/ Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения изменений оптической разности хода в интерферометрах.
Цель изобретения - повышение надежности измерений путем обеспечения регистрации скачкообразных изменений порядка интерференции за счет формирования дополнительного плеча интерферометра в белом цвете и регистрации целой части изменения оптической разности хода по положению ахроматической полос, которое отслеживает скачки порядка интерференции.
На фиг. 1 приведена оптическая часть интерферометра; на фиг. 2 - оптическая часть схемы интерферометра, поясняющая принцип регистрации изменений порядка интерференции в белом свете; на фиг. 3 - электронная часть схемы интерферометра; на фиг. 4 - схема блока сравнения (пример реализации); на фиг. 5 - схема блока вычислений и правления (пример реализации); на фиг. 6 - диаграммы работы блока управления модулятором и электронной части схемы интерферометра.
Интерферометр состоит из установленных вдоль оптической оси источника 1 монохроматического излучения, источника 2 белого света, состоящего из газоразрядной лампы 3, экрана 4 с небольшим круглым отверстием и положительной линзы 5, в фокусе которой располагается отверстие экрана 4, расширительной системы 6, состоящей из двух положительных линз 7 и 8, между которыми установлен модулятор 9 оптической разности хода, блока 10 кювет, образованного кинематически связанными между собой первой, второй и третьей вакуумированными кюветами 11, 12 и 13, четвертой контрольной кюветой 14, пятой вакуумированной кюветой 15 и шестой вакуумированной кюветой 16 с контрольной частью 17, диафрагмы 18 и установленного между кюветами 15 и 16 и диаграммой 18 компенсатора 19, положительной и цилиндрической линз 20 и 21, первого фотопреобразователя 22, состоящего из первого обтюрационного растра 23, первой части 24 билинзы Бийе и первого фотоприемника 25, второго фотопреобразователя 26, состоящего из второго обтюрационного растра 27, второй части 28 билинзы Бийе и второго фотоприемника 29, и третьего фотопреобразователя 30, состоящего из экрана 31 с продольной щелью и третьего фотоприемника 32.
Электронная часть интерферометра содержит первый, второй и третий фотоприемники 25, 29 и 32, блок 33 измерения дробной части порядка интерференции, содержащий первый и второй формирователи 34 и 35, схему 36 измерения интервала и счетчик 37, блок 38 регистрации целых интерференционных полос, содержащий схему 39 сравнения, регистр 40 памяти и счетчик 41, генератор 42 импульсов, блок 43 управления модулятором 9, содержащий схему 44 деления, генератор 45 пилообразного напряжения и преобразователь 46 перемещения, делитель 47 частоты, стробируемые аналого-цифровой преобразователь 48 и блок 49 памяти, а также блок 50 сравнения.
Входы первого и второго формирователей 34 и 35 подключены соответственно к входам фотоприемников 25, 29, а их вход соединен с первым и вторым входами схемы 36 измерения интервала, выход которой соединен с входом счетчика 37, вход которого соединен с первым входом схемы 39 сравнения и входом регистра 40 памяти блока 40, выход которого соединен с вторым входом схемы 39 сравнения, выход которой соединен с входом счетчика 41. Выход генератора 42 импульсов соединен с третьим входом схемы 36 и входом схемы 44 деления блока 43, выход которого соединен с входом генератора 45 пилообразного напряжения, выход которой соединен с входом преобразователя 46 перемещений, механически связанного с модулятором 9. Выход генератора 47 также соединен с входом делителя 47 частоты, управляющий вход которого подключен к выходу схемы 44 деления блока 43 (управляющий выход блока 43), а выход соединен со стробирующими входами блока 49 памяти аналого-цифрового преобразователя 48, информационный вход которого подключен к выходу фотоприемника 32, а выход соединен с входом блока 49 памяти, выход которого соединен с входом блока 50 сравнения.
