專利名稱：一種測量高折射率玻璃微珠折射率的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量高折射率玻璃微珠折射率的裝置及方法，屬于測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著我國公路建設(shè)的快速發(fā)展，與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、反光標(biāo)線、反光布、反光革、反光織帶、反光安全性絲織物等交通安全產(chǎn)品和設(shè)施中正發(fā)揮著越來越重要的作用。玻璃珠是一種硅酸鹽材料，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和電絕緣性，最獨(dú)特的特性是對光具有回歸反射特性。利用玻璃珠回歸反射特性的材料使用的玻璃珠基本上均為玻璃微珠。玻璃微珠有實(shí)心、空心、多孔玻璃微珠之分，直徑0. 8mm-5mm的玻璃微珠稱為大珠(或細(xì)珠)，0. 8mm以下的稱為微珠。目前，道路逆反射材料普遍使用的玻璃微珠是實(shí)心微珠，通過其對光線的回歸反射特性，保證了逆反射材料類交通安全產(chǎn)品和設(shè)施的可見性， 從而起到了保護(hù)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應(yīng)用在逆反射特性要求相對不高的材料，如反光標(biāo)線，而高折射率玻璃微珠則應(yīng)用在要求具有高的回歸反射特性的材料，如反光膜中。兩類玻璃微珠的制造工藝已經(jīng)趨于成熟，市場上可購買到不同折射率的玻璃微珠，而且許多新型玻璃微珠，如鍍膜玻璃微珠和雨夜反光玻璃微珠不斷地被研發(fā)生產(chǎn)出來，國內(nèi)許多玻璃微珠廠生產(chǎn)的玻璃微珠性能非常優(yōu)越，而且遠(yuǎn)銷國外，在保證道路逆反射材料的可視性中發(fā)揮著重要的作用。道路逆反射材料用玻璃微珠測試技術(shù)中最關(guān)鍵的項(xiàng)目是折射率的測試。玻璃材料折射率的直接精確測量，大都是基于棱鏡的最小偏轉(zhuǎn)角法或全反射臨界角法進(jìn)行的，被測樣品必須制成一定大小的精密棱鏡才能進(jìn)行測量。對于不便于制作成精密棱鏡的顆粒材料，浸液法是最為常用的折射率測量方法，其對低折射率玻璃微珠是行之有效的，但對高折射率玻璃微珠，由于浸液法所需的高折射率匹配液體都有毒性，給測量帶來很大的不便。 對于高折射率玻璃微珠，通過制作棱鏡的方法測量其折射率既費(fèi)時(shí)又不能直接反映實(shí)際情況，由于成珠環(huán)境條件不同，實(shí)際微珠的折射率往往與用同樣材料溶成塊料的折射率有差異。國內(nèi)外許多機(jī)構(gòu)在高折射率玻璃微珠的測試方面均進(jìn)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、固體介質(zhì)熔融比較法等一些方法，其中彩虹法是最為有效的方法。專利CN 2581980Y公開了一種激光照明玻璃微珠折射率測量的裝置，該裝置主要由He-Ne激光器、正透鏡、載玻片及接收屏等組成，依據(jù)玻璃微珠在平行光照明下所產(chǎn)生的彩虹現(xiàn)象來進(jìn)行折射率的測量。該裝置的主要特征是采用平行激光使用長焦距正透鏡使激光會(huì)聚后直接照射到吸附在載玻片上的單個(gè)玻璃微珠整體上，并利用五維可調(diào)節(jié)支架支撐長焦距正透鏡和載玻片獲取玻璃微珠被照明的最佳位置。該測量裝置存在的主要缺陷是(1)由于玻璃微珠通過吸附作用吸附于載玻片上，支撐載玻片的五維可調(diào)節(jié)支架在調(diào)節(jié)過程中容易造成玻璃微珠脫落，不能進(jìn)行連續(xù)多次測量，以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析；(2)激光與玻璃微珠的對準(zhǔn)通過五維可調(diào)節(jié)支架分別調(diào)整長焦距正透鏡和載玻片來實(shí)現(xiàn)，調(diào)準(zhǔn)誤差增加了測量誤差；C3)無法保存形成的彩虹環(huán)和相關(guān)參數(shù)，不能實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題，本發(fā)明提供了一種測量高折射率玻璃微珠折射率的裝置及方法。 