專利名稱：微束光源數(shù)控透射率測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種透射率測量儀。
透射率測量儀主要用于X射線粉末照相底片測量、光譜攝譜底片測量、照相底片的密度分析及工業(yè)探傷底片的缺陷分析等領(lǐng)域。
透射率是表示透光性能的基本表達(dá)式，定義為T=II0]]>式中I0為入射光強(qiáng)度，I為透射光強(qiáng)度。
根據(jù)透射率，可導(dǎo)出其它單位的表達(dá)式，如表示感光膠片的密度D=loglT]]>表示材料的吸收率T＝e-kd式中k為吸收系數(shù)，d為材料的厚度透射率的測量一般都是在一個面積很小的探測點上進(jìn)行的，如探測面積為直徑0.05mm的園，為增強(qiáng)代表性，一般都用增加測量點求均值的方法來實現(xiàn)，也可以增大探測點的面積來實現(xiàn)，但這會降低測量的分辨率。在實際應(yīng)用時，通常都是不放樣品，先測入射光的強(qiáng)度并將儀器調(diào)零，或者用標(biāo)準(zhǔn)樣品對儀器進(jìn)行標(biāo)定，然后再開始正式測量。
在不同的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，透射率測量儀常被表示為不同的名稱，如密度計、顯微光度計、測微光度計、黑度計等。
現(xiàn)有技術(shù)中，其光學(xué)系統(tǒng)均采用以白熾燈為光源進(jìn)行聚焦的光學(xué)系統(tǒng)；探測器均是固定在機(jī)架上的，需要改變測點時，用移動樣品的方式來實現(xiàn)。當(dāng)測量點的相對位置也需要作精密測定時，靠移動樣品的夾持機(jī)構(gòu)并測量其移動距離來實現(xiàn)。具有代表性的設(shè)備有上海光學(xué)儀器廠的“9W微機(jī)型測微光度機(jī)”，和意大利TENNO公司生產(chǎn)的底片顯微光度計KD-540型。
“9W微機(jī)型測微光度計”的樣品夾持機(jī)構(gòu)可沿X軸和Y軸兩個方向移動，并設(shè)有調(diào)焦機(jī)構(gòu)。KD-450型顯微光度計的樣品夾持機(jī)構(gòu)只能沿X軸一個方向移動，未設(shè)調(diào)焦機(jī)構(gòu)，主要是靠樣品夾持機(jī)構(gòu)的加工精度來保證聚焦準(zhǔn)確，因而不能測量較厚的板狀樣品。
上述兩種裝置至少有以下兩個方面的不足1.聚焦的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積和重量均很大。它是用透鏡把透射光束放大后，用光欄(接收狹縫)限制通光面積(口徑)，再探測光的強(qiáng)度。當(dāng)不能保證樣品在聚焦點平面上時，需設(shè)置調(diào)焦機(jī)構(gòu)，以避免實際測量面積的改變。這使操作不便和限制自動化測量的實現(xiàn)。
2.樣品夾持機(jī)構(gòu)的活動范圍，在X軸和Y軸兩個方向均是測量范圍的一倍，當(dāng)存在X軸和Y軸兩個移動方向時，兩個驅(qū)動軸的構(gòu)件就必須迭加成一個整體，設(shè)備占據(jù)的空間很大，活動部件的幾何尺寸及重量也很大。
本實用新型的目的在于提供一種改進(jìn)的透射率測量儀，特別是采用微束光源構(gòu)成的非聚焦的光學(xué)系統(tǒng)以及探測器可移動的設(shè)備，能有效地簡化結(jié)構(gòu)，減少空間，減輕重量，有利于制造和調(diào)試，有利于設(shè)備自動化程度的提高。
本實用新型由探測器和傳動機(jī)構(gòu)組成，其特征在于
由產(chǎn)生微束光的激光器作光源和接收微束光的光敏接收器組成無需聚焦的光學(xué)系統(tǒng)(探測器)，探測器和樣品夾持機(jī)構(gòu)分別由單片機(jī)控制通過各自的步進(jìn)電機(jī)和減速傳動機(jī)構(gòu)沿X、Y軸作直線移動。
