Способ регистрации изменений порядка интерференции

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению изменений оптической разности хода в интерференционных рефрактометрах, и может быть использовано при исследовании физико-химических свойств газообразных веществ. Целью изобретения является повышение быстродействия при сохранении точности измерений. Повышение быстродействия измерений достигается путем использования двух режимов регистрации. При превышении скорости смещения полос первого порогового уровня V₁ модуляция порядка интерференции с периодом T_m отключается, а при снижении скорости смещения полос до второго порогового уровня V₂ модуляция включается, при этом 0<V<V<0,33T . При регистрации перемещающиеся полосы преобразуют в последовательность импульсов, определяют их число и судят о значении изменения порядка интерференции P по формуле P=Q+bM+Δδ , где Q - изменение числа целых интерференционных полос, b = ± 1, при этом знак соответствует знаку изменения порядка интерференции на момент включения модуляции, M - число передних фронтов импульсов при сформированном признаке "превышения", Δδ - значение изменения дробной части интерференционной полосы. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению изменений оптической разности хода в интерференционных рефрактометрах, и может быть использовано при проведении широкого класса рефрактометрических исследований. Цель изобретения - повышение быстродействия при сохранении точности измерения. На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для реализации изобретения; на фиг. 2 приведены диаграммы работы устройства для случая работы в режиме с периодической модуляцией; на фиг. 3 - диаграммы работы устройства для случая работы в режиме без модуляции; на фиг. 4 - диаграммы работы устройства, иллюстрирующие процессы перехода от режима с модуляцией к режиму без модуляции и обратно. Способ осуществляют следующим образом. В начале измерений, когда порядок интерференции изменяется медленно, а скорость смещения полос в интерференционной картине остается небольшой, осуществляется периодическая модуляция порядка интерференции, преобразование изменений порядка интерференции в смещение полос в интерференционной картине и определение изменений дробной части интерференционной полосы и целых интерференционных полос в смещении полос в интерференционной картине. Определение изменений дробной части интерференционной полосы осуществляется путем периодического преобразования дробной части интерференционной полосы в разность фаз между двумя гармоническими электрическими сигналами и измерения этой разности фаз. Подсчет целых интерференционных полос осуществляется путем условного разбиения интерференционной полосы на первую, вторую и третью зоны, определения номера зоны для каждого определяемого значения дробной части интерференционной полосы, сопоставления номеров зон для каждых двух последовательно определяемых значений дробной части интерференционной полосы и прибавления или вычитания (при необходимости) по результатам сопоставления одной интерференционной полосы к накопленному результату регистрации. Перед началом регистрации задают первую V₁ и вторую V₂ скорости смещения полос интерференционной картины из соотношения 0 < V₂ < V₁ < 0,33/Т_м, где Т_м - период модуляции. Одновременно с регистрацией изменений порядка интерференции осуществляется определение (для каждого периода модуляции) скорости смещения полос по формуле V_j= (Q_j+δ_j-Q_j-1-δ_j-1)/T_м= , (1) где V_j - скорость смещения полос на j-м периоде модуляции; δ_j, δ_j-1 - значения дробных частей интерференционной полосы, соответствующие j-м и (j-1)-му периодам модуляции; Q_j, Q_j-1 - значения целых интерференционных полос, соответствующие j-му и (j-1)-му периодам модуляции; ΔN_м - изменение порядка интерференции. При увеличении скорости смещения полос до уровня, соответствующего значению скорости V₁, происходит формирование признака "превышения". Значение скорости V₁ выбирается меньшим максимально допустимой скорости смещения V_м = 0,33/Т_м. Далее при первом попадании значения дробной части интерференционной полосы во вторую зону интерференционной полосы определяют направление смещения полос путем запоминания знака изменения порядка интерференции ΔN_м, отключают периодическую модуляцию и изменяют принцип регистрации изменений порядка интерференции. При этом проводится регистрация целых интерференционных полос, которая осуществляется путем преобразования интерференционной картины в непрерывную последовательность импульсов, выделения передних (переходы из "0" в "1") и задних (переходы