用于測量折射率的光學系統及一種小型折射率測量裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種用于測量折射率的光學系統及一種小型折射率測量裝置，其光學系統中，光源與光電傳感器在光學棱鏡的同側，光源入射光線的中心方向與光電傳感器檢測的出射光線的中心方向平行，且在同一平面上，因此相對于發散光線的光學系統來說，在進行封裝時，可以使用直徑更小的封裝殼體，即將有效的光程最大限度的控制在最小的空間范圍內，而又不造成光學系統內的光線丟失。將上述光學系統應用至折射率測量裝置中時，能夠有效縮小折射率測量裝置的產品尺寸，使折射計設計的更加小型，攜帶更加方便。
【專利說明】用于測量折射率的光學系統及一種小型折射率測量裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種用于測量折射率的光學系統及應用該光學系統的能夠測量液體以及透明固體折射率的小型折射率測量裝置。
【背景技術】
[0002]折射計在食品飲料，海水、淡水養殖，石油化工，生物制藥，臨床醫學，車輛維護，工業生產等各行各業具有廣泛的應用。可以通過測量液體的折射率，計算液體中完全溶解物質的濃度含量，如可以測量飲料中的含糖量，測量酒品的酒精度，測量動物和人的尿比重、尿蛋白，測量冷凍液、清洗液的冰點等等。
[0003]傳統的折射計的光學系統如圖1所示，包括棱鏡103，單色光源104和CMOS光電傳感器102。相應的，折射計內部除了上述光學系統之外，還包括對單色光源104進行控制并對光電傳感器102檢測到的信號進行處理的電路部分。折射計的工作過程如下:當棱鏡103接觸到被測樣本X時，單色光源104發光，從單色光源104入射到棱鏡103的光入射到被測樣本X和棱鏡103的邊界面上，根據棱鏡103與被測樣本X的折射率決定的臨界角，分離成折射光和反射光，反射光會從棱鏡103射出，成為檢測光線入射至CMOS光電傳感器102，由CMOS光電傳感器102轉換成電信號。另外，在折射計中還設置有溫度傳感器，用于測量被測樣本的溫度。溫度信號和CMOS光電傳感器轉換后的電信號經過電路部分的處理后能夠檢測出被測樣本X的折射率，根據被測樣本X的折射率得出被測樣本X的折射率。
[0004]但是現有折射計中的光學系統，從圖中可以看出，單色光源104和CMOS光電傳感器102分別在棱鏡103的兩側。因此，該光學系統中入射光線的中心線U’與檢測光線的中心線V’不平行。這樣的光學系統使折射計在結構設計上受到局限，限制了折射計的微型化設計。
實用新型內容
[0005]為此，本實用新型所要解決的技術問題在于提供一種小型折射率測量裝置。
[0006]為解決上述技術問題，本實用新型提供如下技術方案:
[0007]本實用新型提供一種用于測量折射率的光學系統，包括:
[0008]光學棱鏡，其包括第一面、第二面和第三面，所述第三面與所述第二面垂直設置，所述第一面與所述第二面中垂線間的夾角為銳角，且所述第二面上成型有測量凸臺，所述測量凸臺與被測物體接觸；
[0009]光源，設置于所述光學棱鏡的一側，且所述光源發出的第一光線通過所述第一面入射至所述光學棱鏡的測量凸臺與被測物體的分界面；
[0010]光電傳感器，與所述光源位于所述光學棱鏡的同一側，接收所述第一光線經所述分界面全反射后通過所述第一面出射的第二光線。
[0011]物鏡，設置于所述第一面與所述光電傳感器之間的光學路徑上，且所述物鏡與所述光電傳感器之間的距離等于所述物鏡的焦距。
[0012]所述物鏡的焦距為20_30mm。
[0013]光導纖維，其設置于所述第一面與所述光源之間的光學路徑上，用于將所述光源發出的第一光線傳輸至所述第一面。
[0014]所述第一面與所述第二面中垂線之間的夾角為45度-60度。
[0015]所述第二面上成型的所述測量凸臺，為直徑在5_6mm的圓形凸臺。
