用于测量折射率的光学系统及一种小型折射率测量装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种用于测量折射率的光学系统及一种小型折射率测量装置，其光学系统中，光源与光电传感器在光学棱镜的同侧，光源入射光线的中心方向与光电传感器检测的出射光线的中心方向平行，且在同一平面上，因此相对于发散光线的光学系统来说，在进行封装时，可以使用直径更小的封装壳体，即将有效的光程最大限度的控制在最小的空间范围内，而又不造成光学系统内的光线丢失。将上述光学系统应用至折射率测量装置中时，能够有效缩小折射率测量装置的产品尺寸，使折射计设计的更加小型，携带更加方便。
【专利说明】用于测量折射率的光学系统及一种小型折射率测量装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种用于测量折射率的光学系统及应用该光学系统的能够测量液体以及透明固体折射率的小型折射率测量装置。
【背景技术】
[0002]折射计在食品饮料，海水、淡水养殖，石油化工，生物制药，临床医学，车辆维护，工业生产等各行各业具有广泛的应用。可以通过测量液体的折射率，计算液体中完全溶解物质的浓度含量，如可以测量饮料中的含糖量，测量酒品的酒精度，测量动物和人的尿比重、尿蛋白，测量冷冻液、清洗液的冰点等等。
[0003]传统的折射计的光学系统如图1所示，包括棱镜103，单色光源104和CMOS光电传感器102。相应的，折射计内部除了上述光学系统之外，还包括对单色光源104进行控制并对光电传感器102检测到的信号进行处理的电路部分。折射计的工作过程如下:当棱镜103接触到被测样本X时，单色光源104发光，从单色光源104入射到棱镜103的光入射到被测样本X和棱镜103的边界面上，根据棱镜103与被测样本X的折射率决定的临界角，分离成折射光和反射光，反射光会从棱镜103射出，成为检测光线入射至CMOS光电传感器102，由CMOS光电传感器102转换成电信号。另外，在折射计中还设置有温度传感器，用于测量被测样本的温度。温度信号和CMOS光电传感器转换后的电信号经过电路部分的处理后能够检测出被测样本X的折射率，根据被测样本X的折射率得出被测样本X的折射率。
[0004]但是现有折射计中的光学系统，从图中可以看出，单色光源104和CMOS光电传感器102分别在棱镜103的两侧。因此，该光学系统中入射光线的中心线U’与检测光线的中心线V’不平行。这样的光学系统使折射计在结构设计上受到局限，限制了折射计的微型化设计。
实用新型内容
[0005]为此，本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种小型折射率测量装置。
[0006]为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案:
[0007]本实用新型提供一种用于测量折射率的光学系统，包括:
[0008]光学棱镜，其包括第一面、第二面和第三面，所述第三面与所述第二面垂直设置，所述第一面与所述第二面中垂线间的夹角为锐角，且所述第二面上成型有测量凸台，所述测量凸台与被测物体接触；
[0009]光源，设置于所述光学棱镜的一侧，且所述光源发出的第一光线通过所述第一面入射至所述光学棱镜的测量凸台与被测物体的分界面；
[0010]光电传感器，与所述光源位于所述光学棱镜的同一侧，接收所述第一光线经所述分界面全反射后通过所述第一面出射的第二光线。
[0011]物镜，设置于所述第一面与所述光电传感器之间的光学路径上，且所述物镜与所述光电传感器之间的距离等于所述物镜的焦距。
[0012]所述物镜的焦距为20_30mm。
[0013]光导纤维，其设置于所述第一面与所述光源之间的光学路径上，用于将所述光源发出的第一光线传输至所述第一面。
[0014]所述第一面与所述第二面中垂线之间的夹角为45度-60度。