Блок 50 содержит первый и второй регистры 51 и 52 числа, первый и второй регистры 53 и 54 номера, схему 55 сравнения чисел и схему 56 сравнения номеров, при этом информационные входы первых регистров 51 числа и 53 номера подключены к выходу блока 49, входы переписи первых регистров 51 и 53 подключен к выходу схемы 55 сравнения чисел, информационные выходы первых регистров 51 и 53 соединены с информационными входами соответствующих регистров 52 и 54 и первыми входами схем 55 и 56 сравнения соответственно, второй вход схемы 55 сравнения подключен к информационному выходу второго регистра 52, выход схем 56 соединен с входом переписи второго регистра 54 номера. На установочные входы регистров 51-54 подается сигнал "сброс", осуществляющий переустановку регистров в "0".
Блок 57 управления компенсатором состоит из последовательно включенных схемы 58 управления механизмом и механизма 59 поворота, механически связанного с компенсатором 19. Входом блок управления 57 подключен к управляющему выходу блока 60 вычислений и правления, первый информационный вход которого подключен к выходу счетчика 37 блока 33, второй информационный вход подключен к выходу счетчика 41 блока 38, а корректирующий вход подключен к выходу регистра 54 блока 50 сравнения.
Блок 60 содержит первый, второй, третий и четвертый регистры 61-64 памяти, схему 65 времени, схему 66 деления, схему 67 умножения, схему 68 сложения, схему 69 расчета коэффициента и схему 70 сравнения, при этом стробирующие входы регистров 61-64 подключены к выходу схемы 65 времени, два информационных входа регистра 61 подключены соответственно к выходу счетчика 37 блока 33 и выходу счетчика 41 блока 38, а его выход соединен с первыми входами схем 66 и 68 деления и сложения. Информационный вход регистра 62 подключен к выходу регистра 54 блока 50 сравнения, а его выход соединен с первыми входами схем 66, 69 и 70. Выход схемы 66 деления соединен с входом регистра 63, выход которого соединен с вторым входом схемы 69 расчета коэффициента, выход которой соединен с вторым входом схем 68 сложения, выход которой соединен с входом схемы 67 умножения, выход которой соединен с информационным входом регистра 64, связанного с блоком индикации (не показан). На второй вход схем 70 сравнения подается сигнал установки Мдоп, первый выход схемы соединен с входом схемы 58 блока 57 правления компенсатором, а второй (запрещающий) выход соединен с входом запрета счетчика 41 блока 38.
Способ регистрации состоит в следующем.
В плоскости анализа интерференционного устройства формируют интерференционную картину в монохроматическом свете в виде интерференционных полос, смещение которых относительно некоторого начального отсчета регистрируется в виде изменений порядка интерференции в монохроматическом свете. Одновременно в плоскости анализа того же интерференционного устройства формируют интерференционную картину в белом свете (также в виде интерференционных полос), в центре которой располагается ахроматическая полоса, смещение которой относительно некоторого начального положения (нулевого положения) регистрируется в виде изменения порядка интерференции в белом свете. Созданные масштабированные изменения порядка интерференции в белом свете Nδсвязаны с соответствующими изменениями порядка интерференции в монохроматическом свете Nм соотношением
Nδ= Nм ˙К, где К - коэффициент масштабирования.