采用半導(dǎo)體激光器作光源，讓發(fā)射的近于平行的微束光直射樣品，光敏接收器20在光路中直接探測微束光的全部透射光的強(qiáng)度，從而實現(xiàn)了透射率的顯微測量；在光路中，光斑面積等于實際的探測面積并小于顯微測量所要求的面積，因此不需要采用限制通光面積的措施；光源與光敏接收器之間的距離很小(＜20mm)，微束光的發(fā)散角也很小，光路中光班面積的變化可忽略不計，因而不需要設(shè)置聚焦裝置。光源發(fā)射的是高強(qiáng)度的單色光，選擇波長靈敏區(qū)與光源波長對應(yīng)的光敏三極管組成接收器，輔以一般的遮光措施就可避免外來的干擾。光信號經(jīng)光敏三極管轉(zhuǎn)換成電信號經(jīng)放大后，由單片計算機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入單片計算機(jī)進(jìn)行計算處理。
可移動的探測器之傳動機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速器帶動滾珠絲杠，探測器分別和導(dǎo)軌及滾珠絲杠作滾動接觸，探測器可正確地沿X軸方向作直線往返移動，由于探測器與樣品夾持機(jī)構(gòu)(載樣板)不直接接觸，可以方便地安放和移出樣品。
改變步進(jìn)電機(jī)角位移的方向和角位移量(由單片計算機(jī)改變驅(qū)動信號)，滿足探測點方向和位置的選擇。
樣品夾持機(jī)構(gòu)的傳動裝置由步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速器和傳動軸帶動摩擦傳動輪，與摩擦傳動條摩擦傳動接觸，載樣板夾持在摩擦傳動條間，載樣板可正確地沿Y軸方向作直線往返移動。
本實用新型除作定點測量外，還可按需要由單片計算機(jī)控制在測量范圍內(nèi)以一定的步距隨機(jī)地選擇測量點，還可對所要求的測線作掃描方式測量，通過對軟件的改變，可將透射率換算成其它單位來表示和輸出。
本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(1).采用了非聚焦的光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)特別簡單而可靠；(2).取消了需人工干預(yù)的聚焦操作環(huán)節(jié)，設(shè)備的自動化程度高；(3).傳動由單片計算機(jī)控制，位移精確，測量精度高；(4).移動式探測器使活動部件在X軸上的活動范圍縮小近一半，由于X、Y二個驅(qū)動軸的機(jī)構(gòu)分離成各自獨立的部件，有利于制造和調(diào)試。
(5).有效地減輕整機(jī)重量，縮小設(shè)備的體積，降低了造價。


圖1為本實用新型的傳動結(jié)構(gòu)和電路框圖圖2為圖1A-A剖視圖圖3為圖1B-B剖視圖圖4為圖1C-C剖視圖圖5為激光器電原理圖圖6為光敏接收器電原理圖圖7為激光器電路圖結(jié)合實施例說明附圖圖1為本實用新型的傳動結(jié)構(gòu)和電路框圖，它包括單片計算機(jī)與各電路間的連接、探測器的傳動機(jī)構(gòu)和樣品夾持機(jī)構(gòu)的傳動機(jī)構(gòu)。
圖2為圖1A-A剖視圖，探測器3由支架18、激光器19、光敏接收器20、滾輪16及滾珠絲杠螺母17組成一個可沿X軸作直線移動的整體。
采用半導(dǎo)體激光器19作光源，讓發(fā)射的近于平行的微束光直射樣品21，作為光源發(fā)射微束入射光的激光器19和接收全部透射光的光敏接收器20分別安裝在支架18內(nèi)的上下端，二者同心，支架18一側(cè)安裝有滾珠絲杠螺母17并套在滾珠絲杠1上，另一側(cè)安有滾輪16靠在導(dǎo)軌2上作滾動接觸；光信號經(jīng)光敏三極管T2轉(zhuǎn)換成電信號送運算放大器U2放大后，經(jīng)單片計算機(jī)11的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入單片計算機(jī)11進(jìn)行計算處理。
