專利名稱：水下余弦集光器漫射片浸沒因子測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于海洋光學測量儀器的檢測裝置。
余弦集光器是輻照度傳感器的一個重要部件。水下輻照度傳感器的余弦集光器包括防水玻璃和漫射片。防水玻璃可承受最大測量水深的壓強；漫射片貼在防水玻璃的外邊，直接與水接觸。余弦集光器的作用是使光學傳感器對不同傾角入射輻射的響應最大限度地符合余弦規律。空氣中測量時，余弦集光器內外的介質均為空氣。水中測量時，余弦集光器外部介質是水，而內部介質是空氣。空氣的折射率接近于1，水的折射率約為1.33，與空氣相差30％以上。因此，余弦集光器在水中漫射透射率與在空氣中的不同，稱為浸沒效應，其修正系數稱為浸沒因子。浸沒效應主要來自漫射片。在實際應用時，所有輻照度傳感器的定標和校準都在空氣中進行，在水體中使用的輻照度傳感器，在空氣中定標校準后，必須加以浸沒因子的修正，才能得到在水中測量的合理的結果。Tyler和Smith描述了一種測量水下輻照度余弦集光器浸沒因子的裝置(Tyler J.E.，Smith R.C.，1970，Measurement of Spectral Irradiance Underwater，Gordon & Breach SciencePublichers，New York，103pp.)。所用的測量裝置是把安裝有余弦集光器的輻照度傳感器浸沒在注有清水的箱體中，用一束平行光束照射余弦集光器表面進行測量，然后，改變從集光器表面到水面的距離，以得出當余弦集光器上面的水層趨于零時的響應，把它與該輻照度傳感器置于空氣中的響應相比較，其變化認為是由于水浸沒余弦集光器的表面所引起，從而計算得出輻照度傳感器的浸沒因子。此后，英國Macam公司、Mueller和Austin基本上沿用Tyler和Smith描述的裝置，但改進了入射光束的平行性，并在水箱的底部安裝了去水開關，方便減少水箱中的水量，以改變余弦集光器上表面到水面的距離(Mickleton，CoDurham，UK，1995，Report on Immersion effect Calibration of NewcastleUniversity Macam Spectro-Radiometer，Macam分光輻射計技術資料；MuellerJ.L.，Roswell W.A.，1995，Ocean Optics Protocols for SeaWiFS Validation，Revision 1，Nasa Technical Memorandum 104566，Vol.25，P24-25.)。上述幾種裝置都只能測量垂直入射的或在垂直方向以一定張角入射光線的浸沒因子，而且只能測量余弦集光器的整體效應，不能測量所用漫射片材料在水中的漫射透射率。
本發明的目的是提供一種測量裝置，可以對不同入射方向的光線，準確地測量余弦集光器所用漫射片材料在水中的漫射透射特性，以便對所用漫射片性能進行評價和選擇。同時也能方便地測量水下余弦集光器對不同入射方向光線(包括垂直入射光線)的浸沒因子。
實現本發明目的的測量裝置采用以下技術結構包括一個能盛裝清水的箱體，箱體的上部設有能發出平行光束照射到箱體中的光學接收器的光源，箱體下部設有排水閥，所說的光學接收器為一個裝有多光譜測量通道的積分球，該積分球安裝在一水密外殼之中，積分球的進光窗口與設在水密外殼的上表面處的進光口重合，待測的漫射片裝在水密外殼的進光口處，整個帶積分球的水密外殼安裝在一根可帶動其轉動的水平轉動軸上，水平轉動軸的中心線位于漫射片的上表面處，且在積分球的垂直對稱面上通過。
上述所說的水平轉動軸包括傳動軸和連接軸，傳動軸和連接軸的中心線在同一直線上，積分球的水密外殼安裝在傳動軸和連接軸之間，水平轉動軸的兩端安裝在所說箱體的側壁上，傳動軸的一端延伸到箱體外，通過手柄機構可使軸帶動水密外殼繞水平方向作180°轉動。為達到良好的測量效果，需要調整好積分球在水密外殼中的位置，使積分球的垂直中心位于水密外殼的中心線上，以使其進光窗口與水密外殼的進光口重合。由于水平轉動軸的中心線通過漫射片的表面和積分球的垂直對稱面，這樣，當積分球轉動時，待測的漫射片的上表面始終在入射平行光束的照射范圍內。
