Способ измерения показателя преломления поглощающих сред

 

Изобретение относится к рефрактометрическим измерениям. Цель изобретения - повышение точности измерения показателя преломления сред с показателем поглощения *98X. Одновременно периодически изменяют угол падения на величину Δα ъ (0,002+*98X) радиан с частотой ω и плавно изменяют угол падения α, из спектра сигнала выделяют переменную составляющую, детектируют ее, изменяют угол α до положения α<SP POS="POST">1</SP>, при котором амплитуды обоих полупериодов продетектированного сигнала наибольшие и равны между собой. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И ASTQPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ .

flp изОБРетениям и ОтнРытиям

ОРИ ГИНТ СССР (21) 4416301/24-25 (22) 29.03.88 (46) 07.11.89 ° Бюл. К 41 (72) А.И. Пеиьковский, В.И. Верещагин и P..Т. Афанасенко (53) 535.024(088,8) (5á) Лейкин М;В. и др. Отражательная рефрактометрия,- Л.: Машиностроение, 1983,, с. 83-132.

Szukalski .J °, Jasay J. Polskie opracowania w dzeidzinie refraktometrii

przemyslowej. — Pomiary Autom. Kontr.

1970, v. 16, Ф 6, р. 272-274.

Изобретение относится к технической физике, а именно к области рефрактометрнческих измерений оптических постоянных сред.

Целью изобретения является повьппение точности измерений.

На фиг. 1 нокаэана структурная схема одного из возможных вариантов устройства для реализации способа; на фиг. 2 . — кривые зависимости интенсивности света I от угла падения с и кривые, иллюстрирующие эффект дополнительной модуляции интенсивности света ЙХ, вызванной дополнительными периодическими изменениями угла падения дп относительно установленной величины угла падения e °

Устройсгво для измерения показателя преломления прозрачных и поглощаю„„SU„„1520404 А 1 (М1 4 С 01 Я 21/43

2 (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕД (57) Изобретение относится к рефрактометрическим измерениям. Цель изобретения — повышение точности измерения показателя преломления сред с показателем поглощения z . Одновременно периодически изменяют угол падения на величину da (0,002+ g) радиан с частотой . и плавно изменяют угол падения с(, из спектра сигнала выделяют переменную составляющую, детектируют ее, изменяют угол d до положения при котором амплитуды обоих полупериодов продетектированного сигнала наибольшие и равны между собой. 2 ил. щих сред содержит источник 1 света и установленные по ходу лучей конденса- р тор 2, щелевую диафрагму 3, коллиматор 4, ограничивающую диафрагму 5, элемент 6 нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), изготовленный из высокопоглощающего стекла в виде 4 четвертой части цилиндра в сочетании ФВЬ с отрицательной цилиндрической линзой

7, интерференционный фильтр 8 и фотоприемник 9. Одна из плоских граней четверти цилиндра соприкасается с контролируемой средой 10, а на поверхности второй грани нанесено зеркальное покрытие 11 Ребро, образованное этими гранями, совмещено с осью вращения. лимба fZ. Непосредственно перед отрицательной линзой 7 одновременно в падающем и в отраженном

1520404 параллельных пучках света установлены последовательно два одинаковых оптических кпина 13 и 14 с углами отклонения луча М1„,„„,= а<,„„=,.0,lS pàä.

Один из KGTopblx например клин 13, закреплен на корпусе, а другой клин

f4 закреплен на упругих элементах вибратора 15, содержащего катушку 16 возбуждения. Непосредственно к фотоприемнику 9 подключен усилитель 17. 10

Пороговое устройство 18 настроено на срабатывание при достижении амплитуды постоянной составляющей сигнала фотоприемника 9 более 0,85 от максимального значения, а второе пороговое устройство 19 - при уменьшении амплитуды менее 0,35.

Выход усилителя 17 подключен к двухполупериодному выпращтелю 20, нагрузкой которого является активный фильтр 21, выход которого Через ключ

22 может подключаться к обмотке уп-. равления реверсивного двигателя 23.

Ключ 22 подключен к обмотке трансформатора 24 и микропроцессору 25. Микропроцессор 25 подключен к пороГОНЫм устройствам 18 и l9, к фотоэлектри- . ческому датчику 26 угловых перемещений, который контролирует поворот элемента 6 НПВО и тем самым угол па- 30 дения a(. .ЬЫкропроцессор 25 жалеет выходы для подключения индикатора 27, дисплея и печатающего устройства 28.