В процессе регистрации осуществляют периодическую, с периодом Тм, синфазную модуляцию порядков интерференции в белом и монохроматическом свете. На каждом периоде модуляции измеряют значение дробной части порядка интерференции δм. Измерение δм на каждом периоде модуляции осуществляют путем преобразования изменения порядка интерференции во временной интервал между двумя электрическими сигналами, например сигналом модуляции и сигналом фототока, являющимся результатом преобразования интерференционной картины в монохроматическом свете, и измерение этого временного интервала. Кроме того, на каждом периоде модуляции осуществляют постановку в соответствии измеренному значению дробной части порядка интерференции δм первой, второй или третьей зоны интерференционной полосы, на которые эта полоса предварительно условно делится (размеры зон выбираются приблизительно одинаковыми). На каждом периоде модуляции дополнительно измеряют изменение порядка интерференции в белом свете η δ. Измерение η δосуществляют путем определения положения ахроматической полосы, преобразования изменений порядка интерференции в белом свете во временной интервал между двумя электрическими сигналами, например сигналом модуляции и сигналом фототока, являющимся результатом преобразования интерференционной картины в белом свете (точнее сигнала, являющегося результатом преобразования собственно ахроматической полосы) и измерения временного интервала. Измеренное значение ηδ на каждом периоде модуляции сравнивается с первым предельным значением η1, при превышении которого осуществляется уменьшение масштабированного изменения порядка интерференции в белом свете на величину η1. Последнее может осуществляться путем частичной или полной компенсации изменений порядка интерференции в белом свете, в результате чего ахроматическая полоса смещается в положение, близкое к начальному. Это является необходимым условием при ограниченном характере амплитуд модуляции; в отсутствие компенсации ахроматическая полоса может переместиться в область, не просматриваемую при осуществлении модуляции, в результате чего информация об изменении порядка интерференции в белом свете будет утеряна. Величина первого предельного значения η1 выбирается равной 1-1,5 порядка интерференции.
Для каждых двух соседних периодов модуляции определяют характер изменения соответствия измеренных значений дробной части порядка интерференции в монохроматическом свете δм зонам интерференционной полос. При изменении характера соответствия с третьей зон на первую осуществляют добавление одной интерференционной полосы к регистрируемому числу целых интерференционнх полос в монохроматическом свете Qм. При изменении характера соответствия с первой зон на третью осуществляется вычитание одной интерференционной полосы из числа Qм. Во всех других случаях изменения соответствия число Qм остается неизменным. Кроме того, для каждых двух соседних периодов модуляции определяют величину разности изменений порядка интерференции в белом свете Δηδ и сравнивают значение разности Δηδ с вторым предельным значением η2, при превышении которого запоминают рассчитанное значение Δηδ (превышающее η2), считая его результатом скачкообразного изменения порядка интерференции (при этом запрещается изменение числа Qм).
Для начала и конца регистрации определяют изменения дробной части порядка интерференции в монохроматическом свете Δδм и числа целых порядков интерференции Qм, а результирующее значение изменения порядка интерференции в монохроматическом свете Р рассчитывают по соотношению
P= Δδм+Qм+∃ где ΣΔη δ- значение суммы разности изменений порядка интерференции в белом свете, превышающее второе предельное значение η2;
∃χ- целая часть от χ.
Интерферометр работает следующим образом.
Световой пучок с выхода источника 1 монохроматического излучения и коллимированный световой пучок с выхода источника 2 белого света, формирующийся с помощью экрана 3 со щелью и линзы 4, расширяются до рабочих размеров расширительной систем 6 и далее поступают на блок 10 кювет. Первоначально все кюветы блока 10 кювет, а также часть 17 кювет 16 вакуумируются, а затем в процессе измерения в кювет 14 и часть 17 кюветы 16 вводится исследуемое газообразное вещество и изменяются его параметры состояния. Световые пучки монохроматического излучения, прошедшие кюветы 11 и 12, дифрагируют на узких щелях диафрагмы 18 и собираются линзой 20 в ее фокальной плоскости с образованием реперной интерференционной картины, регистрируемой с помощью цилиндрической линзы 21 и фотопреобразователя 26. Световые пучки монохроматического излучения, прошедшие кюветы 13 и 14, дифрагируют на узких щелях диафрагм 18 и собираются линзой 20 в ее фокальной плоскости с образованием измерительной интерференционной картины, регистрируемой с помощью линзы 21 и фотопреобразователя 22.
Световые пучки белого света, прошедшие кюветы 15 и 16 и компенсатор 19, выполняющийся в виде компенсатора уголкового типа и устанавливающийся (первоначально) симметрично относительно световых пучков, дифрагируют на узких щелях диафрагм 18 и собираются линзой 20 в ее фокальной плоскости с образованием интерференционной картин (с ахроматической полосой в центре), регистрирующейся с помощью линзы 21 и фотопреобразователя 30.