[0015]所述第二面上成型的所述测量凸台，为直径在5_6mm的圆形凸台。
[0016]所述第三面内表面镀覆有反射膜。
[0017]本实用新型还提供一种小型折射率测量装置，包括上述的用于测量折射率的光学系统和处理电路，所述处理电路用于对光源进行控制并对光电传感器检测到的信号进行处理；
[0018]所述光学系统和所述处理电路封装于笔式外壳内，所述笔式外壳的长度为140-180mm，所述笔式外壳包括:
[0019]第一封装壳体,用于所述光学系统的封装,其长度为30-60mm,宽度为10-18mm,高度为10-18_ ;所述第一封装壳体与所述光学系统中测量凸台相对应的位置设置一进液口，用于被测物体与测量凸台相接触；
[0020]第二封装壳体，用于封装所述处理电路，其长度为100-110mm，宽度为20_25mm，高度为20-25mm,所述第二封装壳体与所述第一封装壳体通过连接环套接；
[0021 ] 所述第二封装壳体内还包括用于放置电池的电池仓。
[0022]所述处理电路中包括蓝牙�？椋隼堆滥？橛糜谑迪炙龃淼缏酚肫渌斩思涞氖荽�。
[0023]本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点:
[0024](I)本实用新型所述的用于测量折射率的光学系统及一种小型折射率测量装置，其光学系统中，光源与光电传感器在光学棱镜的同侧，光源入射光线的中心方向与光电传感器检测的出射光线的中心方向平行，且在同一平面上，因此相对于发散光线的光学系统来说，在进行封装时可以使用直径更小的封装壳体即可将光学系统封装在内也不会有光线丢失。将本实施例中的上述光学系统应用至折射率测量装置中时，能够有效缩小折射率测量装置的产品尺寸，使折射计设计的更加小型，携带更加方便。
[0025](2)本实用新型所述的用于测量折射率的光学系统及一种小型折射率测量装置，其测量凸台的实际使用面积可以通过调整棱镜座入射光孔径的大�。迪炙跣〔饬棵婊虼苏凵渎什饬孔爸貌坏芄徊饬恳禾宓恼凵渎剩杂诓Ａ�、透明树脂或者其他只具有抛光曲面，而非抛光平面，且形状复杂的物体，均能够测量其折射率。
[0026](3)本实用新型所述的用于测量折射率的光学系统及一种小型折射率测量装置，其小型折射率测量装置中包括蓝牙�？椋芄环奖愕慕饬拷峁涞酵獠可璞福赏獠可璞付允萁蟹治黾扑愕龋币部梢苑奖阃獠可璞付员咀爸玫脑冻炭刂频�。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中
[0028]图1是现有技术中的一种应用于折射计中的光学系统；
[0029]图2是本实用新型一个实施例的一种光学系统；
[0030]图3是本实用新型一个实施例所述折射率测量装置主视图的剖视图；
[0031]图4是本实用新型一个实施例所述折射率测量装置的俯视图；
[0032]图5是本实用新型一个实施例所述折射率测量装置的主视图；
[0033]图6是本实用新型一个实施例所述折射率测测量装置数据处理原理框图；
[0034]图7是本实用新型一个实施例所述折射率测量装置测量液体折射率时的使用状态图；
[0035]图8是本实用新型一个实施例所述折射率测量装置测量具有较大曲率半径抛光曲面的固体样本折射率的使用状态图。
[0036]图中附图标记表不为:10—测量部，11—液晶显不屏，12a—测量按键，12b—校准按键，12c—刻度转换按键，13—电池仓，14 一电池仓盖，15—电池仓密封圈，16a—刻度名称
a,16b—刻度名称b，16c—刻度名称c，17—测量面端面，18—本体，19—测量部不锈钢密封片，20—光学棱镜，21—物镜座，22—光导纤维，23—光电传感器座，24—光源，25—紧固螺丝，26一主电路板，27一液晶电路板，28一调试口端盖，29一AAA喊性电池，30一电池正极弹簧探针，31 —电池正极导通螺丝，32 —电池正极导通螺母，33-电池负极弹簧探针，34—连接环，35—电路板，36—光电传感器，37—扰光板，38—物镜，39—棱镜座，40—温度传感器。