из "1" в "0") фронтов каждого импульса последовательности и подсчета числа переходов из "0" в "1". Одновременно с этим осуществляется измерение длительностей временных интервалов между передними фронтами каждых двух соседних импульсов и определение скорости смещения полос по формуле V_i = 1/T_i, (2) где V_i - скорость смещения полос на i-м интервале; T_i - длительность временного интервала между передними фронтами (i+1)-го и i-го импульсов последовательности. При снижении значения скорости ниже уровня, соответствующего значению скорости V_l, снимают признак "превышения" и при появлении очередного заднего (перехода из "1" в "0") фронта импульса последовательности включают периодическую модуляцию, после чего регистрируют изменения порядка интерференции по известному способу. Значение скорости V₂ выбирается меньшим значения V₁ так, чтобы исключить частые изменения режима регистрации. Если в дальнейшем в ходе регистрации скорость смещения полос вновь превысит первое пороговое значение V₁, то регистрация вновь будет осуществляться путем подсчета числа передних фронтов (переходов из "0" в "1") импульсов в последовательности импульсов при отключенной периодической модуляции. Результирующее значение изменений порядка интерференции Р при этом будет определяться по формуле Р = Q + bM + δ, (3) где Q - число интерференционных полос, зарегистрированное при снятом признаке "превышения" (при включенной модуляции); М - число передних фронтов импульсов (переходов из "0" в "1"), зарегистрированное при сформированном признаке "превышения" (при отключенной модуляции); δ- значение изменения дробной части интерференционной полосы для начала и конца регистрации;
b = ±1, где знак "плюс" соответствует положительному знаку значения ΔN_м на момент отключения модуляции, а знак "минус" - отрицательному знаку значения ΔN_м. Типичными для скоростей V₁ и V₂ являются значения
V₁≈0,25/Т_м (1/C),
V₂≈0,15/T_м (1/С). Результирующее время t_р регистрации при реализации указанных значений V₁ и V₂ оказывается равным
t_p ≈30˙ T_м ˙Р^1/2 . (4)
Расчет аналогичных значений t_р для известного способа регистрации приводит к соотношению вида
t_р 3 Т_м˙ Р . (5) Сравнение соотношений (4) и (5) свидетельствует о том, что для значений Р = 10⁵ + 10⁶, являющихся типичными для рефрактометрии порядков интерференции, выигрыш по времени начинает превышать один-два порядка. Устройство, реализующее этот способ, состоит из лазера 1, двухканального рефрактометра 2, включающего первую и вторую жестко скрепленные между собой кюветы 3 и 4, содержащие соответственно эталонное и контролируемое вещество, плунжер 5, на двух ответвлениях которого установлены отражатели 6 и 7, две светоделительные пластины 8, 9 и отражатель 10, установленный на преобразователе 11 перемещения, первого фотопреобразователя 12, состоящего из последовательно соединенных первых фотоприемника 13, фильтра 14 и усилителя-формирователя 15, второго фотопреобразователя 16, состоящего из последовательно соединенных вторых фотоприемника 17, фильтра 18 и усилителя-формирователя 19, блока 20 измерения дробной части интерференционной полосы, блока 21 регистрации целых интерференционных полос, включающего схему 22 сравнения, регистр 23 памяти и реверсивный счетчик 24, генератор 25 импульсов, формирователя 26, генератора 27 периодического сигнала, блоков 28 и 29 выделения передних и задних фронтов импульсов, блока 30 счета, блока 31 измерения интервала и блока 32 вычисления и управления. Выход второго фотопреобразователя 16 соединен с входом блоков 28 и 29, первым входом блока 31 и первым входом блока 20, второй вход которого подключен к выходу первого фотопреобразователя 12, а третий вход которого подключен к выходу генератора 25, также соединенному с вторым входом блока 31, выход которого соединен с четвертым входом блока 20 и входом формирователя 26, выход которого соединен с входом генератора 27, связанного выходом с преобразователем 11 перемещения отражателя 10. Выход блока 20 соединен с первым информационным входом блока 32, первым входом схемы 22 сравнения блока 21 и входом регистра 23 памяти, первым выходом соединенного с первым признаковым входом блока 32, вторым выходом соединенного с вторым входом схемы 22, выходом соединенной с входом счетчика 24, выходом соединенного с вторым информационным входом блока 32, третий информационный вход которого подключен к выходу блока 31, четвертый информационный вход подключен к выходу блока 30, второй признаковый вход которого подключен к выходу блока 29, первый управляющий выход соединен с управляющим входом блока 30, второй управляющий