CN114995014B - 一种虹与霓偏向角测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虹与霓偏向角测量装置，包括底板、外壳、轨道机构、雾化机构、激光光源和CCD照相机；外壳和轨道装置安装于底板上；外壳设有投影面和安装板；轨道机构包括运动控制器和环形轨道，环形轨道上设有角度刻度；雾化机构包括水泵、供水单元、给水管和雾化喷头；水泵安装于安装板的外侧面上；供水单元的底部安装于底板上，供水单元长度方向的两侧与安装板的内侧面连接固定，供水单元宽度方向的一侧与投影面连接固定；给水管的两端安装于安装板的内侧面上，水泵的进液口和出液口分别与供水单元和给水管连通；雾化喷头安装于给水管上；激光光源和CCD照相机分别安装于轨道机构上；运动控制器用于控制激光光源和CCD照相机分别独立运动。

Description

一种虹与霓偏向角测量装置

技术领域

本发明涉及虹与霓偏向角测量领域，特别涉及一种虹与霓偏向角测量装置。

背景技术

虹与霓是由于太阳光射入球状水珠内经过内反射、折射后形成的一种自然现象。由于夏天常常下阵雨，雨后半边天空露出太阳，另外半边却有厚厚的云层，此时当太阳光穿过云层和空气中的水汽和水滴，就被折射出七彩霓虹。

虹是由于太阳光线先经过折射进入水滴中且同时发生散射，然后在水滴内经过一次反射，最后经过折射射出水滴形成的，通常出现在以太阳到人眼连线的延长线为视向轴线，视角角度约为42°的圆周上，它的色序从外到内分别是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色。

霓是由于太阳光线先经过折射进入水滴同时发生散射，然后在水滴内经过两次反射，最后经过折射射出水滴形成的，通常出现在以太阳到人眼连线的延长线为视向轴线，视角角度约为51°的圆周上，由于经过了两次的内反射，霓的色序与虹相反，从外到内分别是紫、靛、蓝、绿、黄、橙、红七种颜色。同时由于霓的形成比虹的形成多了一次内反射，内反射并非完美的全反射，会在虹的基础上再损失多一部分的能量，因此，经过两次内反射获得的霓通常比只经过一次内反射的虹的光强要弱。

虹与霓通常在雨过天晴后出现，但当温度较低时，雨后空气中的水汽以及水滴与温度高时相比较少，难以形成虹与霓。为观察以及测量虹与霓的实验装置，应能够满足在实现虹与霓的再现的前提下，能够对虹与霓的参数进行测量。

目前现有的技术在彩虹形成的原理上，利用分光计、透镜以及透明水缸，呈现彩虹形成过程，并对所呈现的彩虹光带的照度、面积等进行测量，此外还利用彩虹的形成原理研究不同浓度梯度的溶液对彩虹折射角的影响。

现有技术主要集中于还原彩虹的形成过程，制作出测量不同物理参数的彩虹呈现及测量装置，但现有装置没有直接呈现自然界彩虹形成的过程，无法同时呈现虹与霓并对虹与霓偏向角进行测量。

为此急需一种能够解决现有装置无法对虹与霓同时呈现及测量偏向角的技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种虹与霓偏向角测量装置，以解决现有装置无法对虹与霓同时呈现及测量偏向角的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种虹与霓偏向角测量装置，包括底板、外壳、轨道机构、雾化机构、激光光源和CCD照相机；所述外壳和所述轨道装置安装于所述底板上；所述外壳设有投影面和安装板；所述轨道机构包括运动控制器和环形轨道，所述环形轨道上设有角度刻度；所述雾化机构包括水泵、供水单元、给水管和雾化喷头；所述水泵安装于所述安装板的外侧面上；所述供水单元的底部安装于所述底板上，所述供水单元长度方向的两侧与所述安装板的内侧面连接固定，所述供水单元宽度方向的一侧与所述投影面连接固定；所述给水管的两端安装于所述安装板的内侧面上，所述水泵的进液口和出液口分别与所述供水单元和所述给水管连通；所述雾化喷头安装于所述给水管上，且所述雾化喷头与所述给水管连通；所述激光光源和所述CCD照相机分别安装于所述轨道机构上；所述运动控制器用于控制所述激光光源和所述CCD照相机分别独立运动。

在其中一个实施例中，所述外壳为黑色透光亚克力制件。

在其中一个实施例中，所述轨道机构还包括滑动安装于所述轨道上的第一滑块和第二滑块；所述CCD照相机安装于所述第一滑块上，所述激光光源安装于所述第二滑块上。

在其中一个实施例中，所述运动控制器用于控制所述激光光源和所述CCD 照相机分别以不同角度独立运动；所述运动控制器用于控制所述激光光源和所述CCD照相机以固定角度同步运动。