【具体实施方式】
[0037]实施例1
[0038]本实施例提供一种用于测量折射率的光学系统，如图2所示，包括光学棱镜20，光源24和光电传感器36。其中:
[0039]所述光学棱镜20，其包括第一面1、第二面II和第三面III，所述第三面III与所述第二面II垂直设置，即图中夹角η为90度。所述第一面I与所述第二面II中垂线间的夹角m为锐角，且所述第二面II上成型有测量凸台，所述测量凸台与被测物体X接触。所述光源24，设置于所述光学棱镜20的一侧，且所述光源24发出的第一光线通过所述第一面I入射至所述光学棱镜20的测量凸台与被测物体的分界面。所述光电传感器36，与所述光源24位于所述光学棱镜20的同一侧，接收所述第一光线经所述分界面全反射后通过所述第一面出射的第二光线。
[0040]其中，所述光源24选择为单色光源，单色光源发出的光线可以直接入射至所述第一面I，进入所述光学棱镜20内之后，入射至所述测量凸台与被测物体的分界面，由全反射原理可知，部分光线在分界面发生折射后射出本光学系统，未发生折射的光线在分界面处发生全反射，并反射到第三面III，在第三面III再次发生反射后返回棱镜的第一面I，经由第一面I射出本光学系统，由光电传感器36接收。显然,本实施例中的上述方案,光源与光电传感器在光学棱镜的同侧，光源入射光线的中心方向U与光电传感器检测的出射光线的中心方向V平行,且在同一平面上，因此相对于发散光线的光学系统来说，本光学系统在进行封装时可以使用直径更小的封装壳体即可将光学系统封装在内也不会有光线丢失。将本实施例中的上述光学系统应用至折射计中时，能够有效缩小折射计的产品尺寸，使折射计设计的更加小型，携带更加方便。
[0041]作为优选的方案，如图2所示，还包括物镜38，设置于所述第一面I与所述光电传感器36之间的光学路径上，且所述物镜38与所述光电传感器36之间的距离等于所述物镜38的焦距。设置物镜38与光电传感器36之间的距离为物镜38焦距之后，出射光线经过物镜38后可以直接成像于光电传感器36的受光面上，而物镜38焦距的选择需要考虑测量范围、测量精度、产品小型化等指标，本实施例中优选所述物镜38的焦距为20-30mm,例如选择为 20mm, 25mm, 28mm, 30mm 等。
[0042]考虑到光源24如果贴近所述光学棱镜20，光源24的杂散光会影响到光电传感器36的测量，因此将光源24设置到低于光电传感器36的受光面。同时，用光导纤维22将光源光线引至光学棱镜可以很好的利用光导纤维22对发散光源的约束性，形成较为理想的近似点光源。
[0043]不同的测量范围和精度的产品，可以通过改变棱镜材料和棱镜第一面I与所述第二面II中垂线之间的夹角m来实现。以测量范围为Brix在0-60%的蔗糖水溶液为例，相应的产品所选择的光学棱镜20的材料折射率为1.755，夹角m可以选择50-60度，优选为52.5度。本实施例中，所述第二面II上成型的所述测量凸台，为直径在5-6mm的圆形凸台，例如，可以选择5mm、5.5mm、6mm等。其测量凸台的实际使用面积可以通过调整棱镜座入射光孔径的大�。迪炙跣〔饬棵婊虼苏凵渎什饬孔爸貌坏芄徊饬恳禾宓恼凵渎剩杂诓Ａ�、透明树脂或者其他只具有抛光曲面，而非抛光平面，且形状复杂的物体，均能够测量其折射率。
[0044]进一步地，为了保证能够有较多的出射光线被光电传感器36接收检测，优选在所述第三面III内表面镀覆有反射膜。
[0045]另外，图2中所示的光学系统中还包括电路板35，所述光电传感器36和所述光源24均设置在所述电路板35上，这一点为本领域所公知的技术，可以直接采用现有技术中的设置方式即可，由于其并不是本申请的发明要点，因此不再详细描述。
[0046]实施例2
