[发明专利]一种折光仪和智能杯

说明书

本发明涉及液体折射率测量领域，特别地涉及一种折光仪和智能杯。本发明公开了一种折光仪和智能杯，其中折光仪包括光源、棱镜、透镜单元和光电传感器，棱镜具有一与待测液体接触的接触界面，光源为至少在一个方向上具有多个依次排列的点光源，光源被配置为光源发射的光经过棱镜的入射面进入棱镜并照射至接触界面，光电传感器设置在透镜单元的像方焦平面上，从接触界面反射的光经棱镜的出射面出射出棱镜，并经透镜单元采用无穷远对焦成像在光电传感器上。本发明的折光仪具有成本低，体积小，测量范围大，鲁棒性好的优点。

技术领域

本发明属于液体折射率测量领域，具体地涉及一种折光仪和具有该折光仪的智能杯。

背景技术

折光仪是一种测量液体折射率的装置。因为固体可溶物溶解后会增加液体的折射率，通过折射率测量可以达到固体可溶物含量的测量，因此折光仪可以用来测量液体中的固体可溶物的含量。水溶液中的固体可溶物通常是糖，所以这种设备在饮料(果汁、咖啡等)中被称为糖度计。糖度计测量的单位为白利度(Brix)。

如图1所示，反射式电子测糖仪是一个比较常见的测糖方式，其原理利用了全反射角是由界面两种材质的折射率决定的。根据折射定律

sin(α_折射角)*n_液体＝sin(α_入射角)*n_玻璃

全反射角β发生在

也就是说在玻璃入射角度大于全反射角β时，是只有反射的，而当玻璃入射角小于全反射角β时，透射和反射并存，而反射的亮度会比全反射时小。我们可以在全反射角β这个角度附近看到一个明显的亮度变化界面。通过这个界面我们可以测到全反射角β、由此算出n_待测液体(待测液体的折射率)。通常情况下，n_待测液体越大，全反射角β越高，不同玻璃和液体会给出不同的角度值。例如在n_玻璃＝1.5时，0度Brix的水溶液全反射角β＝62.73°，50度Brix的水溶液全反射角β＝71.2°。

为了达到小巧的设计，美国专利：US7492447B2(以下简称为前案)公开的折射仪中设置了一个必不可少的一个狭缝1′，如图2所示，这个狭缝1′位于LED光源2′后，使得发光点在平行于感光阵列3′的方向上是很小的(点光源)，这样子很好地定义了打到感光阵列3′上每束光的角度。设想如果不是用狭缝1′，意味着有多个点光源同时发光，那么不同点光源发出的不同角度的光有可能会打到感光阵列3′上的同一个点，从而无法区分出这些光的角度，而这个角度在确定全反射角时是非常重要的。狭缝1′本质上是解耦了光线的位置和方向，使得我们只探测光线的方向而不被光线的位置干扰。但是这个设计的最主要问题是感光阵列3′需要的尺寸会非常的大，尤其对于折射率测量范围要求比较大的时候。通过反射的几何等效性，我们可以把感光阵列3′等效到液面那一侧，如图3所示，这样子更容易帮助我们理解光路的选中。可以看出，此时感光阵列3′的尺寸l＝2*tan(α/2)*d，这里的d代表的是从LED光源2′到感光阵列3′的光程距离，α是整体张角。也就是说，如果我们对于α角度要求比较大，比如测量不同种类的液体，而这些液体的折射率变化很大时，感光阵列3′的尺寸也需要跟着变得很大。对于感光阵列3′(CCD或CMOS)这种半导体芯片来说，越大的物理尺寸以为这越高的成本，在考虑有限半导体晶圆大小的情况下，器件尺寸的变大会导致出货率和良率的降低。大尺寸芯片还意味着封装和贴片的难度增加，贴片翘曲率增加，这些都会导致成本的增加。通常情况下，因为这么大的半导体尺寸要求，只有线阵(一维阵列)才能满足成本的要求。而线阵在垂直于它自身方向的安装位置和精度要求非常高，使得整体组装变得更加复杂。

发明内容

本发明的目的在于为解决上述问题而提供一种成本低，体积小，测量范围大，鲁棒性好的折光仪以及具有该折光仪的智能杯。