一種測量玻璃微珠折射率的裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種測量玻璃微珠折射率的裝置及方法，屬于測量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 玻璃微珠廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、港口、海洋運輸、礦山、坑道、消防、城建等領(lǐng)域內(nèi) 作為各種標(biāo)志、警示牌、車輛牌照、救生用品等；隨著我國公路建設(shè)的快速發(fā)展，與道路逆反 射材料配合使用的玻璃微珠的用量迅速增加。在廣告標(biāo)識、反光膜、反光油墨、反光標(biāo)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(chǎn)品和設(shè)施中正發(fā)揮著越來越重要 的作用。
[0003] 玻璃微珠是一種硅酸鹽材料，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、機械強度和電絕緣性，其 獨特的特性是對光具有回歸反射特性。利用玻璃微珠回歸反射特性的材料廣泛應(yīng)用于 道路交通、廣告標(biāo)識中，玻璃微珠有實心、空心、多孔玻璃微珠之分，實心微珠的直徑多為 0.8_-5_，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(chǎn)品和設(shè)施的可 見性，從而起到了保護道路使用者安全的作用；玻璃微珠的折射率將直接影響到反光設(shè)施 的回歸反射性能，是玻璃微珠的重要參數(shù)。
[0004] 道路逆反射材料使用的玻璃微珠有折射率低于1. 7的低折射率玻璃微珠和折射 率不小于1. 9的高折射率玻璃微珠。低折射率的玻璃微珠主要應(yīng)用在逆反射特性要求相對 不高的材料，如反光標(biāo)線，而高折射率玻璃微珠則應(yīng)用在要求具有高的回歸反射特性的材 料上，如反光膜中。兩類玻璃微珠的制造工藝已經(jīng)趨于成熟，市場上可購買到不同折射率的 玻璃微珠，國內(nèi)許多玻璃微珠廠生產(chǎn)的玻璃微珠性能非常優(yōu)越，而且遠(yuǎn)銷國外，在保證道路 逆反射材料的可視性中發(fā)揮著重要的作用。
[0005] 道路逆反射材料玻璃微珠測試技術(shù)中最為關(guān)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，大都是基于棱鏡的最小偏轉(zhuǎn)角法或全反射臨界角法進(jìn)行的，被測 樣品必須制成一定大小的精密棱鏡才能進(jìn)行測量。對于不便于制作成精密棱鏡的顆粒材 料，浸液法是最為常用的折射率測量方法，但由于油浸法對于高折射率匹配的液體都有毒 性，給測量帶來很大不便。通過制作棱鏡的方法測量折射率既費時又不能直接反應(yīng)實際情 況，由于成珠環(huán)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。
[0006] 專利CN2581980Y公開了一種激光照明玻璃微珠折射率測量的裝置，該裝置主要 由He-Ne激光器、正透鏡、載玻片及接收屏等組成，依據(jù)玻璃微珠在平行光照明下所產(chǎn)生的 彩虹現(xiàn)象來進(jìn)行折射率的測量。該裝置的主要特征是采用平行激光使用長焦距正透鏡使激 光匯聚后直接照射到吸附在載玻片上的單個玻璃微珠整體上，并利用三維可調(diào)節(jié)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)由于玻璃微珠通過吸附作用吸附于載玻片上，支撐載玻片的三維可調(diào)節(jié)支架在調(diào) 節(jié)過程中容易造成玻璃微珠脫落，不能進(jìn)行連續(xù)多次測量，以實現(xiàn)統(tǒng)計分析；（2)激光與玻 璃微珠的對準(zhǔn)通過三維可調(diào)節(jié)支架分別調(diào)整長焦距正透鏡和載玻片來實現(xiàn)，調(diào)整誤差增加 了測量誤差；（3)無法保存形成的彩虹環(huán)和相關(guān)參數(shù)，不能實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。
[0007] 專利CN102175646B公開了一種測量高折射率玻璃微珠折射率的裝置及方法，該 裝置主要由激光器、透鏡、光闌、X、Y平移結(jié)構(gòu)、載玻片、玻璃微珠、接收屏、攝像頭、升降旋 鈕、讀數(shù)器、采集卡等組成，依據(jù)激光照射在高折射率玻璃微珠上產(chǎn)生二次彩虹圖像來進(jìn)行 折射率的測量。該裝置主要特征是測量玻璃微珠到接收屏之間的距離，采集并計算所述二 次彩虹圖像半徑，從而計算出待測玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角，結(jié)合該最小偏向角和 玻璃微珠的內(nèi)反射次數(shù)來確定玻璃微珠的折射率。該測量裝置的主要缺陷是：（1)只能測 量高折射率玻璃微珠；（2)攝像頭的位置調(diào)節(jié)不精確，不利于光線共軸的調(diào)節(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 鑒于上述問題，本發(fā)明提供了一種測量玻璃微珠折射率的裝置與方法。所述裝置 克服了現(xiàn)有技術(shù)測量玻璃微珠折射率的缺陷，利用低折射率玻璃微珠在激光照明下產(chǎn)生的 一次彩虹現(xiàn)象及高折射率玻璃微珠在激光照明下產(chǎn)生的二次彩虹現(xiàn)象，測出多個玻璃微珠 的最小偏向角后，根據(jù)相關(guān)計算公式統(tǒng)計得出被測玻璃微珠的折射率。