С целью реализации в предлагаемом интерферометре принципа интерференционной модуляции на пути световых пучков, проходящих через блок 10 кювет, установлен модулятор 9 оптической разности хода, выполненный в виде уголкового модулятора, установленного между линзами 7 и 8 системы 6 симметрично относительно оптической оси и могущего поворачиваться на небольшие углы ( ≈1-2о) с помощью преобразователя 46 поворота блока 43 управления модулятором. При периодических поворотах модулятора 9 осуществляется модуляция световых потоков, поступающих на вход фотоприемников 25, 29 и 32. Поворот модулятора 9 осуществляется с помощью блока 43 управления модулятором. При этом схема 44 деления частот, на вход которой подаются импульс с входа генератора 42 импульсов, осуществляет периодическое формирование импульсов длительностью Тр, поступающих на вход генератора 45 пилообразного напряжения, формирующего управляющие линейно нарастающие сигнал, поступающие на преобразователь 46 поворота, жестко связанный с модулятором 9.
Фотопреобразователи 25 и 29 преобразуют поступающие на их вход переменные световые потоки в переменные электрические сигналы, при этом разность фаз между сигналами оказывается пропорциональна дробной части интерференционной полос в относительном сдвиге измерительной интерференционной картины. Формирователи 34 и 35 блока 33 измерения дробной части порядка интерференции формируют из электрических сигналов импульсные последовательности с времени интервалами, поступающими на вход схем 36 измерения интервала, на третий вход которого подается сигнал с генератора 42 импульсов. Формируемые на выходе схемы 36 импульсы (bi) регистрируются счетчиком 37, с выхода которого периодически передаются (один раз в конце каждого периода модуляции) на вход блока 38 регистрации целых интерференционных полос. Кроме того, информация с выхода счетчика 37 блока 33 передается на один из информационных входов регистра 61 блока 60 вычислений и управления.
Число bi регистрируемых на каждом периоде модуляции Тм импульсов, пропорциональное дробной части порядка интерференции, определяется с помощью блока 33, проиллюстрированного в целях наглядности на наиболее простом примере реализации. В качестве генератора 42 импульсов используется стабилизированный кварцевый генератор, что обеспечивает точное задание периода электрических сигналов Тс, при этом величина дробной части порядка интерференции δi определяется в виде
δi = bi Tг/Tc, где Тг - период генератора 42.
Метод, используемый для регистрации, предполагает предварительное условное разбиение интерференционной полосы на первую, вторю и третью зоны, приблизительно одинаковое по величине, определение соответствия каждого текущего значения δi зоне интерференционной полос и сравнения зон для значений δi и значений δi-1, полученных на предыдущих (i-1)-ом периоде модуляции. Значения δi-1, зафиксированные на предыдущем периоде модуляции, хранятся в регистре 40 памяти и подаются на вход схемы 39 сравнения. На другой вход схемы подаются текущие значения δi. По результатам логического анализа зонных переходов схема 39 формирует команду на изменение (при необходимости) содержимого счетчика 41. По окончании процесса измерения (завершение процесса измерения параметров состояния вещества) в счетчике 41 фиксируется результирующее значение Qм, отвечающее числу зарегистрированных интерференционных полос. По окончании процесса измерения результирующие значения Qм и Δδм передаются на блок 60 вычислений и управления (в регистр 61), где схемой 67 умножения рассчитывается величина Δn, равная
Δn = λ(Qм + Δδм)/L, где L - размер кювет;
Δδм - изменение дробной части порядка интерференции для начала и конца регистрации, при сложении которой с 1 определяется величина показателя преломления n, отвечающего данной совокупности параметров состояния
n = 1 + Δn.