[0016]所述第三面內表面鍍覆有反射膜。
[0017]本實用新型還提供一種小型折射率測量裝置，包括上述的用于測量折射率的光學系統和處理電路，所述處理電路用于對光源進行控制并對光電傳感器檢測到的信號進行處理；
[0018]所述光學系統和所述處理電路封裝于筆式外殼內，所述筆式外殼的長度為140-180mm，所述筆式外殼包括:
[0019]第一封裝殼體,用于所述光學系統的封裝,其長度為30-60mm,寬度為10-18mm,高度為10-18_ ;所述第一封裝殼體與所述光學系統中測量凸臺相對應的位置設置一進液口，用于被測物體與測量凸臺相接觸；
[0020]第二封裝殼體，用于封裝所述處理電路，其長度為100-110mm，寬度為20_25mm，高度為20-25mm,所述第二封裝殼體與所述第一封裝殼體通過連接環套接；
[0021 ] 所述第二封裝殼體內還包括用于放置電池的電池倉。
[0022]所述處理電路中包括藍牙模塊，所述藍牙模塊用于實現所述處理電路與其他終端間的數據傳輸。
[0023]本實用新型的上述技術方案相比現有技術具有以下優點:
[0024](I)本實用新型所述的用于測量折射率的光學系統及一種小型折射率測量裝置，其光學系統中，光源與光電傳感器在光學棱鏡的同側，光源入射光線的中心方向與光電傳感器檢測的出射光線的中心方向平行，且在同一平面上，因此相對于發散光線的光學系統來說，在進行封裝時可以使用直徑更小的封裝殼體即可將光學系統封裝在內也不會有光線丟失。將本實施例中的上述光學系統應用至折射率測量裝置中時，能夠有效縮小折射率測量裝置的產品尺寸，使折射計設計的更加小型，攜帶更加方便。
[0025](2)本實用新型所述的用于測量折射率的光學系統及一種小型折射率測量裝置，其測量凸臺的實際使用面積可以通過調整棱鏡座入射光孔徑的大小，實現縮小測量面積，因此折射率測量裝置不但能夠測量液體的折射率，對于玻璃、透明樹脂或者其他只具有拋光曲面，而非拋光平面，且形狀復雜的物體，均能夠測量其折射率。
[0026](3)本實用新型所述的用于測量折射率的光學系統及一種小型折射率測量裝置，其小型折射率測量裝置中包括藍牙模塊，能夠方便的將測量結果傳輸到外部設備，由外部設備對數據進行分析計算等，同時也可以方便外部設備對本裝置的遠程控制等。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]為了使本實用新型的內容更容易被清楚的理解，下面根據本實用新型的具體實施例并結合附圖，對本實用新型作進一步詳細的說明，其中
[0028]圖1是現有技術中的一種應用于折射計中的光學系統；
[0029]圖2是本實用新型一個實施例的一種光學系統；
[0030]圖3是本實用新型一個實施例所述折射率測量裝置主視圖的剖視圖；
[0031]圖4是本實用新型一個實施例所述折射率測量裝置的俯視圖；
[0032]圖5是本實用新型一個實施例所述折射率測量裝置的主視圖；
[0033]圖6是本實用新型一個實施例所述折射率測測量裝置數據處理原理框圖；
[0034]圖7是本實用新型一個實施例所述折射率測量裝置測量液體折射率時的使用狀態圖；
[0035]圖8是本實用新型一個實施例所述折射率測量裝置測量具有較大曲率半徑拋光曲面的固體樣本折射率的使用狀態圖。
[0036]圖中附圖標記表不為:10—測量部，11—液晶顯不屏，12a—測量按鍵，12b—校準按鍵，12c—刻度轉換按鍵，13—電池倉，14 一電池倉蓋，15—電池倉密封圈，16a—刻度名稱
a,16b—刻度名稱b，16c—刻度名稱c，17—測量面端面，18—本體，19—測量部不銹鋼密封片，20—光學棱鏡，21—物鏡座，22—光導纖維，23—光電傳感器座，24—光源，25—緊固螺絲，26一主電路板，27一液晶電路板，28一調試口端蓋，29一AAA喊性電池，30一電池正極彈簧探針，31 —電池正極導通螺絲，32 —電池正極導通螺母，33-電池負極彈簧探針，34—連接環，35—電路板，36—光電傳感器，37—擾光板，38—物鏡，39—棱鏡座，40—溫度傳感器。
