一种测量高折射率玻璃微珠折射率的装置及方法

专利名称：一种测量高折射率玻璃微珠折射率的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种测量高折射率玻璃微珠折射率的装置及方法，属于测量技术领域。
背景技术：
随着我国公路建设的快速发展，与道路逆反射材料配合使用的玻璃珠的用量迅速增加。玻璃珠在反光膜、反光油墨、反光标线、反光布、反光革、反光织带、反光安全性丝织物等交通安全产品和设施中正发挥着越来越重要的作用。玻璃珠是一种硅酸盐材料，具有良好的化学稳定性、机械强度和电绝缘性，最独特的特性是对光具有回归反射特性。利用玻璃珠回归反射特性的材料使用的玻璃珠基本上均为玻璃微珠。玻璃微珠有实心、空心、多孔玻璃微珠之分，直径0. 8mm-5mm的玻璃微珠称为大珠(或细珠)，0. 8mm以下的称为微珠。目前，道路逆反射材料普遍使用的玻璃微珠是实心微珠，通过其对光线的回归反射特性，保证了逆反射材料类交通安全产品和设施的可见性， 从而起到了保护道路使用者安全的作用。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应用在逆反射特性要求相对不高的材料，如反光标线，而高折射率玻璃微珠则应用在要求具有高的回归反射特性的材料，如反光膜中。两类玻璃微珠的制造工艺已经趋于成熟，市场上可购买到不同折射率的玻璃微珠，而且许多新型玻璃微珠，如镀膜玻璃微珠和雨夜反光玻璃微珠不断地被研发生产出来，国内许多玻璃微珠厂生产的玻璃微珠性能非常优越，而且远销国外，在保证道路逆反射材料的可视性中发挥着重要的作用。道路逆反射材料用玻璃微珠测试技术中最关键的项目是折射率的测试。玻璃材料折射率的直接精确测量，大都是基于棱镜的最小偏转角法或全反射临界角法进行的，被测样品必须制成一定大小的精密棱镜才能进行测量。对于不便于制作成精密棱镜的颗粒材料，浸液法是最为常用的折射率测量方法，其对低折射率玻璃微珠是行之有效的，但对高折射率玻璃微珠，由于浸液法所需的高折射率匹配液体都有毒性，给测量带来很大的不便。 对于高折射率玻璃微珠，通过制作棱镜的方法测量其折射率既费时又不能直接反映实际情况，由于成珠环境条件不同，实际微珠的折射率往往与用同样材料溶成块料的折射率有差异。国内外许多机构在高折射率玻璃微珠的测试方面均进行了卓有成效的研究，取得了一些研究成果，目前可采用彩虹法、干涉-剪像法、固体介质熔融比较法等一些方法，其中彩虹法是最为有效的方法。专利CN 2581980Y公开了一种激光照明玻璃微珠折射率测量的装置，该装置主要由He-Ne激光器、正透镜、载玻片及接收屏等组成，依据玻璃微珠在平行光照明下所产生的彩虹现象来进行折射率的测量。该装置的主要特征是采用平行激光使用长焦距正透镜使激光会聚后直接照射到吸附在载玻片上的单个玻璃微珠整体上，并利用五维可调节支架支撑长焦距正透镜和载玻片获取玻璃微珠被照明的最佳位置。该测量装置存在的主要缺陷是(1)由于玻璃微珠通过吸附作用吸附于载玻片上，支撑载玻片的五维可调节支架在调节过程中容易造成玻璃微珠脱落，不能进行连续多次测量，以实现统计分析；(2)激光与玻璃微珠的对准通过五维可调节支架分别调整长焦距正透镜和载玻片来实现，调准误差增加了测量误差；C3)无法保存形成的彩虹环和相关参数，不能实现测试数据的统计分析。

发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种测量高折射率玻璃微珠折射率的装置及方法。 所述装置克服了现有技术测量玻璃微珠折射率的缺陷，利用玻璃微珠在激光照明下产生的二次彩虹现象，测出多个玻璃微珠的最小偏向角后，根据相关计算公式从而统计得出被测量玻璃微珠的折射率。为实现本发明的目的，本发明提供了一种测量高折射率玻璃微珠折射率的装置， 主要包括激光器1、透镜3、光阑5、X、Y平移结构7、载玻片8、玻璃微珠9、接收屏10、摄像头11、升降装置、读数器13、采集卡15，所述摄像头11安装在升降装置上；摄像头11的下方安装所述接收屏10 ；读数器13安装在升降装置的移动台上，用于读取玻璃微珠9到接收屏 10之间的距离；在接收屏10的下方有用于放置载玻片8的载物台；载物台安装在Χ、Υ平移结构7的移动平台上；激光器1的出射光经透镜3、光阑5从载物台的下方向上穿过载物台上的光孔照射到玻璃微珠9上，在接收屏10上形成二次彩虹图像，测量该二次彩虹图像的半径，通过所述玻璃微珠9到接收屏10之间的距离和该半径计算所述高折射率玻璃微珠折射率。