在其中一个实施例中，所述雾化喷头设有依次连通的进水口、加压微管道、雾化口和扇形槽口；所述扇形槽口设有对称的斜面；所述雾化喷头用于喷出扇形喷雾。

在其中一个实施例中，所述雾化喷头设有依次连通的进水口、加压微管道和雾化口；所述雾化口为圆形通孔；所述雾化喷头用于喷出圆形喷雾。

在其中一个实施例中，所述雾化喷头有多个，多个所述雾化喷头沿所述给水管长度方向均匀布置。

在其中一个实施例中，所述供水单元设有水池、集水板和防溢出板；所述水池的两相交的侧面与所述安装板的内侧面和所述投影面密封连接；所述集水板的长度方向两侧设有集水边和集斜边；所述集水边与所述投影面密封连接，所述集水板的两端分别与所述水池的入水口和所述安装板密封相接，所述集水板自所述集斜边向所述集水边倾斜安装；所述防溢出板的长度方向两侧设有防斜边和防溢边；所述防溢出板的一端与所述安装板密封相接，所述防溢出板另一端的一侧依次设有直角边和所述防斜边，所述直角边与所述入水口密封相接；所述防斜边与所述集斜边密封相接，所述防溢出板自所述防溢边向所述防斜边倾斜安装。

本发明的有益效果如下：

为了解决现有装置无法对虹与霓同时呈现及测量偏向角，本方案中的所述轨道机构包括运动控制器和环形轨道，所述环形轨道上设有角度刻度；将所述激光光源和所述CCD照相机安装在环形轨道上，所述运动控制器进而控制所述激光光源和所述CCD照相机分别以不同角度独立运动、或控制所述激光光源和所述CCD照相机以固定角度同步运动；使所述激光光源和所述CCD照相机始终将虹与霓呈现，在所述雾化喷头制造的水雾中；从而使人工制造虹与霓的同时，能够在不同角度观测同一点的虹与霓；然后记录对应CCD照相机在轨道上的观测角度，使得呈现虹与霓的同时测量其偏向角得以实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一个实施例整体装置的结构示意图；

图2是本发明第一个实施例整体装置的轴测图；

图3是本发明第一个实施例的雾化头的剖面图；

图4是本发明第二个实施例的雾化头的剖面图。

附图标记如下：

1、底板；

2、外壳；21、投影面；22、安装板；

3、轨道机构；31、运动控制器；32、环形轨道；33、第一滑块；34、第二滑块；

4、雾化机构；41、水泵；411、进液口；412、出液口；42、给水管；

5、供水单元；51、水池；511、入水口；52、集水板；521、集水边；522、集斜边；53、防溢出板；531、直角边；532、防斜边；533、防溢边；

6、雾化喷头；61、进水口；62、加压微管道；63、雾化口；631、圆形通孔；64、扇形槽口；641、斜面；

7、CCD照相机；

8、激光光源。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

虹与霓偏向角测量装置的一个实施例如图1和图2所示，包括底板1、外壳 2、轨道机构3、雾化机构4、激光光源8和CCD照相机7；外壳2和轨道装置安装于底板1上；外壳2设有投影面21和安装板22；轨道机构3包括运动控制器31和环形轨道32，环形轨道32上设有角度刻度；雾化机构4包括水泵41、供水单元5、给水管42和雾化喷头6；水泵41安装于安装板22的外侧面上；供水单元5的底部安装于底板1上，供水单元5长度方向的两侧与安装板22的内侧面连接固定，供水单元5宽度方向的一侧与投影面21连接固定；给水管42 的两端安装于安装板22的内侧面上，水泵41的进液口411和出液口412分别与供水单元5和给水管42连通；雾化喷头6安装于给水管42上，且雾化喷头6 与给水管42连通；激光光源8和CCD照相机7分别安装于轨道机构3上；运动控制器31用于控制激光光源8和CCD照相机7分别独立运动。

进一步的，为了实现虹与霓的显现，此实施例将外壳2设定为，外壳2为黑色透光亚克力制件。

在进行应用时，外壳2使用亚克力板需要同时限定颜色及透光性，因为在重现彩虹的时候需要用到比较强的光源，用黑色亚克力板可以提高对比度，更容易看清楚彩虹。

其次，为达到最优观察效果，外壳2需要使用半透光黑色亚克力板；若使用不透光亚克力板会使激光光源8发出的光完全反射，降低了观察彩虹的效果；半透光亚克力板可以使部分光进行反射，增加了观察彩虹的效果。