выход соединен с управляющим входом формирователя 26. Устройство работает следующим образом. Луч лазера 1 последовательно отражается от двух полупрозрачных пластин 8, 9 и распространяется в кюветы 3 и 4 двухканального рефрактометра 2, содержащие соответственно эталонное (вакуум) и контролируемое вещество, и отражается соответственно от отражателей 6 и 7, жестко скрепленных с двумя ответвлениями подвижного плунжера 5. Луч лазера 1, прошедший пластины 8 и 9, отражается от отражателя 10, установленного на преобразователе 11 перемещения, и далее последовательно отражается от пластин 9 и 8, образуя опорные пучки для двух каналов рефрактометра. Опорные пучки, интерферируя с лучами, отраженными от отражателей 6 и 7, образуют соответственно реперную и контролируемую интерференционные картины, регистрируемые соответственно фотоприемниками 13 и 17 фотопреобразователей 12 и 16. Перемещения плунжера 5 в одном из направлений приводят к изменению порядка интерференции в обоих каналах рефрактометра 2 и к смещению полос в соответствующих интерференционных картинах. Периодическое смещение преобразователя 11 с отражателем 10 обеспечивают модуляцию порядка интерференции по периодическому закону в обоих каналах рефрактометра 2. Фотоприемники 13 и 17 осуществляют преобразование интенсивности интерференционных картин в электрические сигналы, которые для случая пилообразного сигнала развертки (см. фиг. 2-4), формируемого генератором 27, и пропускания через фильтры 14 и 18, отфильтровывающие низкочастотные помехи и высокочастотные шумы, показаны в виде прерывистых гармонических сигналов. Усилители-формирователи 15 и 19 фотопреобразователей 12 и 16 осуществляют усиление гармонических сигналов и формирование из них прерывистых импульсных последовательностей, поступающих на два входа блока 20, осуществляющего определение дробной части интерференционной полосы. Определение дробной части интерференционной полосы осуществляется на каждом периоде модуляции Т_м, формируемом с помощью генератора 25 и формирователя 26, управляющего работой генератора 27. Определение дробной части интерференционной полосы осуществляется путем измерения блоком 20 временных интервалов Δt_j, соответствующих разности фаз между двумя гармоническими электрическими сигналами, измерения блоком 31 величины периода гармонических сигналов Т_с, последующего расчета величины дробной части интерференционной полосы δ_j по формуле
δ_j = Δt_j/T_cj . (6)
Определенное значение δ_j поступает на первый информационный вход блока 32, а также на вход блока 21 регистрации целых интерференционных полос. Регистрация целых интерференционных полос осуществляется путем предварительного условного разбиения интерференционной полосы на первую, вторую и третью зоны, которые обычно вбираются приблизительно равными и соответствующими ≈0,33 интерференционной полосы. В процессе регистрации каждому значению δ_j ставится в соответствие определенная зона интерференционной полосы (первая, вторая или третья). Далее осуществляется сравнение номеров зон для предшествующего значения δ_j-1, запомненного в регистре 23 блока 21, и текущего значения δ_j. Сравнение осуществляется схемой 22, которая в зависимости от результата сравнения дает команду на прибавление или вычитание (при необходимости) одной интерференционной полосы счетчиком 24. Накопленное в счетчике 24 число периодически передается на второй информационный вход блока 32. При соответствии очередного определенного значения δ_j второй зоне регистр 23 формирует импульс, поступающий на первый признаковый вход блока 32. Одновременно с регистрацией изменений порядка интерференции на каждом периоде модуляции блоком 32 осуществляется определение скорости смещения полос, при этом используется информация, запоминаемая в блоке 32. Рост значений скорости осуществляется по формуле (1). При превышении рассчитанным значением V_j уровня V₁ формируется признак "превышения". После этого устройство продолжает функционировать в режиме с модуляцией до тех пор, пока блоком 32 не сформируется признак появления второй зоны (см. фиг. 3), поступающий на формирователь 26 и запрещающий формирование следующего импульса развертки (см. фиг. 3). Одновременно осуществляется определение и запоминание блоком 32 направления смещения полос путем определения знака изменения порядка интерференции ΔN_м и формирование управляющего сигнала, поступающего на блок 30 счета. После отключения модуляции (см. фиг. 3 и 4) регистрация изменений порядка интерференции осуществляется следующим образом. Фотопреобразователь 16 преобразует контрольную интерференционную картину в