ПОЛЯРИМЕТР Российский патент 1998 года по МПК G01J4/04 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для исследования оптической активности жидких и твердых сред.

В технике известны поляриметры, например "Устройство для определения постоянной Верде прозрачных сред" указано в журнале "Оптико-механическая промышленность" N 3, 1971 г, с. 27-29, содержащее осветитель, поляризатор, электромагнитный с ручным управлением компенсатор, в котором предусмотрено место для установки исследуемого образца, магнитооптический модулятор света, анализатор, фотоприемник с последовательно соединенными измерителем амплитуды первой гармоники, включающим фильтр первой гармоники и синхронный амплитудный детектор, а также нуль-индикатор. При вращении плоскости поляризации света испытуемым образцом появляется сигнал рассогласования (относительно нулевого начального положения), который отрабатывается оператором через электромагнитный компенсатор, электрический выход которого подключен к выходному индикатору.

Недостатками этого устройства являются: низкая пропускная способность, частота измерения, усложненная конструкция элементами обратной связи, низкая чувствительность, так при определении сахара в моче чувствительность составляет 0,1%, нестабильность излучателя, недостаточная точность измерения.

Наиболее близким решением является устройство "Микрополяриметр для высококачественной жидкостной хромотографии" по патенту США N 4498774, кл. G 01 N 21/21, 1985, содержащее источник излучения (аргоновый лазер) с регулятором мощности потока излучения, включая ячейку Поккельса PC, поляриметр P, светоделительное зеркало B_s, а также дополнительные элементы отрицательной обратной связи - вспомогательный фотоприемник D и операционный усилитель OPAMP - для управления работой ячейки Поккельса и стабилизации светового потока на выходе светоделительного зеркала B_s. Далее стабилизированный по мощности световой поток проходит через поляризатор P₂, компенсатор F₃, кювету C_L с исследуемой жидкостью, модулятор Фарадея (F₁ и F₂), анализатор P₃ и фотоприемное устройство, включающее в себя апертурную диафрагму A, интерференционный фильтр F₂ и фотоумножитель РМТ. Выходной сигнал фотоумножителя подключен к фазочувствительному усилителю L₁ огибающей амплитудно-модулированного фотоэлектрического сигнала. Измерительный выход этого усилителя подключен к индикатору RC, а управляющий выход через дополнительные усилители АМР и DR₂ к компенсатору F₃ образует петлю главной отрицательной обратной связи. Фазочувствительный усилитель выполняет функцию измерения амплитуды первой гармоники амплитудно-модулированного светового (фотоэлектрического) сигнала и в соответствии с общими схемами построения таких устройств включает в себя усилительный каскад переменного тока (фильтр первой гармоники; амплитудный детектор для выделения низкочастотного модулирующего сигнала огибающей из модулированного высокочастотного сигнала; фильтр низкой частоты (постоянного тока) для сглаживания пульсаций выпрямленного сигнала и улучшения отношения сигнал-шум. Выходной сигнал усилителя L₁ зависит от коэффициента передачи (поглощения света) измеряемого образца, но благодаря наличию жесткой связи между выходом этого усилителя и током компенсатора угол поворота компенсатора устанавливается автоматически равным измеряемой величине. Относительная погрешность измерений определяется величиной , где K - коэффициент передачи всех звеньев, входящих в петлю главной отрицательной обратной связи, включая образец.

Недостатками такого решения являются: полоса пропускания в этой системе довольно низкая и определяется возможностями схемы компенсатора, работающего в режиме отрицательной обратной связи, отсюда и более низкие динамические характеристики, низкая стабильность системы в целом к случайным изменениям параметров отдельных элементов, очень сложная конструкция, неэкономичная, дорогая по себестоимости, создано для целей узкого назначения, имеются значительные погрешности измерений, зависящие от поглощения образца.

Задачей изобретения является повышение точности и улучшение динамических характеристик.

