Устройство для измерения пульсацийградиента оптического коэффициентапреломления

 

(iö811È8

ОП ИСАН ИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 23.02.79 (21) 2728886/18-25 (51) М. К..

G 01N 21/45 с присоединением заявки №

Гасударственный комитет (23) Приоритет (43) Опубликовано 07.03.81. Бюллетень ¹ 9 (45) Дата опубликования описания 07.03.81 (53) УДК 535.322.4 (088.8) по делам изобретений и открытий

I 1

М. Г. Батов, В. А. Белогольский, Е. П. Горев, М. И. Кузйфуяк,; „,, и Л. М. Саморукова г.

4 1»;.

4 \"! (72) Авторы изобретения (71) Заявитель

I !

1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ

ГРАДИЕНТА ОПТИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА

ПРЕЛОМЛЕНИЯ

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для исследования оптических неоднородностей жидкостей и газов.

Известно устройство для измерения градиента коэффициента преломления, содержащее источник света, объектив, диафрагму, оптический нож и систему фоторегистрации (1).

Недостатком этого устройства является влияние флуктуации интенсивности источника света и пульсаций коэффициента поглощения света.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для измерения пульсаций градиента оптического коэффициента преломления, содержащее источник света, объектив и регистрирующую систему, включающую оптический нож, фотоприемник и индикатор (2).

Ввиду того, что в этих устройствах регистрирующая система реагирует на изменение светового потока, то им также присущи недостатки, связанные с нестабильностью интенсивности источника света, пульсацией коэффициента поглощения света, нестабильностью коэффициентов преобразования фотоприемника и индикатора.

Цель изобретения — уменьшение погрешности измерения. ЗО

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для измерения пульсаций градиента оптического коэффициента преломления, содержащем источник света, ооъектив и регистрирующую систему, включающую оптическии нож, фотоприемник и индикатор, на пути распространения излучения источника света установлен модулятор с ультразвуковым излучателем, так что направления распространения излучения источника света и ультразвука образуют угол Брегга и лежат в одной плоскости, а ооъектив установлен на фокусном расстоянии от центральной нормали ультразвукового излучателя, при этом главная оптическая ось объектива совпадает с направлением излучения источника света, а за объективом в его фокальной плоскости установлен непрозрачный экран с двумя отверстиями, расположенными на прямои, параллельной направлению ультразвука, диа1 л метром — — — /, где Лсв — длина волны

10 лил излучения источника света; Л„з — длина волны излучения первого ультразвукового излучателя, t — фокусное расстояние объекти1 и. ва, и на расстоянии — — — / от главной туз оптической оси объектива, проходящей

81Ш8 через эту прямую, а за Экрайом уста= новлено полупрозрачное зеркало, создающее опорный и измерительный каналы, оптические длины которых равны, оптический нож регистрирующей системы выпол1 нен в виде щели шириной — Ху, и установ4 лен перед фотоприемником измерительного канала ортогонально направлению распространения ультразвука, регистрирующая система дополнительно содержит фотоприемник опорного канала и второй оптический нож, установленный перед ним также ортогонально направлению распространения ультразвука.

Кроме того, с целью одновременного и независимого измерения пульсаций градиента оптического коэффициента преломления по двумя взаимно перпединкулярным направлениям, в модулятор установлен второй ультразвуковой излучатель, так что направления распространения излучения источника света и ультразвука второго излучателя образуют угол Брегга и лежат в одной плоскости, направления ультразвуков обоих излучателей ортогональны и лежат в одной плоскости, причем частоты модуляции излучателей разные, а непрозрачный экран содержит дополнительно два отверЛсв .с

/ стия диаметром, ),где Х,-, — длина ув волны излучения второго ультразвукового излучателя, расположенные на прямой, параллельной направлению излучения второго ультразвукового излучателя, на расстоянии

Лсв ," f от главной оптической оси объекЛуз тива, проходящей через эту прямую, а два оптических ножа регистрирующей системы выполнены в виде креста.

На чертеже схематически изображено данное устройство.