有关上述的轨道机构3，轨道机构3还包括滑动安装于轨道上的第一滑块 33和第二滑块34；CCD照相机7安装于第一滑块33上，激光光源8安装于第二滑块34上。

其中，激光光源8和CCD照相机7的运动控制方式有两种：

1、轨道机构3还包括运动控制器31，运动控制器31用于控制激光光源8 和CCD照相机7分别以不同角度独立运动；

2、运动控制器31用于控制激光光源8和CCD照相机7以固定角度同步运动。

激光光源8和CCD照相机7的观察原理，激光光源8所发出的光用于以不同角度照射雾化喷头6喷出的水雾形成虹与霓；CCD照相机7用于以不同角度观测虹与霓。

有益效果：此方案与现有技术的固定拍摄，其区别在于使用了磁悬浮轨道控制激光光源8与CCD照相机7运动，可以拍摄出连续改变激光光源8的入射角度所呈现的彩虹，并通过环形轨道32上的角度刻度，测量连续改变激光光源 8角度虹与霓偏向角的变化。

在进行应用时，其采用环形轨道32，环形轨道32使用导电的弱磁材料比如铜、铝；滑块内安装有电磁铁，通过给第一滑块33和第二滑块34单独通入交流电源，使用功率放大器通过控制交流电源的频率、电压和电流，使第一滑块 33和第二滑块34在环形轨道32上移动；该磁悬浮方案利用的是涡流悬浮原理。

有关运动控制器31的控制方法：(1)通过运动控制器31可以使第二滑块34及激光光源8悬浮，通过改变轨道中励磁线圈中的励磁电流，第二滑块34及激光光源8可沿轨道运动。通过运动控制器31改变激光光源8的位置，在CCD 照相机7中可观测到连续改变激光光源8入射方向虹与霓图像的变化情况。

(2)通过运动控制器31可以使第一滑块33和CCD照相机7，第二滑块 34和激光光源8同时悬浮，通过改变轨道励磁线圈中的励磁电流，第一滑块33 和CCD照相机7，第二滑块34和激光光源8可沿轨道同时运动，此时固定了 CCD照相机7与激光光源8的夹角，并使CCD照相机7与激光光源8同时在轨道中运动，CCD照相机7中可以观测到不同方位拍摄虹与霓图像的变化情况。

通过拍摄不同角度的虹与霓图像，将不同角度的虹与霓图像进行对比，可以比较出不同光源入射角以及不同拍摄角度所测量出的虹与霓偏向角的区别。

有关上述雾化喷头6的排布，参照图1所示，雾化喷头6有多个，多个雾化喷头6沿给水管42长度方向均匀布置。

进一步的，为了使虹与霓在制造出的水雾中显现，此实施例如图3所示，雾化喷头6设有依次连通的进水口61、加压微管道62、雾化口63和扇形槽口64；扇形槽口64设有对称的斜面641；雾化喷头6用于喷出扇形喷雾。

在进行应用时，溶液经过加压微管道62进一步加压后，从雾化口63中喷出，而后经过扇形槽口64的限制，制造出扇形的水雾；多个雾化头同时喷出扇形的水雾，制造出扇形水幕；激光光源8将强光，投射于扇形水幕上，制造出虹与霓；之所以用扇形的水雾，主要是日常所观察到的彩虹一般是圆弧形，扇形的水雾就刚好和彩虹呈现的形状相匹配，模拟接近于自然产生的彩虹的效果。

有关上述供水单元5的结构，此实施例如图1和图2所示，供水单元5设有水池51、集水板52和防溢出板53；水池51的两相交的侧面与安装板22的内侧面和投影面21密封连接；集水板52的长度方向两侧设有集水边521和集斜边522；集水边521与投影面21密封连接，集水板52的两端分别与水池51 的入水口511和安装板22密封相接，集水板52自集斜边522向集水边521倾斜安装；防溢出板53的长度方向两侧设有防斜边532和防溢边533；防溢出板53的一端与安装板22密封相接，防溢出板53另一端的一侧依次设有直角边531 和防斜边532，直角边531与入水口511密封相接；防斜边532与集斜边密封相接，防溢出板53自防溢边533向防斜边532倾斜安装。

在进行应用时，只需在水池51中加人水或调制好的溶液，水泵41将水池 51的水抽走，溶液从水泵41的进液口411进入内部的加压泵，加压后，将溶液从出液口412喷出，溶液进入给水管42，进而加压后的溶液在给水管42上的雾化喷头6上喷出；在进行虹与霓的观察时，雾化喷头6会持续喷出；为了实现本装置使用时的环保性和可持续性，雾化喷头6喷出的水雾下落后，喷出较远的水雾会下落至防溢出板53上，喷出较近的水雾会下落至集水板52上，由于集水板52和防溢出板53均在安装时，形成适当的倾斜度，收集的水雾，汇聚后将流至水池51的入水口511；收集的溶液流入水池51，再次被水泵41抽走后加压喷出，形成水雾-溶液的可持续使用，符合环保低碳的设计规则。