圖5為半導(dǎo)體激光器電原理圖。限流電阻R2和激光二極管D1串聯(lián)接于電源與開關(guān)三極管T1間，R1為T1的偏置。當(dāng)單片計算機(jī)11發(fā)出選通信號，經(jīng)U1反相，進(jìn)三極管T1的基極使之導(dǎo)通，激光二極管D1開始工作，反之，三極管截止，激光二極管停止工作。
圖6為光敏接收器的電原理圖，光敏三極管T2與電阻R3.4.5組成橋式電路，經(jīng)R6、R7進(jìn)運放U2的輸入端，其輸出的電信號與光信號成反比，調(diào)節(jié)R8，可調(diào)整運放U2的輸出零點，改變電阻R9可調(diào)整放大倍率。
探測器3的傳動機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)7、X軸減速器6、滾珠絲杠1、支座4、軸承22及導(dǎo)軌2組成，步進(jìn)電機(jī)7與X軸減速器6的輸入端同軸，X軸減速器6的輸出端與滾珠絲杠1同軸，導(dǎo)軌2與支座4固定接觸，滾珠絲杠1通過軸承22與支座4滾動接觸，滾珠絲杠1和導(dǎo)軌2平行地水平安裝在支座4上。固定在探測器3兩端的滾輪16和滾珠絲杠螺母17分別與導(dǎo)軌2和滾珠絲杠1作滾動接觸。步進(jìn)電機(jī)7通過減速器6將角位移傳遞給滾珠絲杠1，與滾珠絲杠1配套的滾珠絲杠螺母17將角位移轉(zhuǎn)換成直線位移，并帶動探測器3作直線位移，從而實現(xiàn)測量點的移動。改變步進(jìn)電機(jī)7角位移的方向和角位移量(由單片計算機(jī)11改變驅(qū)動信號)，即可實現(xiàn)探測點在X軸的移動方向和移動距離的改變。
探測器移動的距離與步進(jìn)電機(jī)角位移量的關(guān)系用下式表示移動距離＝步距角×驅(qū)動步數(shù)×傳動系數(shù)×絲杠導(dǎo)程/園周角與步進(jìn)電機(jī)7和32聯(lián)軸安裝的角位移傳感器23和34將步進(jìn)電機(jī)實際運轉(zhuǎn)的角度信號送入計算機(jī)進(jìn)行判斷和處理，以避免步進(jìn)電機(jī)失步而造成的驅(qū)動步數(shù)與實際運轉(zhuǎn)步數(shù)不同的誤差。
圖7為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路圖，它適用于X和Y軸步進(jìn)電機(jī)7和32。L1.2.3分別為步進(jìn)電機(jī)的三相繞組。單片計算機(jī)11按步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式發(fā)出驅(qū)動信號，分別輸入反相器U3、4、5，經(jīng)R10、11、12、U6、7、8和R13、14、15組成的光耦隔離后，分別驅(qū)動三極管T2、3、4使各繞組按驅(qū)動信號的要求工作。二極管D2、3、4分別與R16、17、18串聯(lián)后，再分別與步進(jìn)電機(jī)的繞組L1、2、3并聯(lián)，以吸收繞組工作時產(chǎn)生的感應(yīng)電流，起到保護(hù)作用。
圖3為圖1B-B剖視圖，圖4為圖1C-C剖視圖，樣品夾持機(jī)構(gòu)的傳動由步進(jìn)電機(jī)32、Y軸減速器31、傳動軸30、摩擦傳動輪38、摩擦傳動條35、載樣板5、滾輪36和42組成，步進(jìn)電機(jī)32與Y軸減速器31的輸入端同軸，Y軸減速器31的輸出端通過傳遞角位移的固定在支架4內(nèi)軸承37的傳動軸30與固定在傳動軸30中部兩端的摩擦傳動輪38同軸，兩個摩擦傳動輪38驅(qū)動摩擦傳動條35，兩根平行的摩擦傳動條35由步進(jìn)電機(jī)32通過減速器31將角位移轉(zhuǎn)換成直線位移，裝有樣品21的載樣板5夾持在兩根平行的摩擦傳動條35間作Y方向直線往返移動，從而實現(xiàn)了測量點在Y軸方向的移動。
裝在支架4上的兩個旋轉(zhuǎn)偏心軸29，可調(diào)節(jié)滾輪36與摩擦傳動條35間的壓力，以保證摩擦傳動條35與摩擦傳動輪38間始終保持適當(dāng)?shù)膲毫?。支架中有二個軸座39，軸座39各有一個滾輪42由軸40固定在軸座39內(nèi)，一個支架上旋有螺帽27，螺帽27內(nèi)有彈簧26頂住摩擦傳動條35，旋轉(zhuǎn)螺帽27，可調(diào)節(jié)滾輪43與摩擦傳動條35間的壓力，使載樣板5及固定在兩側(cè)的摩擦傳動條35作為一個整體在移動時緊靠左側(cè)以消除X軸方向的活動間隙。