【具體實施方式】
[0037]實施例1
[0038]本實施例提供一種用于測量折射率的光學系統，如圖2所示，包括光學棱鏡20，光源24和光電傳感器36。其中:
[0039]所述光學棱鏡20，其包括第一面1、第二面II和第三面III，所述第三面III與所述第二面II垂直設置，即圖中夾角η為90度。所述第一面I與所述第二面II中垂線間的夾角m為銳角，且所述第二面II上成型有測量凸臺，所述測量凸臺與被測物體X接觸。所述光源24，設置于所述光學棱鏡20的一側，且所述光源24發出的第一光線通過所述第一面I入射至所述光學棱鏡20的測量凸臺與被測物體的分界面。所述光電傳感器36，與所述光源24位于所述光學棱鏡20的同一側，接收所述第一光線經所述分界面全反射后通過所述第一面出射的第二光線。
[0040]其中，所述光源24選擇為單色光源，單色光源發出的光線可以直接入射至所述第一面I，進入所述光學棱鏡20內之后，入射至所述測量凸臺與被測物體的分界面，由全反射原理可知，部分光線在分界面發生折射后射出本光學系統，未發生折射的光線在分界面處發生全反射，并反射到第三面III，在第三面III再次發生反射后返回棱鏡的第一面I，經由第一面I射出本光學系統，由光電傳感器36接收。顯然,本實施例中的上述方案,光源與光電傳感器在光學棱鏡的同側，光源入射光線的中心方向U與光電傳感器檢測的出射光線的中心方向V平行,且在同一平面上，因此相對于發散光線的光學系統來說，本光學系統在進行封裝時可以使用直徑更小的封裝殼體即可將光學系統封裝在內也不會有光線丟失。將本實施例中的上述光學系統應用至折射計中時，能夠有效縮小折射計的產品尺寸，使折射計設計的更加小型，攜帶更加方便。
[0041]作為優選的方案，如圖2所示，還包括物鏡38，設置于所述第一面I與所述光電傳感器36之間的光學路徑上，且所述物鏡38與所述光電傳感器36之間的距離等于所述物鏡38的焦距。設置物鏡38與光電傳感器36之間的距離為物鏡38焦距之后，出射光線經過物鏡38后可以直接成像于光電傳感器36的受光面上，而物鏡38焦距的選擇需要考慮測量范圍、測量精度、產品小型化等指標，本實施例中優選所述物鏡38的焦距為20-30mm,例如選擇為 20mm, 25mm, 28mm, 30mm 等。
[0042]考慮到光源24如果貼近所述光學棱鏡20，光源24的雜散光會影響到光電傳感器36的測量，因此將光源24設置到低于光電傳感器36的受光面。同時，用光導纖維22將光源光線引至光學棱鏡可以很好的利用光導纖維22對發散光源的約束性，形成較為理想的近似點光源。
[0043]不同的測量范圍和精度的產品，可以通過改變棱鏡材料和棱鏡第一面I與所述第二面II中垂線之間的夾角m來實現。以測量范圍為Brix在0-60%的蔗糖水溶液為例，相應的產品所選擇的光學棱鏡20的材料折射率為1.755，夾角m可以選擇50-60度，優選為52.5度。本實施例中，所述第二面II上成型的所述測量凸臺，為直徑在5-6mm的圓形凸臺，例如，可以選擇5mm、5.5mm、6mm等。其測量凸臺的實際使用面積可以通過調整棱鏡座入射光孔徑的大小，實現縮小測量面積，因此折射率測量裝置不但能夠測量液體的折射率，對于玻璃、透明樹脂或者其他只具有拋光曲面，而非拋光平面，且形狀復雜的物體，均能夠測量其折射率。
[0044]進一步地，為了保證能夠有較多的出射光線被光電傳感器36接收檢測，優選在所述第三面III內表面鍍覆有反射膜。
[0045]另外，圖2中所示的光學系統中還包括電路板35，所述光電傳感器36和所述光源24均設置在所述電路板35上，這一點為本領域所公知的技術，可以直接采用現有技術中的設置方式即可，由于其并不是本申請的發明要點，因此不再詳細描述。
[0046]實施例2