所述裝置克服了現(xiàn)有技術(shù)測量玻璃微珠折射率的缺陷，利用玻璃微珠在激光照明下產(chǎn)生的二次彩虹現(xiàn)象，測出多個(gè)玻璃微珠的最小偏向角后，根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式從而統(tǒng)計(jì)得出被測量玻璃微珠的折射率。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供了一種測量高折射率玻璃微珠折射率的裝置， 主要包括激光器1、透鏡3、光闌5、X、Y平移結(jié)構(gòu)7、載玻片8、玻璃微珠9、接收屏10、攝像頭11、升降裝置、讀數(shù)器13、采集卡15，所述攝像頭11安裝在升降裝置上；攝像頭11的下方安裝所述接收屏10 ；讀數(shù)器13安裝在升降裝置的移動(dòng)臺(tái)上，用于讀取玻璃微珠9到接收屏 10之間的距離；在接收屏10的下方有用于放置載玻片8的載物臺(tái)；載物臺(tái)安裝在Χ、Υ平移結(jié)構(gòu)7的移動(dòng)平臺(tái)上；激光器1的出射光經(jīng)透鏡3、光闌5從載物臺(tái)的下方向上穿過載物臺(tái)上的光孔照射到玻璃微珠9上，在接收屏10上形成二次彩虹圖像，測量該二次彩虹圖像的半徑，通過所述玻璃微珠9到接收屏10之間的距離和該半徑計(jì)算所述高折射率玻璃微珠折射率。優(yōu)選地，在載玻片8上一次放置有多個(gè)玻璃微珠9，在測試完一個(gè)玻璃微珠9后，通過調(diào)節(jié)Χ、Υ平移結(jié)構(gòu)7和升降裝置，繼續(xù)下一個(gè)玻璃微珠9的測量，直到完成對多個(gè)玻璃微珠9的測量，然后統(tǒng)計(jì)分析所述多個(gè)玻璃微珠9的測量結(jié)果；優(yōu)選地，所述多個(gè)玻璃微珠為 200個(gè)以上。優(yōu)選地，所述裝置還包括第一反射鏡2、第二反射鏡4、第三反射鏡6，激光器1的光路前方依次安裝第一反射鏡2、所述透鏡3、第二反射鏡4、所述光闌5和第三反射鏡6，激光器1發(fā)出的激光，被第一反射鏡2反射經(jīng)過透鏡3，透射光經(jīng)第二反射鏡4反射，通過光闌5 的光束再經(jīng)第三反射鏡6反射，光束垂直向上后透過載物臺(tái)上載玻片8，使光束射到玻璃微珠9上。優(yōu)選地，所述升降裝置包括三角架14，升降臺(tái)，所述三腳架連接有所述升降臺(tái)，在所述升降臺(tái)上安裝有所述攝像頭11 ；優(yōu)選地，所述升降裝置還包括升降旋鈕12，通過調(diào)節(jié)該升降旋鈕12來調(diào)節(jié)升降臺(tái)的高度；優(yōu)選地，在所述升降臺(tái)的下部安裝所述接收屏10 ；優(yōu)選地，所述X、Y平移結(jié)構(gòu)7包括螺旋機(jī)構(gòu)或者齒輪齒條機(jī)構(gòu)。優(yōu)選地，將測量到的玻璃微珠9到接收屏10之間的距離和攝像頭11拍攝下來的二次彩虹圖像傳輸?shù)讲杉?5 ；優(yōu)選地，所述采集卡15上的數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。本發(fā)明還提供一種測量高折射率玻璃微珠折射率的方法，其特征在于激光器發(fā)出激光，經(jīng)過透鏡，透射光經(jīng)過光闌的光束垂直向上后透過載物臺(tái)上載玻片，利用X、Y平移結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)載玻片上的玻璃微珠，使光束照射到玻璃微珠上，從而會(huì)在接收屏上得到二次彩虹圖像；測量玻璃微珠到接收屏之間的距離(S)，采集所述二次彩虹環(huán)半徑(r)，從而計(jì)算出待測玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角，結(jié)合該最小偏向角和玻璃微珠的內(nèi)反射次數(shù)來確定玻璃微珠的折射率。優(yōu)選地，在測試完一個(gè)玻璃微珠后，通過調(diào)節(jié)X、Y平移結(jié)構(gòu)和升降裝置，繼續(xù)下一個(gè)玻璃微珠的測量，直到完成對多個(gè)玻璃微珠的測量，然后統(tǒng)計(jì)分析所述多個(gè)玻璃微珠的
