专利名称：置有多焦距漫反射聚光镜的在线式实时分析仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光电检测分析仪，具体说涉及一种置有漫反射聚光镜的过程自动控制仪表。
背景技术：
工业化生产中，为了提高产品质量，降低能源消耗，保护环境，提高经济效益，通常在生产过程中对被测物中的某些成分含量进行在线监测和控制。例如在冶炼工业中原料的主要成分及水分含量的监测；食品、固体饮料等工业生产中原料、中间品和最终产品中不同状态脂肪、糖分、蛋白质及水分的含量的监测。这些监测的实现有很大一部分都采用光学检测方式，而这些方式的实现要突破传统实验室产品设计理念，与在线检测的特点相结合，设计出适用于在线实时测量的检测仪表。
工业在线检测的困难在于现场环境较为复杂，其技术难度远远超出实验室环境。为满足在线监测的需要，必须结合实际情况具体设计。例如通过光学检测手段对传送带上固态物料表面的成分分析时，以往的很多在线分析仪器检测结果都受检测物料表面与仪器距离的影响。究其主要原因在于检测物与仪器距离变化时，进入光电探测器的光信号强度也随之变化很大，如球面聚光镜的仪器光信号的最
大值与最小值之比大于io。通常情况下光电探测器都有一定的线性区间，当光信
号强度变化较大时，光电探测器的电信号转化存在非线性效应，因而影响了最终结果的准确性。针对此类问题有很多人都是对电路进行改进，通过电路的补偿或是后续算法中对此进行修正，虽然此种方法能在最大程度上消除对测量结果的影响，但是也存在很大问题，包括设计难度大、开发周期长、需多次试验测试、开发费用大、风险极高，有很多厂商的产品最终也达不到预期效果。本发明的主要目的就是设计出一种易于实现的光学反光镜头，解决检测物料表面与仪器距离变化时而光强随之变化较大所带来的一系列的问题。该镜头可以实现检测物料表面与仪器距离变化较大时，而通过此反射镜头收集的光信号强度变化较小，取保其变化强度在光电探测器检测的近似线性区间内。
发明内容
针对传送带上物料表面漫反射光实时采集时，物料表面与检测仪器的距离动态变化而引起采集光强的大范围变化问题，本发明所采取的方法是采用一种能固定变焦的多焦距漫反射聚光镜，自动消除光强大范围内变化对光电探测器能量非线性在计算中影响。
解决上述技术问题所采取的具体技术方案是 一种置有多焦距漫反射聚光镜的在线式实时分析仪器，包括光源、光电探测器，其特征是在在线式实时分析仪器中光电探测器上方安装一种多焦距漫反射聚光镜，多焦距漫反射聚光镜是由多个同轴表面连续但曲率不连续的环面组成；多焦距漫反射聚光镜的每个环面的焦距都不同，环面的大小由漫反射的立体角按余弦积分等比分配决定。
本发明的有益效果
由于本实用新型采用多焦距漫反射聚光镜，经由多焦距漫反射聚光镜汇聚的光投射在光电探测器上的光强变化范围较小，光信号的最大值与最小值之比小于
2，而相同情况下，已有的球面聚光镜的仪器光信号的最大值与最小值之比大于IO。此镜头的应用有利于光电探测器光电信号转换，在动态测量过程中漫反射聚光镜收集漫反射光时，可以有效解决光强大范围变化对光电探测器能量非线性在计算中的影响问题。
本实用新型的多焦距漫反射聚光镜的每个环面都是同轴回转面，易于加工，制造成本低，即适合单件试验生产，也可批量化模具铸造。整机结构装配简单，有效降低整机复杂系数，便于各部分分工设计协作完成。
图l是本发明的试验装置结构示意图。 图2是多焦距漫反射聚光镜光路示意图。 图3是多焦距漫反射聚光镜局部剖面示意图。
具体实施例方式
参照说明书附图具体说明本发明的具体实施方法。
图l是本发明的试验方法示意图，在在线式实时分析仪器试验中，装有光源l 和光电探测器2，光电探测器2上方置有由多个同轴环面组成的多焦距漫反射聚光 镜3,试验仪器下部放有被测物料4。
多焦距漫反射聚光镜3的每个环面的焦距都不同，环面连续但曲率半径不连 续，环面的大小由漫反射的立体角按余弦积分等比分配决定。光源l发出的光束照 射在被测物料4表面，当检测物料4表面与多焦距漫反射聚光镜距离3动态变化时， 经由多焦距漫反射聚光镜3汇聚的光投射在光电探测器2上的光强变化范围很小， 达到消除动态测量时，光电探测器光强能量非线性响应对于计算影响的问题。
图2是多焦距漫反射聚光镜光路示意图，在有效范围内，多焦距漫反射聚光镜 3汇聚检测物料4表面的漫反射光在光电探测器2处，接收到的光强动态变化范围很 小。
图3是多焦距漫反射聚光镜3局部剖面示意图，显示了多焦距漫反射聚光镜3第
i环的位置的设计方法。图中^M是多焦距漫反射聚光镜3第l环下边缘到探测器中心
连线与水平面所成的角,伤是多焦距漫反射聚光镜3第/环上边缘到探测器中心连线 与水平面所成的角，/,是多焦距漫反射聚光镜3第f环到检测物料4第f检测位置的距 离，//是多焦距漫反射聚光镜3第杯到探测器中心的距离，多焦距漫反射聚光镜3 第,'环曲线方程为
(y-/,/2)2/oW=l