Эта задача решается за счет того, что в поляриметр, содержащий источник линейно поляризованного излучения и расположенные по ходу излучения модулятор Фарадея, держатель объекта, анализатор, фотоприемник с электронным блоком для измерения амплитуды первой гармоники частоты модуляции фотоэлектрического сигнала и индикатор, введены электронный блок для измерения амплитуды второй гармоники частоты модуляции фотоэлектрического сигнала и делитель, причем вход электронного блока измерения амплитуды второй гармоники частоты модуляции фотоэлектрического сигнала электрически соединен с выходом фотоприемника, а выход этого блока подсоединен к входу делителя, при этом к делителю подсоединен также выход электронного блока для измерения амплитуды первой гармоники частоты модуляции фотоэлектрического сигнала, а выход делителя подсоединен к индикатору.

Эта задача решается также и за счет того, что в поляриметр, содержащий источник линейно поляризованного излучения и расположенные по ходу излучения модулятор Фарадея, держатель объекта, анализатор, фотоприемник с электронным блоком для измерения амплитуды первой гармоники частоты модуляции фотоэлектрического сигнала и последовательно подсоединенный к нему индикатор, а также регулятор мощности источника излучения, введен электронный блок для измерения амплитуды второй гармонии частоты модуляции фотоэлектрического сигнала, вход которого соединен с выходом фотоприемника, а выход этого блока подсоединен к регулятору мощности источника излучения.

Существенные отличительные признаки изобретения позволяют повысить точность измерения и улучшить динамические характеристики, экономичность, компактность.

Поляриметр содержит источник линейно поляризованного излучения 1 и расположенные по ходу излучения поляризатор 2, модулятор Фарадея 3, держатель объекта 3, анализатор-поляризатор 5, фотоприемник 6, в электрическую цепь которого подключен электронный блок 7 измерения амплитуды первой гармоники частоты модуляции фотоэлектрического сигнала и электронный блок 8 для измерения амплитуды второй гармоники частоты модуляции фотоэлектрического сигнала. Поляриметр содержит также индикатор 9, делитель 10 и регулятор мощности 11 источника излучения (регулятор тока). Выходы электронных блоков 7 и 8 для измерения амплитуд первой и второй гармоник частот модуляции фотоэлектрического сигнала подсоединены на вход делителя 10, подключенного к индикатору 9. Второй выход электронного блока 8 для измерения амплитуды второй гармоники частоты модуляции фотоэлектрического сигнала подключен к входу регулятора мощности 11 излучателя, который в свою очередь подключен к источнику излучения 1.

Поляриметрический метод измерения вращения плоскости поляризации поляризованного света активными веществами состоит в следующем. Исследуемое активное вещество размещают в держателе объекта 4 и помещают в ход пучка лучей излучателя 1 между двумя поляризаторами 2 и 5, плоскости поляризации которых "скрещены", т.е. в начальном положении расположены под углом 90^o. С помощью модулятора Фарадея 3 раскачивают плоскость поляризации поляризованного света относительно среднего положения с частотой F_м, питающего модулятор тока. Модулированный по интенсивности свет с выхода анализатора 5 направлен на фотоприемник 6. Оптически активное вещество повернет плоскость поляризации на угол ϕ относительно исходного положения, заданного первым поляризатором 2. Взаимосвязь между потоком на приемнике Ф_пр. и углом ϕ имеет вид
,
где
Ф_о - световой поток на входе анализатора,
A - амплитуда раскачки плоскости поляризации модулятора Фарадея,
ω_м= 2πF_м - - угловая частота переменного тока раскачки в модуляторе
D_⊥ - коэффициент пропускания света скрещенными поляризаторами.

