)射極和集電極提供兩個(gè)數(shù)值相等、相位相反的信號(hào)源，調(diào)節(jié)W1能使A點(diǎn)輸出信號(hào)的相位改變。BG3組成射極跟隨器，BG4、BG5和BG6均為信號(hào)放大而設(shè)置的，放大后的信號(hào)由射極跟隨器BG7經(jīng)電容C19送至相敏檢波器21進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，經(jīng)A/D變換器，由PIO接口輸入計(jì)算機(jī)16。
角度編碼器19是莫爾光柵盤10帶的，例如上海機(jī)械學(xué)院的產(chǎn)品，可直接與計(jì)算機(jī)連接并進(jìn)行角度采樣。
計(jì)算機(jī)在測(cè)量過(guò)程中工作程序如圖9所示。圖2至圖8組成了本發(fā)明的最佳實(shí)施例，下面以測(cè)量待測(cè)樣品11相對(duì)于汞燈的g線的折射率為例說(shuō)明本發(fā)明的動(dòng)態(tài)過(guò)程。
1.首先轉(zhuǎn)動(dòng)光源支架使汞燈就位，撥動(dòng)濾光片轉(zhuǎn)盤使濾光片g進(jìn)入光路，打開(kāi)電源，汞燈光經(jīng)聚光鏡2通過(guò)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(guò)分束器5和準(zhǔn)直物鏡8，穿過(guò)玻璃V形凹?jí)K9，指向準(zhǔn)直反射鏡13，準(zhǔn)直反射鏡將光反射回，經(jīng)過(guò)玻璃V形凹?jí)K9，準(zhǔn)直物鏡8，在分束器5上進(jìn)行分光，其反射光經(jīng)振動(dòng)狹縫6被光電倍增管7接收，2.啟動(dòng)計(jì)算機(jī)并初始化后，輸入被測(cè)樣品號(hào)、測(cè)試日期和測(cè)試者號(hào)。
3.找基準(zhǔn)將標(biāo)準(zhǔn)V塊放入玻璃V形凹?jí)K9的V形空間，鍵入標(biāo)準(zhǔn)V塊折射率N，計(jì)算機(jī)即自動(dòng)控制進(jìn)行找基準(zhǔn)。其過(guò)程是狹縫4暗線的象偏離振動(dòng)狹縫6中心的平衡位置時(shí)，稱為未瞄準(zhǔn)狀態(tài)，光電倍增管7輸出一非正弦電信號(hào)，放大后由BG7經(jīng)電容C19耦合進(jìn)入相敏檢波器21，經(jīng)相敏檢波后的電信號(hào)輸出不為零，這個(gè)信號(hào)A/D變換后，由PIO接口送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)141的指令，通過(guò)控制電路15驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)光柵盤10和準(zhǔn)直反射鏡13同步運(yùn)動(dòng)，準(zhǔn)直反射鏡運(yùn)動(dòng)的角度由光柵盤10及其角度編碼器19一一對(duì)應(yīng)地記錄。當(dāng)準(zhǔn)直反射鏡13的鏡面精確地垂直于射入光束時(shí)，狹縫4暗線的象必定正好在振動(dòng)狹縫6(亮狹縫)的中心的平衡位置，稱為瞄準(zhǔn)狀態(tài)，也就是尋的過(guò)程完成，也就是找到了基準(zhǔn)，這時(shí)光電倍增管7輸出一正弦電信號(hào)，放大后經(jīng)相敏檢波后的信號(hào)為零，這時(shí)計(jì)算機(jī)不再發(fā)出驅(qū)動(dòng)指令并根據(jù)軟件程序自動(dòng)從角度編碼器讀入這基準(zhǔn)角。
4.樣品折射率測(cè)試取出標(biāo)準(zhǔn)V塊，將被測(cè)樣品11放入玻璃V形凹?jí)K9中，在計(jì)算機(jī)中輸入譜線號(hào)(例如g線)，這時(shí)光電倍增管7輸出的又是一非正弦電信號(hào)，計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)尋的。尋的過(guò)程是一個(gè)反復(fù)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。當(dāng)準(zhǔn)直反射鏡13的鏡面又精確垂直于入射光束時(shí)，狹縫4的暗線的象又處于振動(dòng)狹縫(亮狹縫)6的中心平衡位置，完成尋的，計(jì)算機(jī)又從角度編碼器讀入(采樣)一個(gè)角度，這個(gè)角與基準(zhǔn)角之差即為測(cè)得的折射角θ，計(jì)算機(jī)按下面公式進(jìn)行折射率N計(jì)算。
N=N02±sinθN02-sin2θ]]>式中N是標(biāo)準(zhǔn)V塊的折射率。
測(cè)量結(jié)果Ng由打印機(jī)17輸出。
樣品相對(duì)于其他譜線的測(cè)量過(guò)程和不同樣品的測(cè)量過(guò)程只需相應(yīng)地設(shè)置光源和濾光片，并向計(jì)算機(jī)輸入相應(yīng)的譜線號(hào)(e、g、h、c、f、d、r等)，計(jì)算機(jī)重復(fù)第4步即可自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。
當(dāng)儀器對(duì)同一樣品進(jìn)行了d、c、f、譜線的折射率Nd、Nc、Nf測(cè)量后，計(jì)算機(jī)還會(huì)自動(dòng)計(jì)算部分色散 Nc-Nf色散系數(shù) u＝ (Nd-1)/(Nc-Nf)并打印出結(jié)果。
很明顯，本發(fā)明達(dá)到了目的，測(cè)量精度高，操作方便，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了主觀誤差，提高了工作效率。
