Устройство для измерения показателя преломления светорассеивающей среды

 

Изобретение относится к физической оптике, в частности к оптической рефрактометрии, и может быть использовано для измерения показателей преломления различных светорассеивающих сред, как стационарных, так и нестационарных, таких как растворы, суспензии, газовые среды. Целью изобретения является повышение точности и экспрессности измерений. Для этого в устройство, содержащее интерферометр, поляризационные блоки, оптический фильтрующий блок, блок-анализатор поляризации, фотоэлектрический блок регистрации, вводится дополнительно блок обработки электрических сигналов, входы которого нагружают выходы фотоэлектрического блока регистрации, выполненного на базе четырехплощадочного фотоприемника и узла регистрации. Два выхода этого блока, сигналы в которых пропорциональны неравномерности освещенности фотоприемника по двум взаимно перпендикулярным осям, включены на входы электромеханического узла двухкоординатного перемещения, механически жестко связанного со светоделительным кубиком. Третий выход, сигнал в котором пропорционален суммарной освещенности фотоприемника, включен на управляющий вход механизма вращения, жестко связанного с анализатором, и на вход узла регистрации, второй вход которого соединен с анализатором. Электрический сигнал с анализатора пропорционален углу его поворота. Блок обработки сигналов содержит фазочувствительные выпрямители, опорным сигналом которых является сигнал управления модулятором Фарадея. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЭОБРЕТЕНИЛ

Н А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

llPH ГКНТ СССР (21 ) 4486597/31-25 (22) 23.09.88 (46) 15.10.90. Бюл. К 38 (71) Черновицкий государственный университет (72) О,В. Ангельский, И.А. Бучковский, П.П. Максимяк и Т.О. Перун (53) 535.024 (088.8) (56) Борн М.„ Вольф Э. Основы оптики. M.: Наука, 1973, с. 253-255.

Авторское свидетельство СССР

Р 1213397, кл. С 01 И 21/45, 1984. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТОРАССЕИВАИЩЕЙ СРЕДЫ (57) Изобретение относится к физической оптике, в частности к оптической рефрактометрии, и может быть использовано для измерения показателей преломления различных светорассеивающих сред как стационарных, так и нестационарных, таких как растворы, суспензии, газовые среды.

Целью изобретения является повышение точности и экспрессности измерений. Для этого в устройство, содержащее интерферометр, поляризационные блоки, оптический фильтрующий блок, блок-анализатор поляризации, Изобретение относится к физической оптике, в частности к оптической рефрактометрии, и может быть использовано для измерения показателей преломления стационарных и нестационарных светорассеивающих сред, таких как растворы, суспензии и газовые среды.

ÄÄSUÄÄ 1599723 А1

2 фотоэлектрический блок регистрации, вводится дополнительно блок обработки электрических сигналов, входы которого нагружают выходы фотоэлектрического блока регистрации, выполненного на базе четырехплощадочного фотоприемника и узла регистрации.

Два выхода этого блока, сигналы в которых г ропорциональны неравномерности освещенности фотоприемника по двум взаимноперпендикулярным осям, включены на входы электромеханического узла двухкоординатного перемещения, механически жестко связанного со светоделительным кубиком. Третий выход, .сигнал в котором пропорционален суммарной освещенности фотоприемника, включен на управляющий вход механизма вращения, жестко связанного с анализатором, и на вход узла регистрации, второй вход которого соединен с апали".=.òîðLæ .

Электрический сигнал с анализатора пропорционален углу ..го повс.:рот, ., Блок .обработки сигналов содержит фазочувствительные выпрямители, опорным сигналом которых является сигнал управления модулятором Фарадея. 3 ил.

Целью изобретения является повышение точности и экспрессности измерений показателя преломления,, а также уменьшение трудоемкости и расширения диапазона измерений на нестационарные рассеивающие среды.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для измере1599723

Излучателем служит одномодовый лазер ЛГН-207А, для компенсации разности хода разделенных пучков применяются фазовые клинья. Поляризационные блоки состоят иэ поляроидов и фа-. зовых пластинок "9,/4", формирующих циркулярную поляризацию излучения, Оптический фильтрующий блок, осуществляющий фильтрации пространственных частот, содержит конфокально рас55 положенные микрообъектив и длиннофокусный объектив с микронной диафрагмой в фокальной плоскости. ния показателя преломления светорассеивающей среды; на фиг.2 — схема блока обработки электрических сигналов; на фиг.3 — оптическая схема устройства.