Таким образом углы вращения плоскости поляризации света оптически активным веществом преобразуются в амплитуду первой гармоники фотоэлектрического сигнала на входе фотоприемника. На выходе электронного блока 7 для измерения амплитуды первой гармоники частоты модуляции фотоэлектрического сигнала напряжения равно U_д1= Ф_o•2Aϕ а на выходе электронного блока 8 для измерения амплитуды второй гармоники частоты модуляции фотоэлектрического сигнала напряжение равно , в результате деления в делителе 12, на выходе последнего имеется сигнал, равный что и фиксируется на индикаторе 9. Регулятор мощности излучения 11 обеспечивает гарантированный минимум света на фотоприемнике 6. И если на фотоприемнике недостаточно освещенности из-за низкого коэффициента пропускания вещества объекта, то мощность излучателя повышается благодаря повышению тока в цепи его питания. Амплитуда второй гармоники пропорциональна и прозрачности исследуемого вещества и квадрату амплитуды модуляции при малой величине угла поворота. Регулятор мощности излучения 11 выполняет две функции: обеспечивает нормировку выходного сигнала к амплитуде второй гармоники аналогично тому, как это делает делитель 10, и обеспечивает стабильное отношение сигнал-шум в процессе измерений вне зависимости от прозрачности исследуемого вещества (в пределах возможности регулировки в 2-5 раз). Регулятор мощности излучения 11 и делитель 10 выполняют аналогичные функции по нормировке выходного сигнала, поэтому при работе поляриметра может быть использован либо один принцип, либо другой нормировки, т.е. без включения в схему цепи регулятора мощности излучения 11 или делителя 10.

В поляриметре используется схема прямого измерения и математической обработки информации. Точность прибора повысилась на порядок, улучшены динамические характеристики прибора на 2-3 порядка, экономичность, компактность, может быть изготовлен малыми предприятиями и мастерскими, широко промышленно применим в различных областях промышленности: в технике, медицине, оптической, пищевой, химической.

Использование: изобретение относится к оптическому приборостроению, может быть использовано в технике, медицине, пищевой и химической промышленности. Сущность изобретения: устройство содержит источник излучения 1, поляризатор 2, модулятор Фарадея 3, держатель объекта 4, анализатор 5, фотоприемник 6 и электронные блоки 7 и 8 для измерения амплитуд первой и второй гармоник. , соответственно, выходы которых подключены на делитель 10, соединенный с индикатором 9. Выход блока 8 может быть подключен ко входу регулятора тока II, который в свою очередь подсоединен к источнику излучения 1. В начальном положении поляризатор 2 и анализатор 5 "скрещены", свет через оптическую систему не проходит, на индикаторе 9 фиксируется нулевой отсчет. Разместив объект на держателе 4, в системе устройства фиксируется прохождение света благодаря поляризационной способности объекта, повороту плоскости поляризации объекта (вещества). На индикаторе 9 фиксируются значения измеряемого угла, нормированные к амплитуде угловой раскачки света, создаваемой с помощью модулятора Фарадея. 1 ил.

1. Поляриметр, содержащий источник линейно поляризованного излучения и расположенные по ходу излучения модулятор Фарадея, держатель объекта, анализатор, фотоприемник с электронным блоком для измерения амплитуды первой гармоники частоты модуляции фотоэлектрического сигнала и индикатор, отличающийся тем, что в него введены электронный блок измерения амплитуды второй гармоники частоты модуляции фотоэлектрического сигнала и делитель, причем вход электронного блока измерения амплитуды второй гармоники частоты модуляции соединен с выходом фотоприемника, а выход этого блока подсоединен к входу делителя, при этом к делителю подсоединен также выход электронного блока измерения амплитуды первой гармоники частоты модуляции, а выход делителя подсоединен к индикатору. 2. Поляриметр, содержащий источник линейно поляризованного излучения и расположенные по ходу излучения модулятор Фарадея, держатель объекта, анализатор и фотоприемник с электронным блоком измерения амплитуды первой гармоники частоты модуляции фотоэлектрического сигнала и последовательно подсоединенный к нему индикатор, а также регулятор мощности источника излучения, отличающийся тем, что в поляриметр введен электронный блок для измерения амплитуды второй гармоники частоты модуляции фотоэлектрического сигнала, вход которого соединен с выходом фотоприемника, а выход этого блока подсоединен к регулятору мощности излучения.