Положение ахроматической полосы в интерференционной картине белого света фиксируется с помощью фотопреобразователя 30, состоящего из экрана 31 с продольной щелью, ориентированной параллельной полосам интерференционной картины, и расположенного за ним фотоприемника 32, на выходе которого формируется переменный электрический сигнал (фиг. 6г), поступающий на вход аналого-цифрового преобразователя 48. Делитель 47 частоты, на основной вход которого поступает сигнал с генератора 42 импульсов, а на управляющий вход - сигнал с выхода схемы 44 деления блока 43, формирует на выходе стробирующие импульс (фиг. 6в), поступающие на стробирующие вход аналого-цифрового преобразователя 48 и блока 49 памяти. Аналого-цифровой преобразователь 48 осуществляет последовательное (по стробу) измерение амплитуды входного электрического сигнала и передает измеренные значения Аj на вход блока 49 памяти, запоминающего измеренное значение Аj, а также соответствующий ему номер стробирующего импульса mj. После окончания периода Тр блок 49 последовательно передает запомненные параметр Aj и mj на блок 50 сравнения, который осуществляет сравнение измеренных значений Аj.
Положение ахроматической полосы в данном случае определяется путем нахождения на множестве измеренных значений Аj максимального значения А*, отвечающего максимальному значению электрического сигнала на входе фотоприемника 32, и определения и измерения временного интервала ΔТjмежду моментом начала периода Тр и соответствующим стробирующим импульсом mj (см. фиг. 6д)
ΔTj= где Кд - коэффициент деления делителя 47.
Изменение положения ахроматической полос фиксируются по изменению измеренного значения ΔТj, при этом изменении порядка интерференции в белом свете соответствует величине
η= ΔTКд(R Tг) = mj/R, где R - фиксированное число импульсов (например, R = 100).
Данный принцип измерения смещения ахроматической полос осуществляется путем последовательной записи в регистры 51 и 53 блока значений Aj и mj соответственно; сравнения содержимого регистров 51 и 52 (с помощью схемы 55), т. е. сравнения значений Аj. В случае, если значение Аj оказывается больше значения, записанного в регистре 53, схема 55 дает команду на перепись содержимого регистров 51 и 53 соответственно в регистр 52 и 54. В противном случае содержимое регистров 51 и 53 стирается и осуществляется передача в эти регистры следующих значений Aj+1 и mj+1. По завершении процесса сравнения, когда номер, соответствующий последнем значению Aj, оказывается равным Ммакс, схема 56 сравнения номеров дает команду на перепись содержимого регистра 54 в блок 60, т. е. осуществляется передача в блок 60 номера стробирующего импульса, отвечающего максимальному значению электрического сигнала за время Тр (на каждом периоде модуляции). Первоначальная установка регистров 51-54 осуществляется с помощью сигнала "сброс".
Блок 60 вычислений и правления выполняет в данном случае три функции. Во-первых, он осуществляет определение точного значения коэффициента масштабирования К. Последнее позволяет установить точное количественное соответствие между результатами регистрации измерений порядка интерференции в монохроматическом и белом свете и определять поправку, учитывающую скачки показателя преломления. Коэффициент масштабирования К определяется (уточняется) путем количественного сравнения изменений значений, фиксируемых в регистрах 61, 62 за одинаковое время t, при этом коэффициент К определяется из соотношения
К = ( ΔBj/Δmj)-1 = N δ(t)/Nм(t), где ΔBj - изменение содержимого регистра 61 за время t;
Δmj - изменение содержимого регистра 62 за время t;
N δ (t) - изменение порядка интерференции в белом свете за время t;
Nм(t) - изменение порядка интерференции в монохроматическом свете за время t.
Для каждых двух соседних периодов модуляции блок 50 осуществляет расчет значений разности изменения порядка интерференции в белом свете Δη δj, которые затем сравниваются со вторым предельным значением η2. Величина второго предельного значения η2 на практике может выбираться равной порядка 0,01-0,02 (при абсолютной погрешности измерения порядка интерференции в белом свете не превышающий 0,005 интерференционной полосы). При превышении измеренных значений разности уровня η2фиксируется появление скачкообразного изменения, а зарегистрированное значение Δη δj запоминается блоком 50.