[0047]本實施例提供一種小型折射率測量裝置，包括實施例1所述的用于測量折射率的光學系統和處理電路，所述處理電路用于對光源進行控制并對光電傳感器檢測到的信號進行處理。
[0048]如圖3-圖5所示，所述光學系統和所述處理電路封裝于筆式外殼內，所述筆式外殼的長度LI為140-180_。所述筆式外殼包括:第一封裝殼體，用于所述光學系統的封裝，其長度L3為30-60mm，寬度Wl為10_18mm，高度Hl為10_18mm。所述第一封裝殼體與所述光學系統中測量凸臺相對應的位置設置一進液口，用于被測物體與測量凸臺相接觸。第二封裝殼體，用于封裝所述處理電路，其長度L2為100-110mm，寬度W2為20_25mm，高度H2為20-25mm。所述第二封裝殼體與所述第一封裝殼體通過連接環34套接。所述第二封裝殼體內還包括用于放置電池的電池倉13。本實施例中上述裝置，具有很小的外形尺寸，設計成筆桿式的結構，方便攜帶。
[0049]如圖3所示，為本實施例所述裝置的剖視圖，其中第一封裝殼體內封裝有光學系統。結合圖3至圖5，可知光學棱鏡20中的測量凸臺對應該裝置測量部10的測量面端面17。當然，在將光學系統封裝至所述第一封裝殼體中時，需要對光學系統內部的各個元器件進行固定，如圖所示，在所述第一封裝殼體內部還設置有物鏡座21，用于固定物鏡38。傳感器座23，用于固定光電傳感器36。棱鏡座39用于固定光學棱鏡20。另外，由于折射率測量經常應用于液體中，因此測量面端面17處設置有測量部不銹鋼密封片19，該密封片中間部分設置一與測量凸臺適配的通孔，測量凸臺可穿過該通孔后實現密封片與測量凸臺的底部連接，實現密封。另外，與現有技術中的折射計相同，本實施例中的裝置也包括溫度傳感器40，用于測量被測樣本的溫度。
[0050]另外，再結合圖3-圖5，同現有折射計相同，在本實施例中的裝置中，本體18包括的第二封裝殼體上設置有液晶顯示屏11、測量按鍵12a、校準按鍵12b、刻度轉換按鍵12c。相應的在第二封裝殼體內部設置的處理電路上設置有與上述顯示屏和按鍵對應的控制部分。處理電路設置于主電路板26上,其用于接收光電傳感器36輸出的電信號,控制光源24的開啟和關閉，接收溫度傳感器40輸出的信號等。所述處理電路根據接收到的信號能夠得出被測樣本的折射率。同時，處理電路還包括液晶電路板27，其用于控制液晶顯示屏11的顯示功能，圖4中示出了液晶顯示屏11顯示的三個刻度名稱,分別是刻度名稱a_16a、刻度名稱b-16b，刻度名稱c-16c。
[0051]為實現上述功能，如圖6所示，所述處理電路需要包括電壓轉換電路41、A/D轉換電路41、MCU處理器44等，不過這些均可以采用現有技術中的方案即可，即處理電路對這些信號的處理分析過程，和現有技術中的折射計中的電路部分的處理分析過程相同，此不詳述。
[0052]從圖中可以看出，第二封裝殼體內還包括用于放置電池的電池倉13，圖3中所示的裝置已經裝入了 I節AAA堿性電池29，在電池倉13遠離第一封裝殼體部分，設置有電池正極彈簧探針30，在靠近第一封裝殼體部分設置有電池負極彈簧探針33，在電池正極一端，還設置有相互配合的電池正極導通螺絲31和電池正極導通螺母32。干電池裝入電池倉之后，可以通過扣合電池倉蓋14實現封裝，為了保證密封性能，在電池倉蓋14與電池倉13之間還設置有電池倉密封圈15。
[0053]所述第一封裝殼體和所述第二封裝殼體通過連接環34連接，為了保證可靠性，還可以通過緊固螺絲25對其連接處進一步固定。
[0054]作為優選的實施方式，本實施例中的上述裝置中，所述處理電路中包括藍牙模塊46，所述藍牙模塊46用于實現所述處理電路與其他終端間的數據傳輸。如圖6所示，以外部設備47表示其他終端，為了能夠實現與本實施例中裝置藍牙模塊的配合，在外部設備47中也設置有藍牙裝置48。
