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/Тм, где Тм - период модуляции.
Одновременно с регистрацией изменений порядка интерференции осуществляется определение (для каждого периода модуляции) скорости смещения полос по формуле Vj= (Qj+δj-Qj-1-δj-1)/Tм= 
, (1) где Vj - скорость смещения полос на j-м периоде модуляции;
δj, δj-1 - значения дробных частей интерференционной полосы, соответствующие j-м и (j-1)-му периодам модуляции;
Qj, Qj-1 - значения целых интерференционных полос, соответствующие j-му и (j-1)-му периодам модуляции;
ΔNм - 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 Vм = 0,33/Тм. Далее при первом попадании значения дробной части интерференционной полосы во вторую зону интерференционной полосы определяют направление смещения полос путем запоминания знака изменения порядка интерференции ΔNм, 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
Vi = 1/Ti, (2) где Vi - скорость смещения полос на i-м интервале;
Ti - длительность временного интервала между передними фронтами (i+1)-го и i-го импульсов последовательности.
При снижении значения скорости ниже уровня, соответствующего значению скорости Vl, 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 ΔNм на момент отключения модуляции, а знак "минус" - отрицательному знаку значения ΔNм.
Типичными для скоростей V1 и V2 являются значения
V1≈0,25/Тм (1/C),
V2≈0,15/Tм (1/С).
Результирующее время tр регистрации при реализации указанных значений V1 и V2 оказывается равным
tp ≈30˙ Tм ˙Р1/2 . (4)
Расчет аналогичных значений tр для известного способа регистрации приводит к соотношению вида
tр
3 Тм˙ 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 Тм, формируемом с помощью генератора 25 и формирователя 26, управляющего работой генератора 27. Определение дробной части интерференционной полосы осуществляется путем измерения блоком 20 временных интервалов Δtj, соответствующих разности фаз между двумя гармоническими электрическими сигналами, измерения блоком 31 величины периода гармонических сигналов Тс, последующего расчета величины дробной части интерференционной полосы δj по формуле
δj = Δtj/Tcj . (6)
Определенное значение δj 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 δj ставится в соответствие определенная зона интерференционной полосы (первая, вторая или третья). Далее осуществляется сравнение номеров зон для предшествующего значения δj-1, запомненного в регистре 23 блока 21, и текущего значения δj. 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 δj 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 Vj 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 ΔNм 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.
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 Tm отключается, а при снижении скорости смещения полос до второго порогового уровня V2 модуляция включается, при этом 0<V2<V1<0,33Tm . 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.
СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ИЗМЕНЕНИЙ ПОРЯДКА ИНТЕРФЕРЕНЦИИ по смещению полос интерференционной картины, заключающийся в осуществлении периодической модуляции порядка интерференции с периодом Tм, 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 / Tм и дополнительно определяют для каждого периода модуляции изменение порядка интерференции Δ Nм и его знак и значение скорости смещения полос интерференционной картины Vм по формуле
vм = Δ Nм / Tм
и сравнивают значение скорости смещения полос Vм 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 vδ в отсутствие периодической модуляции по формуле
vδ = T -1
и сравнивают значение скорости смещения полос Vδ 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 Nм на момент включения модуляции.