Устройство содержит источник света 1, установленный на пути распространения его излучения модулятор 2 с ультразвуковым излучателем, так что направления распространения излучения источника света и ультразвука образуют угол Брегга и лежат в одной плоскости, объектив 3, расположенный на фокусном расстоянии от центральной нормали ультразвукового излучателя, за объективом в его фокальной плоскости установлен непрозрачный экран 4 с двумя

Лсв отверстиями диаметром " f, располо10 Лсв женными на прямой, параллельной направЛсв лешпо ультразвука, на расстоянии — — (2 Л, от главной оптической оси объектива 3, проходящей через эту прямую, полупрозрачное зеркало 5, установленное за экра10

2б

3 3

0з пом 4, создающее опорный и измеритель= ный каналы, оптические длины которых равны. Измерительный оптический канал включает иллюминаторы 6, между которыми находится исследуемая среда 7, зеркало

8 и призму 9. Оптический нож 10, представ1 ляющий собой щель шириной — Ху„установлен непосредственно перед фотоприемником измерительного канала i l ортогонально направлению распространения ультразвука. Опорный канал включает призму 12, оптический нож 13, представляю ций "îáîé щель шириной 1/4 Х „установленный непосредственно перед фотоприемником опорного канала 14, ортогонально направлению ультразвука. B регистрирующую систему могут быть включены, например, два фильтра 15 и 16, входы которых раздельно подключены к фотоприемникам

11 и 14, а выходы — ко входам фазометра

17, выход которого подключен к индикатору 18. !

1ри одновременном и независимом измерении пульсаций градиента оптического коэффициента преломления по двум взаимно перпендикулярным направлениям модулятор должен быть снабжен вторым ультразвуковым излучателем (на чертеже не показан), так что направления распространения излучения источника света и ультразвука второго излучателя образуют угол Брегга и лежат в одной плоскости, направления ультразвуков обоих излучателей ортогональны. Непрозрачный экран содержит дополнительно два отверстия диаметром св ," f, расположенные на прямой, парал10 Лв лельной направлению излучения второго ультразвукового излучателя, на расстоянии

Лсв — —,— f от главной оптической оси объекЛуз тива, проходящей через эту прямую, а два оптических ножа регистрирующей системы выполнены в виде прозрачного креста, щели которого ортогональны соответствующим направлениям ультразвуков. К выходу фотоприемников подключено еще по фильтру, настроенному на двойную частоту второго ультразвукового излучателя, выходы которых подсоединены ко входам второго фазометра, выход которого подключен к дополнительному индикатору.

Устройство работает следующим образом.

Световой пучок источника света 1 проходит через модулятор 2, где он дифрагирует

»а бегущей ультразвуковой волне. Дифрагированные пучки передаются объективом

3 на непрозрачный экран 4, который пропускает пучки первого порядка, при этом последние практически в опорном и изме813118 рительном каналах совмещены. Полупрозрачное зеркало 5 разделяет световой пучок

ДвУх Длин волн (1св — /,) и (1вв+1»в) на два. Опорный пучок с помощью призмы 12 направляется на оптический нож 13, в плоскости которого создается бегущая световая интерференционная картина с частотой

2/»,. Измерительный пучок испытывает возмущения среды 7, находящейся между иллюминаторами б, направляется зеркалом 8 и призмой 9 на оптический нож 10, в плоскости которого также создается бегущая световая интерференционная картина с частотой 2 f»3.

После ножей образуется световой поток, пульсирующий с двойной частотой ультразвука. Наличие пульсаций градиента оптического коэффициента преломления в измерительном канале приводит к тому, что световой пучок отклоняется, а вместе с ним и бегущая интерференционная картина относительно оптического ножа 10, что соответствует сдвигу фазы относительно опорного пульсирующего светового потока.

Пульсирующие световые потоки преобразуются в электрические сигналы фотоприемниками 11 и 14, которые выделяются фильтрами 15 и 16, настроенными на двойную частоту ультразвука. С выхода фильтров электрические сигналы поступают на входы фазометра 13 раздельно; сигнал пропорциональный разности фаз индицируется блоком 18.

При одновременном и независимом измерении градиента оптического коэффициента преломления по двум взаимно перпендикулярным направлениям световой пучок источника 1 дифрагирует также одновременно на второй ультразвуковой волне, которая также создает пучки с частотой (f„—

1 »,) и (fcB+f »3). Эти пучки направляются объективом 3 в отверстия экрана, расположенные на прямой, параллельной направлению излучения второго ультразвукового излучателя, и расположенные на расстоя1 св нии — —, (от главной оптической оси

2 л», объектива, проходящей через эту прямую.

