Способ измерения показателя преломления поглощающих сред Советский патент 1989 года по МПК G01N21/43 

Изобретение относится к технической физике, а именно к области рефрактометрических измерений оптических постоянных сред.

Целью изобретения является повьше- ние т очности измерений-.

На фиг. 1 Показана структурная схема одного из возможных вариантов устройства для реализации способа; на фиг. 2 - кривые зависимости интенсивности света I от угла Ладения а( и кривые, иллюстрирунидие эффект дополнительной модуляции интенсивности света 41, вызванной дополнительными периодическими изменениями угла падения До относительно установленной величины угла падения с .

Устройство для измерения показателя преломления прозрачных и поглощающих сред содержит источник 1 света и установленные по ходу лучей конденса-

тор 2, щелевую диафрагму 3, коллиматор 4, ограничивающую диафрагму 5, элемент 6 нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), изготовленный из высокопоглощающего стекла в виде четвертой части щытиндра в сочетании с отрицательной цилиндрической линзой 7, интерференционньй фильтр 8 и фотоприемник 9. Одна из плоских граней четверти цилиндра соприкасается с контролируемой средой 10, а на поверхности второй грани нанесено зеркальное покрытие 11. Ребро, образованное этими гранями, совмещено с осью вращения-лимба 12. Непосредственно перед отрицательной линзой 7 одновременно в падающем и в отраженном

N9

параллельных пучках света установлены последовательно два одинаковых оптических клина 13 и 14 с углают отклонения луча мо(кс й гмакгО, 15 рад,, один из которых, например клин 13, закреплен на корпусе, а другой клин 14 закреплен на з ругих элементах вибратора 15, содержащего катушку 16 возбуждения. Непосредственно к фото- приемнику 9 подключен усилитель 17. Пороговое устройство 18 настроено на срабатьшание при достижении амщшту- ды постоянной составлйки ей сигнала фотоприемнкка 9 более 0,85 от максимального значения, а второе пороговое устройство 19 - при уменьшении амплитуды менее 0,35.

Выход усилителя 17 подключен к двухполуиериодному вьшряштеяю 20, i нагрузкой которого является айтйвный фильтр 21, выход которого через ключ 22 может подключаться к унт равления реверсивного двигателя 23, Ключ 22 подключен к обмотке Т1; ансфор- матора 24 и микропроцессору 25 Микропроцессор 25 подключен к itoporoBbtM устройствам 18 и 19, к фотоэлакт.рк ческому датчику 26 угловадх перемещений, который контролирует поворот элемента 6 НПВО и тем самым угол падения с/ . №шропроцессор 25 выходы для подключения индикатора 27 дисплея и печатающего устройства 28,

Способ осуществляется следуншщм образом,

Сформированньй элементами 1-4 кол лимированный в плоскости падения пучок света проходит ограничивающую диафрагму 5, оптические клинья 14 и 13, отрицательную линзу 7 и практически без изменения направления рас пространения падает на границу раздела элемента 6 НПВО с исследуемой средой 10. Поверхность зеркального покрытия 11 перпендикулярна этой границе раздела, т.е. рабочей поверхности, и согласно принципу работы уголкового отражения после вторичного отражения от зеркального покрытия 11 свет возвращается строго параллельно падающему. Далее свет вторично проходит отрицательную линзу 7, клинья 13 и 14, интерференционный фильтр 8 и воспринимается фотоприемником 9 Под воздействием изменянмцегося с частотой магнитного потока катушки 16 возбуждения ротор вибратора 15 вместе с оптическим клином 14 совершает гармонические колебания также с час

0

5

0

5

0

5

0

5

тотой () относительно положения г осто- яния покоя с небольшорТг амплитудой, например, /з «0,013-0,087 рад. Пусть, например, показатель преломления ис- следуемой среды п ,f l5392-j 0,01, элемент 6 НПВО и отрицательная линза 7 изготовлены из стекла с показателем преломления п 1,74009, а амплитуда колебаний клина 14 /ч 0,0087 рад. Тогда зависимость I (з() на фиг, 2 можно отобразить кривой 29, В результате колебаний клина 14 дополнительно к конкретному плавно изменяющемуся значению угла падения с/ , например о,, происходят дополнительные периодические изменения по гармоническому закону с частотой ы изменения угла падения . о, 150,058 0,0087 рад., что на фиг. 2 можно отобразить кривыми 30-32. В результате в спектре си1- нала фотоприемю1ка, воспринимакндего отраженный свет, кроме постоянной составлякячей, пропорциональной интен- сивности света 1., , присутствует переменная составляющая, пропорциональная йТ (фиг, 2, кривые 33-35). Если угол 0 значительно меньше критического о(р arcsin(), то кривая dI (фиг. 2, кривая 33) не симметрична относительно среднего значения, т.е. амплитуда первой полуволны больше амплитуды второй полуволны, В этом случае после предварительного усиления я двухполупериодного детектирования, кроме составляющей 2it) , в спектре продектированного сигнала присутствует также первая гармоника частоты U) , которая проходит активньй фильтр.21, ключ 22 и подается на обмотку управления реверсивного двигателя 23. Обмотки возбуждения и управления двигателя 23 включены так, что в этом случае вращение лимба 12с элементом 6 происходит в сторону Wp, Таво в сторону увеличения угла падения Ct о