改變步進(jìn)電機(jī)32角位移的方向和角位移量(由單片計算機(jī)11改變驅(qū)動信號)，滿足探測點在Y軸上移動方向和距離的選擇。
絲杠螺母17和磨擦傳動條35的有效量程兩端各有一限位開關(guān)24和25。
一個MCS-8098的CPU作核心的計算機(jī)11管理儀器的運行。它具有采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，可將運算放大器U2輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并可進(jìn)行計算和處理。由CPU發(fā)出步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動信號，因而測量點的移動方向和移動距離均可按計算機(jī)軟件的要求執(zhí)行。
計算機(jī)11的輸入設(shè)備主要是鍵盤13，可由此輸入測量條件等參數(shù)。在輸出設(shè)備中，LED顯示器14顯示輸入的參數(shù)、儀器的狀態(tài)和測量結(jié)果，繪圖儀15可將量結(jié)果及計算結(jié)果用圖形和數(shù)據(jù)形式輸出，RS-232接口12則可與其它計算機(jī)通信，以便于測量數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理和儲存。
當(dāng)激光器發(fā)射近紅外光束時，選擇對應(yīng)此波段靈敏的光敏三極管可基本避免外來光的干擾。
本實用新型出于結(jié)構(gòu)簡單、體積小，其成本僅“9W微機(jī)型測微光度計”的五分之一以下。
權(quán)利要求1.一種微束光源數(shù)控透射率測量儀由探測器和傳動機(jī)構(gòu)組成，其特征在于由產(chǎn)生微束光的激光器作光源和接收微束光的光敏接收器組成 無需聚焦的光學(xué)系統(tǒng)(探測器)，通過各自的步進(jìn)電機(jī)和減速傳動機(jī)構(gòu)沿X、Y軸作直線移動的探測器和樣品夾持機(jī)構(gòu)分別由單片機(jī)控制；①籍滾珠絲杠(1)的角位移經(jīng)滾珠絲杠螺母(17)轉(zhuǎn)換成直線位移的探測器(3)由支架(18)、激光器(19)、光敏接收器(20)、滾輪(16)及滾珠絲杠螺母(17)組成一個可移動的整體，作為光源發(fā)射微束入射光的激光器(19)和接收全部透射光的光敏接收器(20)分別安裝在支架(18)內(nèi)的上下端，二者同心，支架(18)一側(cè)安裝有滾珠絲杠螺母(17)并套在滾珠絲杠(1)上，另一側(cè)安有滾輪(16)靠在導(dǎo)軌(2)上作滾動接觸；②探測器(3)的傳動機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)(7)、X軸減速器(6)、滾珠絲杠(1)、支座(4)、軸承(22)及導(dǎo)軌(2)組成，步進(jìn)電機(jī)(7)與X軸減速器(6)的輸入端同軸，X軸減速器(6)的輸出端與滾珠絲杠(1)同軸，滾珠絲杠(1)通過軸承(22)和導(dǎo)軌(2)平行地安裝存支座(4)上；③樣品移動的傳動機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)(32)、Y軸減速器(31)、傳動軸(30)、摩擦傳動輪(38)、摩擦傳動條(35)、載樣板(5)和滾輪(36)及(42)組成，步進(jìn)電機(jī)(32)與Y軸減速器(31)的輸入端同軸，Y軸減速器(31)的輸出端通過傳遞角位移的傳動軸(30)與固定在傳動軸(30)兩端的摩擦傳動輪(38)同軸，兩個摩擦傳動輪(38)與將角位移轉(zhuǎn)換成直線位移的兩根平行的摩擦傳動條(35)作驅(qū)動摩擦，作Y