Устройство для измерения показателя преломления светорассеивающей среды состоит из излучателя 1, светоделительного блока 2, блока 3 нейтральных ослабителей оптического излучения, блока 4 компенсации pa:зности хода разделенных пучков, поляриэационных блоков 5, кюветы 6 с исследуемым веществом, оптического 15 фильтрующего блока 7, смесителя 8 пучков излучения, анализатора 9, четырехплощадочного фотоприемника 10, блока 11 обработки электрических сигналов, узла 12 двухкоординатного пере-2О мещения, смесителя 8 пучков излучения, узла 13 вращения анализатора 9 и узла 14 регистрации.

Блок 11 обработки электрических сигналов имеет четыре идентичных входа, нагруженных выходами соответственно каждой из четырех площадок фотоприемника. Он включает последовательно соединенные четырехканальный усилитель 15, сумматор 16, инвертор

17, сумматор 18, Выходы сумматора

17 соединены через компараторы 19 и фазочувствительные выпрямители 20 с узлом 12 двухкоординатного перемещения смесителя 8. Выход сумматора 16, на котором суммируются все входные сигналы также соединен через компара" тор 19 и фазочувствительный выпрями-! тель 20 с узлом 13 вращения анализатора 9. Опорные. входы фазочувстви- 40 тельных выпрямителей 20 соединены с выходом .модулятора 21 Фарадея, который совместно с узлом 12 двухкоординатного перемещения и узлом 13 вращения соединены с трансформатором 22, 45 !

Устройство работает следующим образом, Излучение одномодового лазера, пройдя коллиматор, формирующий плоскую волну, попадает на светоделительный кубик 2, который вместе с зеркалами и смесителем 8 пучков излучения составляет в совокупности интерферометр. Блок 3 нейтральных ослабителей служит для выравнивания интенсивностей в плечах интерферометра, для компенсации разности хода разделенных пучков применяются клинья. Поляроиды и фазовые пластинки "9/4" поляризационного блока 5 формируют две ортогональные циркулярно поляризованные волны в плечах интерферометра.

За кюветой 6 с исследуемой светорассеивающей средой, помещенной в объектном канале интерферометра, расположен оптический фильтрующий блок 7, состоящий иэ 2 идентичных конфокально расположенных объективов с фокусными расстояниями 30 мм с микронной (20рт) диафрагмой в фокальной плоскости, служащий для выделения рассе— янного излучения с нулевой пространственной частотой. На выходе интерферометра .в результате интерференции двух ортогонально циркулярно поляризованных пучков имеется линейно поляризованное излучение с азимутом, ко- . торый определяется разностью хода интерферирующих пучков.

Блок-анализатор поляризации вместе с фотоэлектрическим блоком регистрации служит для измерения азимута линейной поляризации результирующего излучения на выходе интерферометра. На модулятор Фарадея подается переменное синусоидальное напряжение определенной. частоты ), с помощью чего раскачивается плоскость поляризации результирующего излучения. Вращая анализатор, добиваются удвоения частоты 2 1 сигнала., регистрируемого фотоэлектрическим блоком.

Снимая отсчет угла поворота анализатора, находят азимут линейной поляризации. Возникшая в результате внесения рассеивающих частиц в среду разность азимутов поляризации а о6 однозначно связана с изменением показателя преломления g n

Ъ

$n = --- - — - аg, 380 1 о где ф — длина волны;

1„- толщина кюветы, .1599723

Последовательность операций по измерению разности показателей преломления Дп следующая. С помощью нейтрального ослабителя 3 компенсаЭ

5 . тора 4, перекрывая порчередна пучки в плечах интерферометра, добиваются равенства интенсивности и оптических путей интерферирующих,пучков.Затем, приблизительно настроив интерферометр на "нулевую полосу (что контролируется визуально ) в пределах половины полосы, включают автомати-. ческую систему точной подстройки на

"нулевую" полосу и удержания минимума интенсивности, Четыре сигнала а, Ь, с и d попа- дают на блок 13 операционных усилителей.и усиливаются до значений А, В, С и D. С помощью сумматора.16 и ин- 20 вертора 17 формируются сигналы (A +