Способ Осуществляется следующим образом. 35

Сформированный элементами 1-4 коллимированный в плоскости падения пучок света проходит ограяичивающую диафрагму 5, оптические клинья 14 и

13, отрицательную линзу ? и практи- 40 чески без изменения направления распространения падает на границу раздела элемента 6 НПВО с исследуемой средой 10. Поверхность зеркального покрытия 11 перпендикулярна этой гра- 45 нице раздела, т.е. рабочей поверхности, и согласно принципу работы уголкового отражения после вторичного Отражения от зеркального покрытия свет возвращается строго параллельно падающему. Далее свет вторично проходит отрицательную линзу 7, клинья

13 и 14, интерферепционпый фильтр 8 и воспринимается фотоприемником 9.

Под воздействием изменяющегося с частотой магнитного потока катушки 16 возбуждения ротор вибратора 15 вместе с оптическим клином 14 совершает гармонические колебания также с частотой (> относительно положения г ;)c òoяния покоя с небольшой амплитудой, например, р =0,013-0,087 рад. Пусть, например, показатель преломления ис-! следуемой среды и „, 1,392-j 0,01, л элемент б НПВО и отрицательная линза

7 изготовлены из стекла с показателем преломления по = 1,74009, а амплитуда колебаний клина 14

0,0087 рад. Тогда зависимость

Х = f(/> n„g) на фиг. 2 можно отобразить кривой 29. В результате колебаний клина 14 дополнительно к конкретному плавно изменяющемуся значению уг-.

Ла ПаДЕНИЯ o(, НаПРИМЕР 1 „, ПРОИСХОдят дополнительные периодические изменения по гармоническому закону с частотой с изменения угла падения а = ма«с р 0 lS""0 058 = 0,0087 рад., что на фиг. 2 можно отобразить кривыми 30-32. В результате в спектре сигнала фотоприемника, воспринимающего отраженный свет, кроме постоянной составляющей, пропорциональной интен.сивности света I „„, присутствует переменная составляющая, пропорциональная dI (фиг. 2, кривые 33-35). Если угол 0(значительно меньше критичес1 л

RoPo „** Bl ca 10 (D „/и, ), To KpNBBR д I (фиг. 2, кривая 33) не симметрична относительно среднего значения, т.е. амплитуда первой полуволны больше амплитуды второй полуволны. В этом случае после предварительного усиления и двухполупериодного детектирования, кроме составляющей 2ы, в спектре продектированного сигнала присутствует также первая гармоника частоты ы, которая проходит активный фильтр.21, ключ 22 и подается на обмотку управления реверсивного двигателя 23. Обмотки возбуждения и управления двигателя 23 включены так, что в этом случае вращение лимба 12 с эле íToí 6 происходит В сторону o(1 т.е. в сторону увеличения угла падения Ы.

Если угол о(, например, несколько больше критического, кривая Л1 (фиг.2, кривая 34) также не симметрична относительно среднего значения, но в другую сторону, т.е. амплитуда сигнала первого полунериода меньше второго.В этом случае в спектре продетектиро-.. ванного сигнала также присутствует первая гармоника частоты,, но ее фаза отличается на и радиан по отношению к фазе сигнала, который мы рассматривали при угле падения d,. По1520404 6 и- кривой зависимости I=f (g,п,g), т.е. ен- кривые становятся более пологими ь- (фиг. 2, кривая 36) . Следовательно, 5 для нормальной работы способа требуется некоторое увеличение амплитуды модуляции по углу аЫ (фиг. 2, кривая ом 37). При этом требуемая симметрия е- сигнала dI сохраняется при том же

1О значении угла падения, который был бы я найден, если эта же среда была бы не го поглощающей (фнг. 2, кривая 38). С уменьшением у кривые I=f{3 и, X) становятся более крутыми (фиг. 2, кривые 39 и 40) и амплитуда модуляции требуется минимальной, например (Фиг.2, ои кривая O 1) Da(=U,UUZ. Исследования н эксплуатация способа наказывают, что оптимальная величина амплитуды модуля20 ции по углу падения должна быть примерно s пределах aof 0,002+ Х . Нри этом, точной информации о величине показателя поглощения исследуемой среды у не требуется. В крайнем слу" . 25 чае достаточно знать, что среда не поглощающая (ЖО), слабо поглощающая (10 (Ж (10-э ) или обладае г значительт ным поглощением (10 < x < 10 2). чтобы установить требуемую амплитуду модуляции соответственно, ; до(,"-0,002,,Ы 0,003 илиФ(0,012.