Во-вторых, блок 60 осуществляет расчет результирующего значения (выполняется схемой 67) по формуле
Δn = (Qм + Qc + Δδм)˙λ/L, где λ- длина волны монохроматического света;
Δδм - изменение дробной части порядка интерференции в монохроматическом свете для начала и конца регистрации;
Qм - изменение числа целых интерференционных полос для начала и конца регистрации;
Qс - результирующее изменение порядка интерференции, соответствующее его скачкообразным изменением (накопление осуществляется схемой 68 суммирования), равное
Qс= [∃(Δηбi/K) где s- число скачкообразных изменений;
Δη δ- величина изменения порядка интерференции в белом свете при i-м скачке.
Кроме того, блок 60 осуществляет управление положением компенсатора 19. Для того чтобы сохранить большой динамический диапазон измерения предлагаемого интерферометра, т. е. обеспечить измерение изменений порядка интерференции в монохроматическом свете 105, оказывается необходимым регулярно принудительно возвращать ахроматическую полосу, медленно смещающуюся при возрастании порядка интерференции в белом свете из поля зрения фотоприемника 32, обратно в область щели экрана 31. Для этого в блоке 60 осуществляется регулярный контроль содержимого регистра 62 (с помощью схемы 70), и при превышении содержимым регистра 62 некоторого порогового значения (скажем, mj > Мдоп) дается управляющий сигнал на вход блока 57 управления компенсатором, обеспечивающего поворот компенсатора 19 на один дискрет механизма 59 поворота (при этом осуществляется компенсация созданного изменения порядка интерференции η δ на величину η1). (56) Приборы и техника эксперимента, 1976, N 6, с. 159.
Измерительная техника, 1983, N 6, с. 42.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ГАЗА В ТУРБУЛЕНТНЫХ ПОТОКАХ | 1994 |
|
RU2079834C1 |
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ И ГАЗА В ТУРБУЛЕНТНЫХ ПОТОКАХ | 1989 |
|
SU1626855A1 |
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ РЕФРАКТОМЕТР | 1987 |
|
SU1498192A1 |
СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ ИЗМЕНЕНИЙ ПОРЯДКА ИНТЕРФЕРЕНЦИИ В ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ | 1988 |
|
SU1561639A1 |
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ РЕФРАКТОМЕТР | 1991 |
|
RU2008653C1 |
Способ регистрации нулевой разности хода световых лучей и устройство для его осуществления | 1980 |
|
SU939938A1 |
Устройство для измерения геометрических параметров поверхности | 1986 |
|
SU1350498A1 |
СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ПОРЯДКА ИНТЕРФЕРЕНЦИИ | 1988 |
|
SU1561641A1 |
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИСПЕРСИИ ВЕЩЕСТВА | 1984 |
|
SU1231987A1 |
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНЫХ ТВЕРДЫХ ТЕЛ | 1989 |
|
SU1584555A1 |
Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение надежности измерений путем обеспечения регистрации скачкообразных изменений порядка интерференции - достигается за счет формирования дополнительного плеча интерферометра в белом цвете и регистрации целой части изменения оптической разности кода по положению ахроматической полосы, которое отслеживает скачки порядка интерференции. Световой пучок источника 1 монохроматического излучения и световой пучок источника 2 белого цвета, прошедшие через кюветы блока 10 кювет, в которых находится исследуемое вещество, дифрагируют на узких щелях диафрагмы 18 и собираются линзой 20 в фокальной плоскости с образованием интерференционной картины. С помощью модулятора 9 осуществляются периодические изменения оптической длины. Фотопреобразователи 22, 25 и 29 преобразуют интерференционную картину в электрические сигналы, которые обрабатываются электронной схемой, функции которой заключаются в вычислении величины изменения оптической разности хода. 2 с. п. ф-лы, 6 ил.
P= Δδм+Qм+∃ ,
где Σ Δ ηδ - значение суммы разностей изменений порядка интерференции, превышающее второе предельное значение, η2 ;
∃(χ) - целая часть от χ ;
K - отношение величины изменения порядка интерференции в белом свете к величине изменения порядка интерференции в монохроматическом свете.
Авторы
Даты
1994-05-30—Публикация
1987-08-10—Подача