另外，使用不同溶液也会使虹与霓产生不同的效果，这里跟溶液的折射率有关，例如：

1、在20℃下水的折射率为1.333，3％浓度的葡萄糖溶液折射率为1.371， 5％浓度的葡萄糖溶液折射率为1.417，饱和盐水溶液的折射率在1.5～1.6

2、不同溶液对光的折射率不同会导致不同溶液对光的折射角不同，而在虹与霓的形成过程中，光需要经过多次折射，若使用折射率高的溶液会使光在折射过程中的折射角更大，从而导致最终观测虹与霓的偏向角不同。

本发明的第二个实施例如图4所示，其与第一个实施例基本一致，区别在于，雾化喷头6设有依次连通的进水口61、加压微管道62和雾化口63；雾化口63为圆形通孔631；雾化喷头6用于喷出圆形喷雾。

在进行应用时，溶液经过加压微管道62进一步加压后，从圆形通孔的雾化口63中喷出，制造出圆形的水雾；多个雾化头同时喷出圆形的水雾；激光光源 8将强光，投射于圆形水雾上，制造出虹与霓；之所以用圆形的水雾，为了能够扩大水雾的面积，探究在不同水幕形状下，虹与霓是否会产生相应的变化，在示教使用时，能够产生引导学生探究未知的知识，增加他们学习时的趣味性和动力。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种虹与霓偏向角测量装置，其特征在于，

包括底板、外壳、轨道机构、雾化机构、激光光源和CCD照相机；

所述外壳和所述轨道机构安装于所述底板上；所述外壳设有投影面和安装板；

所述轨道机构包括运动控制器和环形轨道，所述环形轨道上设有角度刻度；

所述雾化机构包括水泵、供水单元、给水管和雾化喷头；

所述水泵安装于所述安装板的外侧面上；

所述供水单元的底部安装于所述底板上，所述供水单元长度方向的两侧与所述安装板的内侧面连接固定，所述供水单元宽度方向的一侧与所述投影面连接固定；

所述给水管的两端安装于所述安装板的内侧面上，所述水泵的进液口和出液口分别与所述供水单元和所述给水管连通；所述雾化喷头安装于所述给水管上，且所述雾化喷头与所述给水管连通；

所述激光光源和所述CCD照相机分别安装于所述轨道机构上；

所述运动控制器用于控制所述激光光源和所述CCD照相机分别独立运动；

所述运动控制器用于控制所述激光光源和所述CCD照相机分别以不同角度独立运动，通过所述运动控制器改变所述激光光源的位置，在所述CCD照相机中可观测到连续改变所述激光光源入射方向虹与霓图像的变化情况；

或所述运动控制器用于控制所述激光光源和所述CCD照相机以固定角度同步运动，固定所述CCD照相机与所述激光光源的夹角，并使所述CCD照相机与所述激光光源同时在轨道中运动，所述CCD照相机中可以观测到不同方位拍摄虹与霓图像的变化情况。

2.根据权利要求1所述的虹与霓偏向角测量装置，其特征在于，

所述外壳为黑色透光亚克力制件。

3.根据权利要求2所述的虹与霓偏向角测量装置，其特征在于，

所述轨道机构还包括滑动安装于所述轨道上的第一滑块和第二滑块；

所述CCD照相机安装于所述第一滑块上，所述激光光源安装于所述第二滑块上。

4.根据权利要求1所述的虹与霓偏向角测量装置，其特征在于，

所述雾化喷头设有依次连通的进水口、加压微管道、雾化口和扇形槽口；

所述扇形槽口设有对称的斜面；

所述雾化喷头用于喷出扇形喷雾。

5.根据权利要求1所述的虹与霓偏向角测量装置，其特征在于，

所述雾化喷头设有依次连通的进水口、加压微管道和雾化口；

所述雾化口为圆形通孔；

所述雾化喷头用于喷出圆形喷雾。

6.根据权利要求1所述的虹与霓偏向角测量装置，其特征在于，

所述雾化喷头有多个，多个所述雾化喷头沿所述给水管长度方向均匀布置。

7.根据权利要求1所述的虹与霓偏向角测量装置，其特征在于，

所述供水单元设有水池、集水板和防溢出板；

所述水池的两相交的侧面与所述安装板的内侧面和所述投影面密封连接；

所述集水板的长度方向两侧设有集水边和集斜边；

所述集水边与所述投影面密封连接，所述集水板的两端分别与所述水池的入水口和所述安装板密封相接，所述集水板自所述集斜边向所述集水边倾斜安装；

所述防溢出板的长度方向两侧设有防斜边和防溢边；

所述防溢出板的一端与所述安装板密封相接，所述防溢出板另一端的一侧依次设有直角边和所述防斜边，所述直角边与所述入水口密封相接；所述防斜边与所述集斜边密封相接，所述防溢出板自所述防溢边向所述防斜边倾斜安装。