Пучки, прошедшие через эти отверстия, совмещаются практически в один, который трансформируется далее ранее описанными средствами к фотопреобразователям.

На выходе фотопреобразователей получаем по два сигнала с частотой 2 f », и 2 f»„Сигналы фильтруют и сравнивают фазометрами, на выходе которых получаем сигналы, пропорциональные изменению градиента оптического коэффициента преломления по двум взаимно перпендикулярным направлениям.

Использование средства в устройстве позволили достигнуть поставленной цели за счет того, что, во-первых, средний ток фотоприемника в 2 — 3 раза уменьшается, тем самым уменьшаются шумы на выходе приемника, во-вторых, за счет того, что в устройстве происходит 100 /О модуляция, чувствительность его за счет применения точечной диафрагмы возрастает в два раза по сравнению в прототипом. Данное техническое решение не реагирует на неоднородности второго порядка (размер которых меньше или равен диаметру светового пуч1О ка), применение опорного канала приводит к тому, что компенсируются шумы источника излучения и шумы ультразвукового модулятора, а также вибрации передающей части устройства.

15 Использование данного устройства позволит измерять изменение гра пента оптического коэффициента с точностью на порядок большей, чем известные устройства.

2i)

Формула изобретения

1. Устройство для измерения пульсаций градиента оптического коэффициента преломления, содержащее источник света, объектив и регистрирующую систему, включа25 ющую оптическии нож, фотоприемник и индикатор, отличающееся тем, что, с целью уменьшения погрешности измерения, на пути распространения излучения источника света установлен модулятор с ультра5О звуковым излучателем, так что направления распространения излучения источника света и ультразвука образуют угол Ьрегга и лежат в одной плоскости, а объектив установлен на фокусном расстоянии от центЗ5 ральной нормали ультразвукового излучателя, при этом главная оптическая ось объектива совпадает с направлением излучения источника света, а за объективом в его фокальной плоскости установлен непроз40 рачный экран с двумя отверстиями, расположенными на прямой, параллельнои направ1 лению ультразвука, диаметром Э

45 где Л„ †дли волны излучения источника света; Л», — длина волны излучения ультразвукового излучателя; j — фокусное расстояние объектива, и на расстоянии — †"- f »з от главной оптической оси объектива, проходящеи через эту прямую, а за экраном установлено полупрозрачное зеркало, создающее опорныи и измерительный каналы, оптические длины которых равны, оптический нож регистрирующей системы выпол1 нен в виде щели шириной — Л»в, и установлен перед фотоприемником измерительного канала ортогонально направлению распространения ультразвука, а регистрирующая система дополнительно содержит фотоприемник опорного канала и второй оптический нож, установленный перед ним также ортогонально направлению распространения ультразвука.

811118

Составитель Н. Гусева

Техред О. Павлова Корректор О. Тюрина

Редактор О, Филиппова

Заказ 359 11 Изд. № 185 Тираж 915 Подписное

ИПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и огкрытий

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

Типография, пр. Сапунова, 2

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью одновременного и независимо"o измерения пульсаций градиента оптического коэффициента преломления по двум взаимно перпендикулярным направлениям, в модулятор установлен второй ультразвуковой излучатель, так что направления распространения излучения источника света и ультразвука второго излучателя образуют угол Брегга и лежат в одной плоскости, направления ультразвуков обоих излучателей ортогональны и лежат в одной плокости, причем частоты модуляции излучателей разные, а непрозрачный экран содержит дополнительно два отверстия диа св

/ метром — — f, где Х;в — длина волны

10 излучения второго ультразвукового излучателя, расположенные на прямой, параллельной направлению излучения второго ультразвукового излучателя, на расстоянии

5 св — — от главной оптической оси объ2 л ув ектива, проходящей через эту прямую, а два оптических ножа регистрирующей системы выполнены в виде креста.

1О Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Васильев Л. Л. Теневые методы. М., «Наука», 1968, с, 60 — 61.

2. Якушенков Ю. Г. Расчет точности ав15 томатической фотоэлектрической углоизмерительной системы. Известия ВУЗов, «Приборостроение», 1964, Кв 5, с. 128 †1 (прототип).