[0055]如前邊所描述的，處理電路對光電傳感器、溫度傳感器的數據處理以及對光源的控制，和現有技術中的折射計相同，而圖3-圖6中所示的產品封裝外殼上設置的調試口端蓋28、封裝外殼內的擾光板27、處理電路中的電源部分45等也都不屬于本申請的發明要點，在此不再描述。本實施例中的上述方案，米用了實施例1中的光學系統，光源與光電傳感器在光學棱鏡的同側，光源入射光線的中心方向與光電傳感器檢測的出射光線的中心方向平行，且在同一平面上，因此相對于發散光線的光學系統來說，在進行封裝時可以使用直徑更小的封裝殼體即可將光學系統封裝在內也不會有光線丟失，因此能夠有效縮小產品尺寸，使產品更加小型，攜帶更加方便。并且，由于該裝置具有很小的測量面，不但能夠測量液體的折射率，對于玻璃、透明樹脂或者其他只具有拋光曲面，而非拋光平面，且形狀復雜的物體，均能夠測量其折射率。圖7和圖8分別給出了該裝置用于測量液體折射率和固體折射率時的使用狀態圖。
[0056]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本實用新型創造的保護范圍之中。
【權利要求】
1.一種用于測量折射率的光學系統，其特征在于，包括: 光學棱鏡，其包括第一面、第二面和第三面，所述第三面與所述第二面垂直設置，所述第一面與所述第二面中垂線間的夾角為銳角，且所述第二面上成型有測量凸臺，所述測量凸臺與被測物體接觸； 光源，設置于所述光學棱鏡的一側，且所述光源發出的第一光線通過所述第一面入射至所述光學棱鏡的測量凸臺與被測物體的分界面； 光電傳感器，與所述光源位于所述光學棱鏡的同一側，接收所述第一光線經所述分界面全反射后通過所述第一面出射的第二光線。
2.根據權利要求1所述的用于測量折射率的光學系統，其特征在于，還包括: 物鏡，設置于所述第一面與所述光電傳感器之間的光學路徑上，且所述物鏡與所述光電傳感器之間的距離等于所述物鏡的焦距。
3.根據權利要求2所述的用于測量折射率的光學系統，其特征在于: 所述物鏡的焦距為20-30mm。
4.根據權利要求1所述的用于測量折射率的光學系統，其特征在于，還包括: 光導纖維，其設置于所述第一面與所述光源之間的光學路徑上，用于將所述光源發出的第一光線傳輸至所述第一面。
5.根據權利要求1所述的用于測量折射率的光學系統，其特征在于: 所述第一面與所述第二面中垂線之間的夾角為45度-60度。
6.根據權利要求1所述的用于測量折射率的光學系統，其特征在于: 所述第二面上成型的所述測量凸臺，為直徑在5-6_的圓形凸臺。
7.根據權利要求1所述的用于測量折射率的光學系統，其特征在于: 所述第三面內表面鍍覆有反射膜。
8.一種小型折射率測量裝置，其特征在于，包括權利要求1-7任一所述的用于測量折射率的光學系統和處理電路，所述處理電路用于對光源進行控制并對光電傳感器檢測到的信號進行處理； 所述光學系統和所述處理電路封裝于筆式外殼內，所述筆式外殼的長度為140_180mm,所述筆式外殼包括: 第一封裝殼體，用于所述光學系統的封裝，其長度為30-60mm，寬度為10_18mm，高度為1-1Smm ;所述第一封裝殼體與所述光學系統中測量凸臺相對應的位置設置一進液口，用于被測物體與測量凸臺相接觸； 第二封裝殼體，用于封裝所述處理電路，其長度為100-110mm，寬度為20_25mm，高度為20-25mm,所述第二封裝殼體與所述第一封裝殼體通過連接環套接； 所述第二封裝殼體內還包括用于放置電池的電池倉。
9.根據權利要求8所述的小型折射率測量裝置，其特征在于，所述處理電路中包括藍牙模塊，所述藍牙模塊用于實現所述處理電路與其他終端間的數據傳輸。
【文檔編號】G01N21/41GK204028001SQ201420472561
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月20日 優先權日:2014年8月20日
【發明者】馬玉峰 申請人:北京領航力嘉機電有限公司