為便于裝置有關部件的裝配和調試，積分球的水密外殼兩邊裝有支承軸套，分別與水平轉動軸的傳動軸和連接軸相連，為可拆卸結構。
進行測量工作時，將待測的漫射片材料安裝在積分球的進光窗口處，用O型圈密封，成為水密外殼的一部分，將安裝積分球的水密外殼浸沒在裝有清水的箱體中，通過手柄使水平轉動軸轉動，帶動積分球轉動不同的角度，實現平行光束與漫射面成一定的角度入射。開始時使箱體盡量充滿水，積分球的水密外殼浸沒在水體中，離水面有一段距離。然后在測量時逐步把水放走，以實現漫射片上表面到水面的距離可以改變的目的，并在不同距離處轉動手柄，在不同的傾角處測量讀數，以取得有用的測量數據。在漫射片上表面露出水面后，在漫射片干燥前和干燥后分別對不同傾角測量讀數。
為能隨時準確地檢測水體內光場的狀況，還可以在箱體內安裝光學傳感器，一般安裝兩個互相垂直的光學傳感器，并可改變其水平位置和深度。
為保證箱體能保持在水平位置，以使水平轉動軸與水面平行，可在箱體的底部設置水平調節機構。
本發明把具有更高準確度的積分球測量透射率技術引入到水下光學部件的測量領域，可以更準確地測量所用漫射片的透射性能和浸沒效應。并且設計了積分球可繞水平軸轉動的機構，以測量不同傾角入射的漫射透射率和浸沒因子。由于本發明還設計了使光學接收和測量部件可拆換的結構，因而利用本測量裝置，既可以裝上積分球進行漫射片性能測試，也可以對實際用的輻照度傳感器的余弦集光性進行檢測。總之，本發明可以顯著提高測量水下輻照度傳感器所用余弦集光器及其材料性能的精度，技術先進，功能多樣，使用靈活，是一種新穎的實用裝置。
以下為本發明的圖面說明
圖1為本測量裝置的結構剖視圖；圖2為圖1的B-B向剖視圖；圖3為圖1的A部放大剖面圖；圖4為本測量裝置的光學接收和測量部件的結構剖視圖。
以下根據附圖對本發明實施方式的結構細節作進一步詳細描述如圖1、圖2所示，本測量裝置包括可注裝清水的箱體25，箱體的上部裝有可發出平行光束的光源，箱體底部設有排水閥26，經該排水閥可把箱體25中的水排出箱外，使箱體的水位發生變化，箱體中設有標尺13，以指示水位變化的情況。在箱體中有一根由傳動軸5和連接軸27構成的水平轉動軸，傳動軸5和連接軸27安裝在箱體的壁上，分別和積分球的水密外殼6的兩個支承軸套40連結，且用圓錐銷39定位，為可拆卸替換的結構(如圖4所示)。傳動軸5和連接軸27的中心線是在同一直線上，位于漫射片46的上表面，與水平面平行，且通過積分球32的垂直對稱面。傳動軸5的一端延伸出箱體25壁外，通過轉動手柄機構4可使傳動軸5轉動，轉動的角度由刻度盤24顯示，其具體結構見圖3(圖1的A向放大剖面圖)。圖中，22是動密封的O型圈，防止箱內的水向外滲漏，23是刻度盤座，19是鎖緊圓螺母，20是平鍵，21是鎖緊螺釘，把傳動軸5固定在所需的轉動角度處，以便進行測量。
發出平行光束的光源是平行光管11。平行光管11套裝在平行光管座9上，平行光管應定位好，使積分球的水密外殼處于水平位置時，平行光束能充滿水密外殼6的進光口處。平行光管有兩個調節螺釘10可微調平行光管的水平位置并加以固定。調節螺釘12可調整平行光管的傾角，使平行光束垂直于水平面。調節后，用平行光管鎖緊螺釘8固定在安裝架7上。安裝架7和箱體25之間的距離為3-50cm，一方面使平行光束的截面充滿積分球的水密外殼的進光口，另一方面供調整平行光管時觀察光斑位置用。
箱體25的三個腳座分別壓在三個水平調整機構1上，每個水平調整機構1由兩塊斜面調整塊組成，用以調整箱體25的水平面。
在箱體內還有光學傳感器18，它由兩個互相垂直的光電元件安裝在一個曲型水密個殼內組成。光電元件的前面是水密玻璃，可以接收箱體25中水體的光輻射，用以監測水體的空間光場。光學傳感器18通過升降搖臂14、滑輪15和垂直滑動導軌16，可以在水體中上下移動，又可以沿水平移動桿17沿箱體徑向方向移動。這套監測水體光場系統可以評估水體光場對測量結果的影響。