測量結(jié)果。優(yōu)選地，激光器發(fā)出的激光，被第一反射鏡反射經(jīng)過透鏡，透射光經(jīng)第二反射鏡反射，通過光闌的光束再經(jīng)第三反射鏡反射，光束垂直向上后透過載物臺(tái)上載玻片，利用X、Y 平移結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)載玻片上的玻璃微珠，使光束射到玻璃微珠上，從而在接收屏上得到二次彩虹圖像；優(yōu)選地，所述計(jì)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間的距離為s，彩虹環(huán)半徑為r，用下面的算式(3)計(jì)算出待測玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角9min。
權(quán)利要求
1.一種測量高折射率玻璃微珠折射率的裝置，主要包括激光器(1)、透鏡(3)、光闌(5)、X、Y平移結(jié)構(gòu)(7)、載玻片(8)、玻璃微珠(9)、接收屏(10)、攝像頭(11)、升降裝置、讀數(shù)器(13)、采集卡(15)，所述攝像頭(11)安裝在升降裝置上；攝像頭(11)的下方安裝所述接收屏(10)；讀數(shù)器(13)安裝在升降裝置的移動(dòng)臺(tái)上，用于讀取玻璃微珠(9)到接收屏 (10)之間的距離；在接收屏(10)的下方有用于放置載玻片⑶的載物臺(tái)；載物臺(tái)安裝在X、 Y平移結(jié)構(gòu)(7)的移動(dòng)平臺(tái)上；激光器(1)的出射光經(jīng)透鏡(3)、光闌(5)從載物臺(tái)的下方向上穿過載物臺(tái)上的光孔照射到玻璃微珠(9)上，在接收屏(10)上形成二次彩虹圖像，測量該二次彩虹圖像的半徑，通過所述玻璃微珠(9)到接收屏(10)之間的距離和該半徑計(jì)算所述高折射率玻璃微珠折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于在載玻片(8)上一次放置有多個(gè)玻璃微珠(9)，在測試完一個(gè)玻璃微珠(9)后，通過調(diào)節(jié)X、Y平移結(jié)構(gòu)(7)和升降裝置，繼續(xù)下一個(gè)玻璃微珠(9)的測量，直到完成對多個(gè)玻璃微珠(9)的測量，然后統(tǒng)計(jì)分析所述多個(gè)玻璃微珠(9)的測量結(jié)果；優(yōu)選地，所述多個(gè)玻璃微珠為200個(gè)以上。
3.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于還包括第一反射鏡O)、第二反射鏡G)、第三反射鏡(6)，激光器(1)的光路前方依次安裝第一反射鏡O)、所述透鏡(3)、第二反射鏡G)、所述光闌(5)和第三反射鏡(6)，激光器(1)發(fā)出的激光，被第一反射鏡(2) 反射經(jīng)過透鏡(3)，透射光經(jīng)第二反射鏡(4)反射，通過光闌(5)的光束再經(jīng)第三反射鏡(6)反射，光束垂直向上后透過載物臺(tái)上載玻片(8)，使光束射到玻璃微珠(9)上。
4.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于所述升降裝置包括三角架(14)， 升降臺(tái)，所述三腳架(14)連接有所述升降臺(tái)，在所述升降臺(tái)上安裝有所述攝像頭(11)；優(yōu)選地，所述升降裝置還包括升降旋鈕(12)，通過調(diào)節(jié)該升降旋鈕(1 來調(diào)節(jié)升降臺(tái)的高度；優(yōu)選地，在所述升降臺(tái)的下部安裝所述接收屏(10)；優(yōu)選地，所述X、Y平移結(jié)構(gòu)(7)包括螺旋機(jī)構(gòu)或者齒輪齒條機(jī)構(gòu)。
5.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于將測量到的玻璃微珠(9)到接收屏(10)之間的距離和攝像頭(11)拍攝下來的二次彩虹圖像傳輸?shù)讲杉?1 ；優(yōu)選地， 所述采集卡(1 上的數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。