起点为(;cw, w)，终点为(;c,, 乂)(/w-//)/(W-i)=《 (/r/o)'( "-l)/(fl戶A/
伤满足如下关系
(sinft+j- sin^) / (sinA- sin^》二《 (si逃-s线) (g M) / (《-l)=Asin6>
其中g为相邻俩环物距差的比值，取值范围为《>1，当q二V^时为最佳值；《 为组成多焦距漫反射聚光镜3环面的个数，/取值从1至《， 一般情况取到10即可满
足要求；(X()J())、 A)、 △/、及A0取值根据仪器实际尺寸确定，设计时应首先根据 总体设计要求初步确定多焦距漫反射聚光镜3的直径、光电探测器2直径，及二者 在z轴方向距离，然后再确定具体设计参数/及^。在确定以上环面的剖面线确定后， 将此曲线飯轴旋转一周所得的凹面即为多焦距漫反射聚光镜3的内表面。多焦距 漫反射聚光镜3可实现对一定距离的检测物料4表面的光收集，并且投射到探测器 的光信号强度受距离的影响较小，对光电探测器2的光电转换及为有利。
下面以具体实例予以说明，漫反射聚光镜直径100ram，距离光电探测器40mm，即
Oco^o)为(50，40)， /o为300mm, A/为200mm， A6为36.34。 ， / 为10，《为V^，具 体参数见下表
X/(mm))6加m)
0300.00050. 00040. 00038.660
1302.67249.65140. 20038.995203.844138.030
2306. 45249. 15540. 48039. 472205.166138. 530
3311.79648. 44940. 87340.152207. 037139. 234
4319. 35547.43941.42241.126209.684140. 226
5330. 04445. 99142. 18542. 528213.430141.618
6345.16143. 89543.23744. 567218. 734143. 569
7366. 54040. 82244. 67547. 580226. 242146. 293
8396. 77436. 19946. 61352.167236. 877150.076
9439. 53228. 82049.17659.628251. 940155. 294
10500. 00014. 06452. 48675. 000273.278162. 431
将多焦距漫反射聚光镜置换成凹球面反光镜，焦距46.7土0.5mra，直径100mm,像距50mm， /为光电探测器2与被测物料4表面的距离，其余情况相同条件下进行测 试。下面是试验对比数据
1 (—Vo(多焦)Vo(单焦)
3001.001.00
3030. 950. 76
3060. 890. 57
3120. 840. 43
3190. 800. 33
3300. 750. 26
3450. 720. 20
3670. 680.15
3970. 650.12
4400.610. 09
5000. 570. 07
多焦距漫反射聚光镜3光信号的最大值在距离光电探测器2的300ram处，最小值 在距离光电探测器2的500ram处，光信号的最大值与最小值之比小于2。基于相似情 况下球面聚光镜的仪器，光信号的最大值与最小值之比大于IO，相比之下多焦距 漫反射聚光镜3的应用对光电探测器2的光电信号转换极为有利，整机仪器的检测 精度也大为提高。
权利要求
1、一种置有多焦距漫反射聚光镜的在线式实时分析仪器，包括光源、光电探测器，其特征是在在线式实时分析仪器中光电探测器上方安装一种多焦距漫反射聚光镜，多焦距漫反射聚光镜是由多个同轴表面连续但曲率不连续的环面组成；多焦距漫反射聚光镜的每个环面的焦距都不同，环面的大小由漫反射的立体角按余弦积分等比分配决定。
全文摘要
本发明一种置有多焦距漫反射聚光镜的在线式实时分析仪器，在在线式实时分析仪器中安装一种多焦距漫反射聚光镜，多焦距漫反射聚光镜是由多个同轴表面连续但曲率不连续的环面组成。经由多焦距漫反射聚光镜汇聚的光投射在光电探测器上的光强变化范围较小，光信号的最大值与最小值之比小于2，而已有的球面聚光镜的仪器光信号的比值大于10。在动态测量过程中漫反射聚光镜收集漫反射光时，可以有效解决光强大范围变化对光电探测器能量非线性在计算中的影响问题。本发明的多焦距漫反射聚光镜的每个环面都是同轴回转面，易于加工，制造成本低，即适合单件试验生产，也可批量化模具铸造。整机结构装配简单，有效降低整机复杂系数。
文档编号G01N21/01GK101672766SQ200910187800
公开日2010年3月17日 申请日期2009年10月10日 优先权日2009年10月10日
发明者超 佟, 辉 刘, 刘小玲, 尹德有, 建 张, 张尧东, 辉 李, 李明东, 洋 许, 龙 赵, 龚亚林 申请人:丹东东方测控技术有限公司