積分球32在水密外殼6內安裝結構如圖4所示。積分球32外殼通過沉頭螺釘34連接在連接板36上，連接板36通過兩個定位銷35和兩個螺釘37固定在固定板38上，固定板38及其支柱則焊接在水密外殼側板28的內壁上。積分球垂直中心線的下端有一定位凹穴，安裝時把該凹穴定在調節螺母31上部的圓形頭上，調節螺母31的調節螺桿30焊接在水密外殼6的底板29上，使積分球32的垂直中心準確定位在水密外殼6的中心線上，其進光窗口與水密外殼6的進光口重合。然后，調整橫向調節螺母53(有3個)，把積分球32定位鎖緊。橫向調節螺母53的調節螺桿54焊接在水密外殼6的內壁上。
積分球32的壁上裝有多個鏡筒狀光學接收器50，每個光學接收器50由不同光譜段的干涉濾光片52和光電元件51組成，用壓板49壓緊在鏡筒50內。各個光學接收器的電訊號線匯集在一起，經電纜55通過水密槽56和箱體25的水密出口孔3引到箱體外面的測量設備58處。水密槽56用密封膠57密封。水密出口孔3用密封膠2密封。
水密外殼6的上蓋44通過螺釘41與水密外殼6的法蘭盤43相連，并有密封膠墊42實現水密。上蓋44的中央有凸臺47，開一個直徑為D的圓孔，形成進光口，D的大小與待測漫射片46以及入射平行光束的直徑相配。漫射片46放置在凸臺47內壁的凸緣處，擰緊螺紋蓋48并通過O型圈45實現水密封。
使用本測量裝置測量漫射片的浸沒因子時，將待測漫射片46裝在水密外殼6的上蓋進光口處，然后向箱體內注水，即可進行測量，在測量時逐步把水放走，以改變漫射片上表面到水面的距離，并在不同距離處轉動手柄機構4，在不同的傾角處測量讀數。
因帶積分球32的水密外殼6與水平轉動軸之間為可拆卸替換的結構，還可把帶有積分球32的水密外殼6整套從水平轉動軸上卸下，換上與實際使用的輻照度傳感器相同的裝置進行測量。
權利要求
1.一種水下輻照度余弦集光器漫射片材料性能測量裝置，包括一個能盛裝清水的箱體(25)，箱體的上部設有能發出平行光束照射到箱體中的光學接收器的光源，箱體下部設有排水閥，其特征在于所說的光學接收器為一個裝有多光譜測量通道的積分球(32)，該積分球安裝在一水密外殼(6)之中，積分球的進光窗口與設在水密外殼的上表面處的進光口重合，待測的漫射片(46)裝在水密外殼的進光口處，整個帶積分球的水密外殼安裝在一根可帶動其轉動的水平轉動軸上，該水平轉動軸的中心線位于漫射片的上表面處，且在積分球的垂直對稱面上通過。
2.根據權利要求1所述的測量裝置，其特征在于所說的水平轉動軸包括傳動軸(5)和連接軸(27)，傳動軸和連接軸的中心線在同一直線上，積分球的水密外殼(6)安裝在傳動軸和連接軸之間，水平轉動軸的兩端安裝在所說箱體的側壁上，傳動軸(5)的一端延伸到箱體外，通過手柄機構(4)可使軸帶動水密外殼繞水平方向作180°轉動。
3.根據權利要求2所述的測量裝置，其特征在于所說的積分球的水密外殼(6)兩邊裝有支承軸套(40)，分別與水平轉動軸的傳動軸(5)和連接軸(27)相連，為可拆卸結構。
4.根據權利要求1所述的測量裝置，其特征在于所說的箱體(25)內安裝有可調節深度和水平距離的光學傳感器(18)。
5.根據權利要求1所述的測量裝置，其特征在于所說的箱體(25)的底部裝有水平調整機構。
全文摘要
一種水下余弦集光器漫射片浸沒因子測量裝置,本發明設計了一種帶積分球的測量裝置,把帶積分球的水密外殼安裝在一個可注裝清水的箱體中,積分球可繞水平轉動軸轉動,積分球上裝有分立多光譜通道,將待測的漫射片安裝在進光窗口處,從而可以測量光輻射在不同入射角時的余弦集光器漫射片材料的浸沒效應等光學性能。本發明還可以用與實際水下輻照度傳感器同樣的接收器替換積分球進行測量,具有技術先進性和靈活性。
文檔編號G01N21/00GK1271855SQ99116158
公開日2000年11月1日 申請日期1999年4月27日 優先權日1999年4月27日
發明者鐘其英, 曹文熙, 鄧崇仁, 吳廷芳, 陳維鈞, 盧桂新 申請人:中國科學院南海海洋研究所