[0009] 為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供了一種測量玻璃微珠折射率的裝置，主要包括： 激光器1、第一反射鏡2、正透鏡3、第二反射鏡4、光闌5、第三反射鏡6、帶孔反射鏡7、玻璃 微珠8、載玻片9、接收屏10、吸光裝置11、五維調(diào)節(jié)裝置12、攝像頭13、升降旋鈕14、讀數(shù)器 15、 彈簧鎖定裝置16、X、Y平移結(jié)構(gòu)17、旋轉(zhuǎn)軸18、支撐架19、可調(diào)旋鈕20、采集卡21、反射 鏡調(diào)節(jié)裝置22。測高折射率玻璃微珠時，所述的攝像頭13安裝在五維調(diào)節(jié)裝置12上，五維 調(diào)節(jié)裝置12安裝在升降裝置上，攝像頭13的下方安裝所述接收屏10,讀數(shù)器15安裝在升 降裝置的移動臺上，用于讀取玻璃微珠8到接收屏10之間的接收距離，在接收屏10的下方 有用于放置載玻片9的載物臺，載物臺安裝在X、Y平移結(jié)構(gòu)17的移動平臺上，激光器1出 射的激光經(jīng)第一反射鏡2、正透鏡3、第二反射鏡4、光闌5、第三反射鏡6和帶孔反射鏡7從 載物臺的下方垂直向上透射載物臺上載玻片9,利用X、Y平移結(jié)構(gòu)17調(diào)節(jié)載玻片9,使激光 光束照射到玻璃微珠8上，在接收屏10上接收二次彩虹圖像，測量該二次彩虹圖像的最外 環(huán)半徑和玻璃微珠8到接收屏10之間的接收距離，通過接收距離和最外環(huán)半徑計算最小偏 向角，根據(jù)最小偏向角反演計算所述高折射率玻璃微珠的折射率；測量低折射率玻璃微 珠時，打開彈簧鎖定裝置16,調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸18及支撐架19上的可調(diào)旋鈕20,使攝像頭13和 接收屏10所在系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)90°，通過支撐架19固定，激光器1發(fā)出激光，被第一反射鏡2反 射經(jīng)過正透鏡3,透射光經(jīng)第二反射鏡4反射，通過光闌5的光束再經(jīng)第三反射鏡6反射， 光束垂直向上通過帶孔反射鏡7后透射載物臺上載玻片9,利用X、Y平移結(jié)構(gòu)17調(diào)節(jié)載玻 片9,使激光光束照射到玻璃微珠8上，從而在與光軸呈45°放置的帶孔反射鏡7上觀察到 一次彩虹圖像，經(jīng)帶孔反射鏡7反射后在接收屏10上接收一次彩虹圖像，攝像頭13采集圖 像，測量該一次彩虹圖像的最外環(huán)半徑和玻璃微珠8到接收屏10之間的接收距離，通過接 收距離和最外環(huán)半徑計算最小偏向角，根據(jù)最小偏向角反演計算所述低折射率玻璃微珠的 折射率。在載玻片9上一次放置有多個玻璃微珠8,在測試完一個玻璃微珠8后，通過調(diào)節(jié) X、Y平移結(jié)構(gòu)17,如果涉及高低不同折射率玻璃微珠測量轉(zhuǎn)換時，需要調(diào)節(jié)彈簧鎖定裝置 16、 升降旋鈕14、旋轉(zhuǎn)軸18以及可調(diào)旋鈕20,繼續(xù)下一個玻璃微珠8的測量，直到完成對多 個玻璃微珠8的測量，然后統(tǒng)計分析所述多個玻璃微珠8的測量結(jié)果；所述多個玻璃微珠指 每種型號玻璃微珠的實驗測量數(shù)目大于200個。
[0010] 所述彈簧鎖定裝置16,當(dāng)測量高折射率玻璃微珠時，彈簧鎖定裝置16鎖定，當(dāng)測 量低折射率玻璃微珠時，彈簧鎖定裝置16解開，可以通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸18及支撐架19上的 可調(diào)旋鈕20,使攝像頭13和接收屏10所在系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)90°，通過帶孔反射鏡7實現(xiàn)將豎直 方向的一次彩虹圖像旋轉(zhuǎn)到水平方向進(jìn)行測量。
[0011] 所述升降裝置包括升降臺，旋轉(zhuǎn)臂，所述旋轉(zhuǎn)臂連接有所述升降臺，在所述升降臺 上安裝有所述攝像頭13 ;所述升降裝置還包括升降旋鈕14,通過調(diào)節(jié)該升降旋鈕14調(diào)節(jié)升 降臺的高度；在所述升降臺的下部安裝所述接收屏10 ;所述X、Y平移結(jié)構(gòu)17包括螺旋結(jié)構(gòu) 或者齒輪齒條結(jié)構(gòu)。
[0012] 通過采集卡21和攝像頭13采集接收屏10上的彩虹圖像，將采集的圖像保存到計 算機后進(jìn)行分析處理。
[0013] 本發(fā)明還提供一種測量玻璃微珠折射率的方法，其特征如下： 激光器1的出射光經(jīng)第一反射鏡2、正透鏡3、第二反射鏡4、光闌5、第三反射鏡6、帶孔 反射鏡7從載物臺的下方垂直向上透射載物臺上的載玻片9,利用X、Y平移結(jié)構(gòu)17調(diào)節(jié)載 玻片9,使激光光束照射到玻璃微珠8上，在接收屏10上接收彩虹圖像，測量該彩虹圖像的 最外環(huán)半徑R及玻璃微珠到接收屏之間的接收距離L，從而計算出待測玻璃微珠的最小偏 向角，