[0047]本实施例提供一种小型折射率测量装置，包括实施例1所述的用于测量折射率的光学系统和处理电路，所述处理电路用于对光源进行控制并对光电传感器检测到的信号进行处理。
[0048]如图3-图5所示，所述光学系统和所述处理电路封装于笔式外壳内，所述笔式外壳的长度LI为140-180_。所述笔式外壳包括:第一封装壳体，用于所述光学系统的封装，其长度L3为30-60mm，宽度Wl为10_18mm，高度Hl为10_18mm。所述第一封装壳体与所述光学系统中测量凸台相对应的位置设置一进液口，用于被测物体与测量凸台相接触。第二封装壳体，用于封装所述处理电路，其长度L2为100-110mm，宽度W2为20_25mm，高度H2为20-25mm。所述第二封装壳体与所述第一封装壳体通过连接环34套接。所述第二封装壳体内还包括用于放置电池的电池仓13。本实施例中上述装置，具有很小的外形尺寸，设计成笔杆式的结构，方便携带。
[0049]如图3所示，为本实施例所述装置的剖视图，其中第一封装壳体内封装有光学系统。结合图3至图5，可知光学棱镜20中的测量凸台对应该装置测量部10的测量面端面17。当然，在将光学系统封装至所述第一封装壳体中时，需要对光学系统内部的各个元器件进行固定，如图所示，在所述第一封装壳体内部还设置有物镜座21，用于固定物镜38。传感器座23，用于固定光电传感器36。棱镜座39用于固定光学棱镜20。另外，由于折射率测量经常应用于液体中，因此测量面端面17处设置有测量部不锈钢密封片19，该密封片中间部分设置一与测量凸台适配的通孔，测量凸台可穿过该通孔后实现密封片与测量凸台的底部连接，实现密封。另外，与现有技术中的折射计相同，本实施例中的装置也包括温度传感器40，用于测量被测样本的温度。
[0050]另外，再结合图3-图5，同现有折射计相同，在本实施例中的装置中，本体18包括的第二封装壳体上设置有液晶显示屏11、测量按键12a、校准按键12b、刻度转换按键12c。相应的在第二封装壳体内部设置的处理电路上设置有与上述显示屏和按键对应的控制部分。处理电路设置于主电路板26上,其用于接收光电传感器36输出的电信号,控制光源24的开启和关闭，接收温度传感器40输出的信号等。所述处理电路根据接收到的信号能够得出被测样本的折射率。同时，处理电路还包括液晶电路板27，其用于控制液晶显示屏11的显示功能，图4中示出了液晶显示屏11显示的三个刻度名称,分别是刻度名称a_16a、刻度名称b-16b，刻度名称c-16c。
[0051]为实现上述功能，如图6所示，所述处理电路需要包括电压转换电路41、A/D转换电路41、MCU处理器44等，不过这些均可以采用现有技术中的方案即可，即处理电路对这些信号的处理分析过程，和现有技术中的折射计中的电路部分的处理分析过程相同，此不详述。
[0052]从图中可以看出，第二封装壳体内还包括用于放置电池的电池仓13，图3中所示的装置已经装入了 I节AAA碱性电池29，在电池仓13远离第一封装壳体部分，设置有电池正极弹簧探针30，在靠近第一封装壳体部分设置有电池负极弹簧探针33，在电池正极一端，还设置有相互配合的电池正极导通螺丝31和电池正极导通螺母32。干电池装入电池仓之后，可以通过扣合电池仓盖14实现封装，为了保证密封性能，在电池仓盖14与电池仓13之间还设置有电池仓密封圈15。
[0053]所述第一封装壳体和所述第二封装壳体通过连接环34连接，为了保证可靠性，还可以通过紧固螺丝25对其连接处进一步固定。
[0054]作为优选的实施方式，本实施例中的上述装置中，所述处理电路中包括蓝牙�？�46，所述蓝牙�？�46用于实现所述处理电路与其他终端间的数据传输。如图6所示，以外部设备47表示其他终端，为了能够实现与本实施例中装置蓝牙�？榈呐浜希谕獠可璞�47中也设置有蓝牙装置48。