+ В), (А + D), — (С + D), - В + С), (А + В + С + D). На выходе сумматора 18 формируются управляющие сигналы Х = (А + D) — (В + С), Y = 25 (А + В) — (С + П), характеризующие соответственно горизонтальную и вертикальную неравномерности освещенности фотоприемника. Вместе.с общим сигналом . = A+B+C+D, характеризующим 30 общую суммарную освещенность фотоприемника, сигналы Х и Y поступают на входы трех каналов, каждый из которых состоит из компаратора 19, фазочувствительного выпрямителя 20, опррным сигналом которого является сигнал управления модулятором 2! Фарадея, моторов узлов 12 двухкоординатнаго перемещения смесителя 8 пучков излучения и узла 13 вращения ана- 4О лизатора, трансформатора 8, управляю-. щих узлов двухкоординатнаго перемещения светоделителя (Х и 7) и механизмом вращения анализатора +).

В зависимости от знака сигналов

Х и 7 подается положительное или отрицательное напряжение на моторы, которые через систему редукторов, составляющих вместе с мотором узел двухKooppHHBTHoI о перемещения передают 5р поступательное движение на смеситель

8 пучков излучения, качая ега ва взаимно перпендикулярных направлениях, обеспечивая таким образом подстрой-, ку на "нулевую" интерференционную

55 полосу, до достижения полной равномерности освещенности фотоприемника, что соответствует Х .= Y = 0. Суммарный сигнал управляет мотором, вращающим через зубчатую передачу анализатор да достижения минимального значения .. Таким образом обеспечивается удержание минимума .. :в процессе измерения.

Узел регистрации содержит вычислительное устройства и транскриптор с цифропечатью, позволяющие автоматически пересчитывать угол поворота анализатора в значение разности показателя преломления Дп, запоминать ега с малым временным интервалом (60 MKc) и выдавать графическую зависимость и = f (t) . Автоматическая настройка на нулевую интерференционную полосу повышает точность в 2-3 раза и обеспечивает хорошую воспроизводимость результатов измерений.

Формула и з о б р е т е н и я

Устройство для измерения показателя преломления светорассеивающей среды, содержащее источник излучения, оптически связанный с входом двуплечего интерферометра, имеющего смеситель пучков, в опорном плече которого последовательно установлены по ходу излучения нейтральньп| ослабитель, компенсатор разности хода лучей, поляризатор и фазовая четвертьволновая пластинка, а в рабочем плече интерферометра установлены по ходу излучения аналогичные поляризатор и четвертьволновая пластинка, кювета и оптический фильтрующий блок в виде двух объективов и расположенной между ними диафрагмы, на выходе инТерферометра па ходу излучения последовательно установлены модулятор Фарадея, анализатор, фотоприемник, а также узел регистрации, а т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повыше-. ния точности и экспрессности измере= ний, в устройство дополнительно введены блок обработки электрических сигналов и управления, электромеханический узел двухкоординатного перемещения и узел вращения, при этом указанные узлы соединены соответственна со смесителем пучков интерферометра и анализатором, а узел вращения анализатора соединен с узлом регистрации, при этом чувствительная площадка фотоприемника выполнена в виде четырех- равных площадок, а бло1 обработки электрических сигналов и управления включает последовательно

l599723

7 ! соединенные четырехканальный усилитель, входы каждого канала которого соединены с соответствующими четь|рьмя площадками фотоприемника сумУ 5 матор сигналов со всех четырех вхо-. дов, а также сигналов первого и третьего входов с сигналами второго и четвертогд входов, входы которого соединены с соответствующими выходами каналов четырехканального усилителя, инвертор двух сигналов, сое-. диненный с выходами сумматора сигналов третьего входа с вторым и четaIE.pTbIM, другого сумматора сигналов 15

slroporo и четвертого, а также первоrb и третьего входов, первый и втоРЬй входы которого соединены с соответствующими выходами основного сумматора сигналов первого входа с вторым и четвертым, а третий и четвертый входы соединены с соответствующими первым и вторым выходами инвертора, выход сумматора сигналов со всех четырех входов соединен через компаратор и фазочувствительный выпрямитель с узлом вращения, а каждый из выходов другого сумматора сигналов соединен через другие компараторы и фазочувствительные вьптрямители с соответствующими входами электромеханического узла двухкоординатного перемещения при этом опорные входы всех фазочувствительных выпрямителей соединены с модулятором Фарадея, 1599723

Фиг.2

3 4

Составитель С. Голубев

Техред Л CepaloKoBa Корректор Л. Бескид

Редактор Т. Парфенова

Заказ 3137 Тираж 513 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, !01