优选地，在载玻片8上一次放置有多个玻璃微珠9，在测试完一个玻璃微珠9后，通过调节Χ、Υ平移结构7和升降装置，继续下一个玻璃微珠9的测量，直到完成对多个玻璃微珠9的测量，然后统计分析所述多个玻璃微珠9的测量结果；优选地，所述多个玻璃微珠为 200个以上。优选地，所述装置还包括第一反射镜2、第二反射镜4、第三反射镜6，激光器1的光路前方依次安装第一反射镜2、所述透镜3、第二反射镜4、所述光阑5和第三反射镜6，激光器1发出的激光，被第一反射镜2反射经过透镜3，透射光经第二反射镜4反射，通过光阑5 的光束再经第三反射镜6反射，光束垂直向上后透过载物台上载玻片8，使光束射到玻璃微珠9上。优选地，所述升降装置包括三角架14，升降台，所述三脚架连接有所述升降台，在所述升降台上安装有所述摄像头11 ；优选地，所述升降装置还包括升降旋钮12，通过调节该升降旋钮12来调节升降台的高度；优选地，在所述升降台的下部安装所述接收屏10 ；优选地，所述X、Y平移结构7包括螺旋机构或者齿轮齿条机构。优选地，将测量到的玻璃微珠9到接收屏10之间的距离和摄像头11拍摄下来的二次彩虹图像传输到采集卡15 ；优选地，所述采集卡15上的数据通过计算机进行分析。本发明还提供一种测量高折射率玻璃微珠折射率的方法，其特征在于激光器发出激光，经过透镜，透射光经过光阑的光束垂直向上后透过载物台上载玻片，利用X、Y平移结构调节载玻片上的玻璃微珠，使光束照射到玻璃微珠上，从而会在接收屏上得到二次彩虹图像；测量玻璃微珠到接收屏之间的距离(S)，采集所述二次彩虹环半径(r)，从而计算出待测玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角，结合该最小偏向角和玻璃微珠的内反射次数来确定玻璃微珠的折射率。优选地，在测试完一个玻璃微珠后，通过调节X、Y平移结构和升降装置，继续下一个玻璃微珠的测量，直到完成对多个玻璃微珠的测量，然后统计分析所述多个玻璃微珠的
测量结果。优选地，激光器发出的激光，被第一反射镜反射经过透镜，透射光经第二反射镜反射，通过光阑的光束再经第三反射镜反射，光束垂直向上后透过载物台上载玻片，利用X、Y 平移结构调节载玻片上的玻璃微珠，使光束射到玻璃微珠上，从而在接收屏上得到二次彩虹图像；优选地，所述计算玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角的方法如下玻璃微珠到接收屏之间的距离为s，彩虹环半径为r，用下面的算式(3)计算出待测玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角9min。
权利要求
1.一种测量高折射率玻璃微珠折射率的装置，主要包括激光器(1)、透镜(3)、光阑(5)、X、Y平移结构(7)、载玻片(8)、玻璃微珠(9)、接收屏(10)、摄像头(11)、升降装置、读数器(13)、采集卡(15)，所述摄像头(11)安装在升降装置上；摄像头(11)的下方安装所述接收屏(10)；读数器(13)安装在升降装置的移动台上，用于读取玻璃微珠(9)到接收屏 (10)之间的距离；在接收屏(10)的下方有用于放置载玻片⑶的载物台；载物台安装在X、 Y平移结构(7)的移动平台上；激光器(1)的出射光经透镜(3)、光阑(5)从载物台的下方向上穿过载物台上的光孔照射到玻璃微珠(9)上，在接收屏(10)上形成二次彩虹图像，测量该二次彩虹图像的半径，通过所述玻璃微珠(9)到接收屏(10)之间的距离和该半径计算所述高折射率玻璃微珠折射率。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于在载玻片(8)上一次放置有多个玻璃微珠(9)，在测试完一个玻璃微珠(9)后，通过调节X、Y平移结构(7)和升降装置，继续下一个玻璃微珠(9)的测量，直到完成对多个玻璃微珠(9)的测量，然后统计分析所述多个玻璃微珠(9)的测量结果；优选地，所述多个玻璃微珠为200个以上。
3.根据上述任一权利要求所述的装置，其特征在于还包括第一反射镜O)、第二反射镜G)、第三反射镜(6)，激光器(1)的光路前方依次安装第一反射镜O)、所述透镜(3)、第二反射镜G)、所述光阑(5)和第三反射镜(6)，激光器(1)发出的激光，被第一反射镜(2) 反射经过透镜(3)，透射光经第二反射镜(4)反射，通过光阑(5)的光束再经第三反射镜(6)反射，光束垂直向上后透过载物台上载玻片(8)，使光束射到玻璃微珠(9)上。