方向直線移動的裝有樣品(21)的載樣板(5)夾持在兩根平行的摩擦傳動條(35)間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的微束光源數(shù)控透射率測量儀，其特征在于支架(4)上有兩個可調(diào)節(jié)滾輪(36)與摩擦傳動條(35)間壓力的旋轉(zhuǎn)偏心軸(29)，支架中有二個軸座(39)，軸座(39)各有一個滾輪(42)由軸(40)固定在軸座(39)內(nèi)，一個支架上旋有可調(diào)節(jié)滾輪(43)與摩擦傳動條(35)間的壓力的螺帽(27)，螺帽(27)內(nèi)有彈簧(26)頂住摩擦傳動條(35)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說的微束光源數(shù)控透射率測量儀，其特征在于激光器(19)是由一近紅外半導(dǎo)體激光器為主組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所說的微束光源數(shù)控透射率測量儀，其特征在于光敏接收器(20)是由波長靈敏區(qū)與激光器波長對應(yīng)的光敏三極管為主組成的。
5根據(jù)權(quán)利要求1所說的微束光源數(shù)控透射率測量儀，其特征在于光敏接收器(20)與激光器(19)相距＜20mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所說的微束光源數(shù)控透射率測量儀，其特征在于；單片計算機(jī)(11)按步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式發(fā)出驅(qū)動信號控制步進(jìn)電機(jī)(7)和(32)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所說的微束光源數(shù)控透射率測量儀，其特征在于探測器和樣品位移的位移量，按步進(jìn)電機(jī)的步距每步為0.01mm至0.1mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所說的微束光源數(shù)控透射率測量儀，其特征在于步進(jìn)電機(jī)(7)及(32)接有反饋信號的傳感器(23)及(34)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所說的微束光源數(shù)控透射率測量儀，其特征在于絲杠螺母(17)和摩擦傳動條(35)的有效量程兩端各有二個限位開關(guān)(24)和(25)。
專利摘要本實用新型涉及一種透射率測量儀，本實用新型采用半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的微束光作光源，因其發(fā)散角極小，不需要設(shè)置調(diào)焦機(jī)構(gòu)，且光斑面積即為測量面積，測量精度高，而且抗干擾能力強(qiáng)，探測器可以在X軸方向移動，樣品只在Y軸方向移動，使整個儀器的結(jié)構(gòu)簡化，體積縮小，傳動機(jī)構(gòu)均由步進(jìn)電機(jī)帶動，測量點的移動由單片計算機(jī)作控制管理，故測量點定位及位移準(zhǔn)確。單片計算機(jī)還可將測量數(shù)據(jù)根據(jù)需要進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)移和儲存，還可轉(zhuǎn)算成其它物理量。由于結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、可靠性高。
文檔編號G01N21/59GK2251136SQ9421267
公開日1997年4月2日 申請日期1994年5月27日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月27日
發(fā)明者黃新耀 申請人:地質(zhì)礦產(chǎn)部宜昌地質(zhì)礦產(chǎn)研究所