непрерывную последовательность импульсов (см. фиг. 4), поступающих на вход блоков 28, 29 и 31. Блок 28 осуществляет выделение передних фронтов импульсов последовательности, которые в дальнейшем регистрируются и суммируются блоком 30 счета. Характер реверсивного счета блоком 30 определяется видом управляющего сигнала, поступающего с блока 32. По окончании измерения содержимое счетчика блока 30 счета с учетом знака переписывается в блок 32. Одновременно с регистрацией передних фронтов осуществляется измерение временных интервалов между передними фронтами каждых двух последующих импульсов последовательности и определение скорости смещения V полос по формуле (2). Если определенное значение V оказывается меньшим значения V₂, то признак "превышения" снимается. Далее при появлении на входе блока 29 очередного заднего фронта импульса последовательности блок 29 осуществляет его выделение, а блок 32 осуществляет формирование соответствующего признака (см. фиг. 3), снимающего сигнал запрет с входа формирователя 26, который в свою очередь формирует управляющий сигнал на вход генератора 27, стимулирующий начало модуляционного процесса. Далее процесс регистрации порядка интерференции протекает точно также, как и до отключения модуляции. В конце измерения результирующее значение изменения порядка интерференции определяется по формуле (3). Расчет результирующего значения Р осуществляется блоком 32. Таким образом, время регистрации по данному способу на один-два порядка меньше, чем время регистрации по известному, т. е. изобретение характеризуется приблизительно на один-два порядка лучшим быстродействием, чем известный способ регистрации. Последнее позволяет заметно увеличить производительность процесса контроля оптико-физических свойств газообразных и жидких веществ и ускорить их внедрение в народное хозяйство. (56) Патент США N 2604004, кл. G 01 N 21/45, 1952. Захарова В. П. и др. Устройство для реверсивного отсчета целой и дробной части полос в интерферометрии. ПТЭ, 1976, N 6, с. 159.

Формула изобретения

СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ИЗМЕНЕНИЙ ПОРЯДКА ИНТЕРФЕРЕНЦИИ по смещению полос интерференционной картины, заключающийся в осуществлении периодической модуляции порядка интерференции с периодом T_м, определении значений дробной части интерференционной полосы δ для каждого периода модуляции, определении изменений дробной части интерференционной полосы Δ δ в моменты начала смещения полос и окончания, определении изменения числа целых интерференционных полос Q в смещении полос путем условного разбиения интерференционной полосы на три зоны и определения соответствия дробной части интерференционной полосы δ первой, второй или третьей зоне интерференционной полосы и определении по изменениям дробной части Δ δ и числа целых Q интерференционных полос изменений порядка интерференции, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия при сохранении точности регистрации, перед началом регистрации выбирают значения первой V₁ и второй V₂ скоростей смещений полос интерференционной картины из соотношения 0 < V₂ < V ₁ < 0,33 / T_м и дополнительно определяют для каждого периода модуляции изменение порядка интерференции Δ N_м и его знак и значение скорости смещения полос интерференционной картины V_м по формуле
v_м = Δ N_м / T_м
и сравнивают значение скорости смещения полос V_м с первым значением скорости V₁, при превышении которого при первом очередном соответствии определенного значения дробной части интерференционной полосы δ второй зоне интерференционной полосы отключают периодическую модуляцию, преобразуют перемещающиеся полосы интерференционной картины в последовательность импульсов с регистрацией в них переходов из нуля в единицу и из единицы в нуль, подсчитывают число импульсов M путем регистрации числа их переходов из нуля в единицу, измеряют длительность временных интервало T между моментами переходов из нуля в единицу для каждых двух соседних импульсов, для каждого измеренного временного интервала T определяют значение скорости смещения полос интерференционной картины v_δ в отсутствие периодической модуляции по формуле
v_δ = T ^-1
и сравнивают значение скорости смещения полос V_δ со вторым значением скорости V₂, при снижении которой до величины V₂ в момент перехода из единицы в нуль импульса включают периодическую модуляцию, а значение изменения порядка интерференции P определяют по формуле
P = Q + b · M + Δ δ ,
где b = ±1,
при этом знак соответствует знаку изменения порядка интерференции Δ N_м на момент включения модуляции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4