В устройстве амплитуда модуляции регулируется микронрацессором 25 в нрацессе пробных измеренный путем увеличения амплитуды возбуждения катушки 16 вибратора, если переменная составляющая сигнала фотоприемника

Е при найденном угле с(окажется меньше определенной величины. этому двигатель 23 вращается в прот воположную сторону и лимб 12 с элем том 6 поворачиваются в сторону умен шения угла падения a(, т.е. опять в сторануо(„ .

Из фиг. 2 видно, чта в процессе плавного изменения описанным способ угла падения найдется такой угол пад ния И, при котором переменная сос/ .тавляющая сигнала 5 Х {фнг. 2, крива

35) симметрична относительно средне значения, амплитуды обоих нолуперио дав продетектираванного сигнала наи большие и равны между собой. В этом случае в спектре продетектираванного сигнала отсутствуетсаставляющая перв

Ф гармоники частоты ы, сигнал на обмотке управления двигателя 23 атсут ствует и двигатель останавливается, а датчик 26 угловых перемещений фик сирует угол Ы, который,как наказа ли исследования, меньше ef„ aa вели чину 10 зхп Ы . Иикрайрацессор 25 согласно. равенству в „ п,sin (d +

+ 10 э зхв Ы ) вычисляет искомую ве личину показателя преломления пагло щакнцей исследуемой среды, индицируе

его ча табло индикатора 27 и резуль тат измерений фиксируется на печата ющем устройстве 28.

Ксли первоначальна угол падения свет@ настолько мал, что постоянная составляющая интенсивности света

Х „ 6 0,3 отн. ед. либр настодько ве лик, что Х Ъ 0,85 отн.ед., в этих сдучаяХ срабатывает. соответственно либо пороговое устройство 19, либо пороговое устройство 18, ьжкропроце сор 25 выдаат соответствующую каман- 4О ду на ключ 22 и на обмотку управления двигателя 23 подается нераменный сигнал частоты сд соответствующей фазы да тех пор, пака уровень постоянной составляющей интенсивности света в относительных едиыицах окажется в пределах 0,35 4 Х„<0,85, т.е. до возвращения пороговых устройств 19 и 18 в исходное состояние. Затем по команде микрапрецессара 25 ключ 22 переводится B состояние,.при катаром выход фильтра 21 снова подключается к обмотке управлечия двигателя 23 и

I поиск угла падения o(снова ведется следящей системой описанным выше способом.

Из фиг. 2 следует,-что с ростам пока"=-ателя поглощения р исследуемой среды наблюдается существенный наклон

Иикрапрацессор 25 управляет работой всего устройства„ и том числе производит температурную коррекцию (электронный термометр на чертежах не показан), обработк результатов измерений и т.д. ЛредлагаемьА способ позволяет p|. ÿòü валкую актуальную задачу измерения.показателя преломления поглощающих сред простьии средствами с высокой точностью

4(1=3) 10-4 в диапазоне и = 1-1 7

Ега реализация намного проще известных отражательных рефрактаметров.

Формула изобретения

Способ измерения показателя преломления поглощающих eyeö, включаюпдй направление каллнмнраванного пучка

1520404 света на границу контакта исследуемой среды с прозрачной высокопреломляющей средой с известным показателем преломления и, со стороны этой

5 среды, периодическое изменение угла . падения пучка света, фотоэлектрическую регистрацию отраженного границей контакта сред пучка света, определение по ее результатам критического угла падения света Ы„, по которому рассчитывают показатель прелоипения а„ поглощающей среды по формуле и „ =

R тем, что, с цельв повышения точности, 5 при фотоэлектрической регистрации от-, раженного света из- зарегистрированного сигнала выделяют переменнук составляющую н подвергают ее двухнолупериодному детектированию, причем периодическое изменение угла падения пучка производят на величину и,равную л(= (0,002+ й) рад., где л-показатель поглощения исследуемой среды, при этом дополнительно изменяют угол падения с(до некоторой величины

Ы, при которой амплитуды обоих полупериодов продетектнрованного сигнала максимальны и равны между собой, а критический угол падения определяют по формуле е(9 + f0 81п Q °

1520404

1Ю

Составитель С ° Голубев

Редактор Н. Лазаренко Техред Л.Олийнык Корректор 3I.Патай

Заказ 6749/44

Тираж 789

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101