6.一種利用權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的裝置測量高折射率玻璃微珠折射率的方法，其特征在于激光器發(fā)出激光，經(jīng)過透鏡，透射光經(jīng)過光闌的光束垂直向上后透過載物臺(tái)上載玻片， 利用X、Y平移結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)載玻片上的玻璃微珠，使光束照射到玻璃微珠上，從而會(huì)在接收屏上得到二次彩虹圖像；測量玻璃微珠到接收屏之間的距離(s)，采集所述二次彩虹環(huán)半徑 (r)，從而計(jì)算出待測玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角，結(jié)合該最小偏向角和玻璃微珠的內(nèi)反射次數(shù)來確定玻璃微珠的折射率。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于在測試完一個(gè)玻璃微珠后，通過調(diào)節(jié)X、Y 平移結(jié)構(gòu)和升降裝置，繼續(xù)下一個(gè)玻璃微珠的測量，直到完成對多個(gè)玻璃微珠的測量，然后統(tǒng)計(jì)分析所述多個(gè)玻璃微珠的測量結(jié)果。
8.根據(jù)權(quán)利要求6-7任一所述的方法，其特征在于激光器發(fā)出的激光，被第一反射鏡反射經(jīng)過透鏡，透射光經(jīng)第二反射鏡反射，通過光闌的光束再經(jīng)第三反射鏡反射，光束垂直向上后透過載物臺(tái)上載玻片，利用X、Y平移結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)載玻片上的玻璃微珠，使光束射到玻璃微珠上，從而在接收屏上得到二次彩虹圖像；優(yōu)選地，所述計(jì)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間的距離為s，彩虹環(huán)半徑為r，用下面的算式C3)計(jì)算出待測玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角9min。Q mm=tg \ (r— )(3)Λ "
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于確定玻璃微珠的折射率的方法如下 入射角i、折射角ζ的光線在折射率為η的玻璃微珠內(nèi)經(jīng)過k次內(nèi)反射后，偏向角θ可以表示為θ = kJi +2i-2z(k+l) (1)i與ζ之間滿足Snell定理sini = nsinz，代入(1)式可得到最小偏向角θ min與玻璃微珠折射率η及內(nèi)反射次數(shù)k的關(guān)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大小只與玻璃微珠折射率n和內(nèi)反射次數(shù)k有關(guān)，當(dāng)確定了內(nèi)反射次數(shù)k，將所述emin代入( 式即可確定玻璃微珠的折射率；優(yōu)選地，取k = 2。
10.根據(jù)權(quán)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圖像的步驟為旋轉(zhuǎn)固定在三腳架上的升降旋鈕，使觀察到的二次彩虹圖像達(dá)到要求，從而攝像頭拍攝到適當(dāng)大小而又清晰的二次彩虹圖像；優(yōu)選地，其中測量玻璃微珠到接收屏之間的距離S的步驟為使用讀數(shù)器，讀數(shù)器上顯示玻璃微珠到接收屏之間的距離S。
全文摘要
一種測量高折射率玻璃微珠折射率的裝置及方法，攝像頭11安裝在升降裝置上；攝像頭11的下方安裝接收屏10；讀數(shù)器13安裝在升降裝置的移動(dòng)臺(tái)上，用于讀取玻璃微珠9到接收屏10之間的距離；在接收屏10的下方有用于放置載玻片8的載物臺(tái)；載物臺(tái)安裝在X、Y平移結(jié)構(gòu)7的移動(dòng)平臺(tái)上；激光器1的出射光經(jīng)透鏡3、光闌5從載物臺(tái)的下方向上穿過載物臺(tái)上的光孔照射到玻璃微珠9上，在接收屏10上形成二次彩虹圖像，測量該二次彩虹圖像的半徑，通過所述玻璃微珠9到接收屏10之間的距離和該半徑計(jì)算所述高折射率玻璃微珠折射率。
文檔編號(hào)G01N21/01GK102175646SQ20111005216
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者劉恒權(quán), 包左軍, 呂虎, 張智勇, 李丹, 李大海, 王瑋, 王瓊?cè)A, 蘇文英, 薄健康, 郭東華, 陸宇紅, 馬學(xué)鋒, 馬駿 申請人:交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所, 四川大學(xué)