4.根据上述任一权利要求所述的装置，其特征在于所述升降装置包括三角架(14)， 升降台，所述三脚架(14)连接有所述升降台，在所述升降台上安装有所述摄像头(11)；优选地，所述升降装置还包括升降旋钮(12)，通过调节该升降旋钮(1 来调节升降台的高度；优选地，在所述升降台的下部安装所述接收屏(10)；优选地，所述X、Y平移结构(7)包括螺旋机构或者齿轮齿条机构。
5.根据上述任一权利要求所述的装置，其特征在于将测量到的玻璃微珠(9)到接收屏(10)之间的距离和摄像头(11)拍摄下来的二次彩虹图像传输到采集卡(1 ；优选地， 所述采集卡(1 上的数据通过计算机进行分析。
6.一种利用权利要求1-5任一项所述的装置测量高折射率玻璃微珠折射率的方法，其特征在于激光器发出激光，经过透镜，透射光经过光阑的光束垂直向上后透过载物台上载玻片， 利用X、Y平移结构调节载玻片上的玻璃微珠，使光束照射到玻璃微珠上，从而会在接收屏上得到二次彩虹图像；测量玻璃微珠到接收屏之间的距离(s)，采集所述二次彩虹环半径 (r)，从而计算出待测玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角，结合该最小偏向角和玻璃微珠的内反射次数来确定玻璃微珠的折射率。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于在测试完一个玻璃微珠后，通过调节X、Y 平移结构和升降装置，继续下一个玻璃微珠的测量，直到完成对多个玻璃微珠的测量，然后统计分析所述多个玻璃微珠的测量结果。
8.根据权利要求6-7任一所述的方法，其特征在于激光器发出的激光，被第一反射镜反射经过透镜，透射光经第二反射镜反射，通过光阑的光束再经第三反射镜反射，光束垂直向上后透过载物台上载玻片，利用X、Y平移结构调节载玻片上的玻璃微珠，使光束射到玻璃微珠上，从而在接收屏上得到二次彩虹图像；优选地，所述计算玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角的方法如下玻璃微珠到接收屏之间的距离为s，彩虹环半径为r，用下面的算式C3)计算出待测玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角9min。Q mm=tg \ (r— )(3)Λ "
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于确定玻璃微珠的折射率的方法如下 入射角i、折射角ζ的光线在折射率为η的玻璃微珠内经过k次内反射后，偏向角θ可以表示为θ = kJi +2i-2z(k+l) (1)i与ζ之间满足Snell定理sini = nsinz，代入(1)式可得到最小偏向角θ min与玻璃微珠折射率η及内反射次数k的关系0m=kn+ Iarcsm V / -2(MJarcsiri- Y "丄;)⑵y k(k-s(-2)ηy Kfk-iT^)(2)式表明，最小偏向角θ min大小只与玻璃微珠折射率n和内反射次数k有关，当确定了内反射次数k，将所述emin代入( 式即可确定玻璃微珠的折射率；优选地，取k = 2。
10.根据权利要求6-9任一所述的方法，其特征在于其中在接收屏上得到二次彩虹图像的步骤为旋转固定在三脚架上的升降旋钮，使观察到的二次彩虹图像达到要求，从而摄像头拍摄到适当大小而又清晰的二次彩虹图像；优选地，其中测量玻璃微珠到接收屏之间的距离S的步骤为使用读数器，读数器上显示玻璃微珠到接收屏之间的距离S。
全文摘要
一种测量高折射率玻璃微珠折射率的装置及方法，摄像头11安装在升降装置上；摄像头11的下方安装接收屏10；读数器13安装在升降装置的移动台上，用于读取玻璃微珠9到接收屏10之间的距离；在接收屏10的下方有用于放置载玻片8的载物台；载物台安装在X、Y平移结构7的移动平台上；激光器1的出射光经透镜3、光阑5从载物台的下方向上穿过载物台上的光孔照射到玻璃微珠9上，在接收屏10上形成二次彩虹图像，测量该二次彩虹图像的半径，通过所述玻璃微珠9到接收屏10之间的距离和该半径计算所述高折射率玻璃微珠折射率。
文档编号G01N21/01GK102175646SQ20111005216
公开日2011年9月7日 申请日期2011年3月4日 优先权日2010年12月15日
发明者刘恒权, 包左军, 吕虎, 张智勇, 李丹, 李大海, 王玮, 王琼华, 苏文英, 薄健康, 郭东华, 陆宇红, 马学锋, 马骏 申请人:交通运输部公路科学研究所, 四川大学