根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思，在機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路方面稍作變動(dòng)，仍應(yīng)屬本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量玻璃等透明物體折射率的自動(dòng)V棱鏡折射儀，沿光路有光源1、聚光鏡2、濾光片3、狹縫4、玻璃V形凹?jí)K9，其特征在于1>沿光路在狹縫4和玻璃V形凹?jí)K9之間還有分束器5和準(zhǔn)直物鏡8，所說(shuō)的狹縫4位于聚光鏡2和準(zhǔn)直物鏡8的共焦面上；2>在分束器5并垂直于光路的一側(cè)有振動(dòng)狹縫6和光電倍增管7；3>沿光路在玻璃V形凹?jí)K9的另一端有一準(zhǔn)直反射鏡13；4>在玻璃V形凹?jí)K后面(或前面)裝有莫爾光柵盤10，該光柵盤的主軸20的軸線通過(guò)玻璃V形凹?jí)K9的V形空間，與光路正交；5>還有計(jì)算機(jī)16，由所說(shuō)的光電倍增管7接收的光電瞄準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)18輸入計(jì)算機(jī)21，經(jīng)過(guò)判斷，計(jì)算機(jī)輸出控制信號(hào)，經(jīng)控制電路15，控制變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)14運(yùn)動(dòng)，當(dāng)儀器處于瞄準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，計(jì)算機(jī)從莫爾光柵盤10的角度編碼器19讀取折射角度值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由打印機(jī)17輸出結(jié)果。
2.按照權(quán)利要求1的V棱鏡折射儀，其特征在于所說(shuō)的振動(dòng)狹縫6位于準(zhǔn)直物鏡8的光束經(jīng)分束器5反射后的光路上的焦面上。
3.按照權(quán)利要求1的V棱鏡折射儀，其特征在于所說(shuō)的控制電路15，包括PIO接口，PIO的PB5、PB6、PB7分別通過(guò)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)14的步進(jìn)電機(jī)141的三個(gè)繞組A、B、C相連，以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。
4.按照權(quán)利要求1的V棱鏡折射儀，其特征在于所說(shuō)的信號(hào)處理系統(tǒng)18由電信號(hào)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(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，由隔直電容C1耦合到BG1進(jìn)行前置放大，經(jīng)BG2的移相網(wǎng)絡(luò)和BG3射極跟隨器后，由BG4、BG5、BG6組成的放大電路再放大，從射極跟隨器BG7經(jīng)電容C19送至相敏檢波器21進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，經(jīng)A/D變換器，由PIO接口輸入計(jì)算機(jī)。
5.按照權(quán)利要求1的V棱鏡折射儀，其特征在于所說(shuō)的變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)141，蝸桿142，蝸輪143，主輪144和莫爾光棚盤的主軸20按機(jī)械驅(qū)動(dòng)關(guān)系關(guān)連而成。
6.按照權(quán)利要求1至5的V棱鏡折射儀，其特征是所說(shuō)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(zhuǎn)的濾光片轉(zhuǎn)盤303，該盤上至少有7個(gè)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(huán)狀凸緣，濾光片用彈簧壓圈302壓牢，濾光片轉(zhuǎn)盤還有與通孔301數(shù)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(zhuǎn)盤303的定位作用。
7.按照權(quán)利要求6的V棱鏡折射儀，其特征是所說(shuō)的光源是安裝在一可轉(zhuǎn)動(dòng)的光源支架上的。
全文摘要
一種用于透明物體折射率測(cè)量的自動(dòng)V棱鏡折射儀，由光源、聚光鏡、濾光片裝置、狹縫、分束器、準(zhǔn)直物鏡、玻璃V形凹?jí)K、準(zhǔn)直反射鏡、莫爾光柵盤及其角度編碼器、振動(dòng)狹縫、光電倍增管、計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理系統(tǒng)、控制電路、變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成，利用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)莫爾光柵盤和振動(dòng)狹縫進(jìn)行高精度光電瞄準(zhǔn)和精密測(cè)角，并自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，達(dá)到了高精度測(cè)量物體折射率，減輕工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，避免主觀誤差，提高工作效率之目的。
文檔編號(hào)G01N21/41GK1060358SQ9010294
公開(kāi)日1992年4月15日 申請(qǐng)日期1990年9月26日 優(yōu)先權(quán)日1990年9月26日
發(fā)明者李錫善, 孫保定, 孫晶礬, 蔣安民, 夏青生, 王德林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所