[0055]如前边所描述的，处理电路对光电传感器、温度传感器的数据处理以及对光源的控制，和现有技术中的折射计相同，而图3-图6中所示的产品封装外壳上设置的调试口端盖28、封装外壳内的扰光板27、处理电路中的电源部分45等也都不属于本申请的发明要点，在此不再描述。本实施例中的上述方案，米用了实施例1中的光学系统，光源与光电传感器在光学棱镜的同侧，光源入射光线的中心方向与光电传感器检测的出射光线的中心方向平行，且在同一平面上，因此相对于发散光线的光学系统来说，在进行封装时可以使用直径更小的封装壳体即可将光学系统封装在内也不会有光线丢失，因此能够有效缩小产品尺寸，使产品更加小型，携带更加方便。并且，由于该装置具有很小的测量面，不但能够测量液体的折射率，对于玻璃、透明树脂或者其他只具有抛光曲面，而非抛光平面，且形状复杂的物体，均能够测量其折射率。图7和图8分别给出了该装置用于测量液体折射率和固体折射率时的使用状态图。
[0056]显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。
【权利要求】
1.一种用于测量折射率的光学系统，其特征在于，包括: 光学棱镜，其包括第一面、第二面和第三面，所述第三面与所述第二面垂直设置，所述第一面与所述第二面中垂线间的夹角为锐角，且所述第二面上成型有测量凸台，所述测量凸台与被测物体接触； 光源，设置于所述光学棱镜的一侧，且所述光源发出的第一光线通过所述第一面入射至所述光学棱镜的测量凸台与被测物体的分界面； 光电传感器，与所述光源位于所述光学棱镜的同一侧，接收所述第一光线经所述分界面全反射后通过所述第一面出射的第二光线。
2.根据权利要求1所述的用于测量折射率的光学系统，其特征在于，还包括: 物镜，设置于所述第一面与所述光电传感器之间的光学路径上，且所述物镜与所述光电传感器之间的距离等于所述物镜的焦距。
3.根据权利要求2所述的用于测量折射率的光学系统，其特征在于: 所述物镜的焦距为20-30mm。
4.根据权利要求1所述的用于测量折射率的光学系统，其特征在于，还包括: 光导纤维，其设置于所述第一面与所述光源之间的光学路径上，用于将所述光源发出的第一光线传输至所述第一面。
5.根据权利要求1所述的用于测量折射率的光学系统，其特征在于: 所述第一面与所述第二面中垂线之间的夹角为45度-60度。
6.根据权利要求1所述的用于测量折射率的光学系统，其特征在于: 所述第二面上成型的所述测量凸台，为直径在5-6_的圆形凸台。
7.根据权利要求1所述的用于测量折射率的光学系统，其特征在于: 所述第三面内表面镀覆有反射膜。
8.一种小型折射率测量装置，其特征在于，包括权利要求1-7任一所述的用于测量折射率的光学系统和处理电路，所述处理电路用于对光源进行控制并对光电传感器检测到的信号进行处理； 所述光学系统和所述处理电路封装于笔式外壳内，所述笔式外壳的长度为140_180mm,所述笔式外壳包括: 第一封装壳体，用于所述光学系统的封装，其长度为30-60mm，宽度为10_18mm，高度为1-1Smm ;所述第一封装壳体与所述光学系统中测量凸台相对应的位置设置一进液口，用于被测物体与测量凸台相接触； 第二封装壳体，用于封装所述处理电路，其长度为100-110mm，宽度为20_25mm，高度为20-25mm,所述第二封装壳体与所述第一封装壳体通过连接环套接； 所述第二封装壳体内还包括用于放置电池的电池仓。
9.根据权利要求8所述的小型折射率测量装置，其特征在于，所述处理电路中包括蓝牙�？椋隼堆滥？橛糜谑迪炙龃淼缏酚肫渌斩思涞氖荽�。
【文档编号】G01N21/41GK204028001SQ201420472561
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2014年8月20日
【发明者】马玉峰 申请人:北京领航力嘉机电有限公司
专业数控铣床产品供应商
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