Если угол например, несколько больше критического, кривая 41 (фиг.2, кривая 34) также не симметрична относительно среднего значения, но в другую сторону, т,е. амплитуда сигнала первого полупериода меньше второго,В этом случае в спектре продетектиро-.. ванного сигнала также присутствует первая гармоника частоты w , но ее фаза отличается на радиан по отношению к фазе сигнала, который мы рассматривали при угле падения о(,. Понайден, если эта же среда бьта бы не поглощающей (фиг. 2, кривая 38). С уменьшением ге кривые (о , п, ж) становятся более крутымк (фиг. 2, :

51520404 6

этому двигатель 23 вращается в проти- кривой зависимости (e/,n,x), т.е. воположную сторону и лимб 12 с элемен- кривые становятся более пологими том 6 поворачиваются в сторону умень- (фиг. 2, кривая 36). Следовательно, шения угла падения а( , т.е. опять в - для нормальной работы способа требу- сторону .ется некоторое увеличение амплитуды

Из фиг. 2 вкдйо, что в процессе модуляции по углу Ло( (фиг. 2, кривая плавного изменения описанным способом 37). При этом требуемая симметрия угла падений найдется такой угол паде- сигнала Л1 сохраняется при том же ния е(, при котором переменная сое- Q значении угла падения, который был бы тавляющая сигнала/SI (фиг. 2, крнвая 35) симметрична относительно среднего значения, амплитуды обоих полупериодов продете.ктированного сигнала наи- |болышв и равны мезкду собой. В этом 45 кривые 39 к 40) ja амплитуда модуляции случае в спектре продетектированного требуется минимальной,например (фиг.2, сигнала отсутствует состазлямп я первой кривая 41) Ло( О,ии2. Исследования и гармоники частоты б , сигнал на об- эксплуатация способа показывают, что мотке управления двигателя 23 отсут- оптимальная величина a mлитyды модуля- ствует и двигатель останавливается, 20 ции по углу падения должна быть примерно в пределах Ло Р0,002ч- , При этом, точной информации о величине показателя поглощения исследуемой среды а не требуется. В крайнем слу 25 чае достаточно знать, хггр среда не поглощающая ( 0) слабо поглощающая (0 X 1Q) или обладает значительным поглощением (10 ), чтобы установить требуемую амшш- тат измерейкй фиксируется на ЗО модулягрга соответственно, ющем устройстве 28.| 40,,002, ,,003 шшЛс(;}ЯО,012.

В устройстве амплитуда модуляции регулируется микропроцессором 25 в процессе пробшлх измерений путем увеличения амппитудуЕ возбуядения ка- S тушки 16 вибратора если переменная составляющая сигнала фотоприекиниса яри найденном угле с/ окаже ся меньа датчик 26 угловых перемещений фик- сирует угол , который , как показа™ ли исследования, меньше величину 10 sin е/ . Микропроцессор 25 согласно равенству в , о,, sin («( + .+ 10 sin V ) вычисляет нсксг- уи величину нокаэателя преясвшгения погло- щанщей исследуемой (, индицирует его на табло йцдшсатора 27 и резульЕсли парвоначальяо .угол падения cBiSTa настолько мал, что постоянная составляющая интенсивйости света 1 0,3 отн. ед. либо настолько ве лик, что отн.ед., в этих случаях срабатчгйает cooTBeTCTBeiEffio лшбо йорогоэое устройство 19, либо пороговое устройство 18, tencponpouec- сор 25 выдаёт соотеёпствукэдую коман- .л ду на Кйюч 22 и йа. обмотку управлеШ1Я двигателя 23 погдается переменкьй сигнал частоты {дз соответствунм й фазы до тех пор, уровень постоянной составляющей интенс ности света в от- ,« не показан), обработку результатов носительных едаад1цах окажется в пре- измерений и т.д.. Предлагаемый споше определенной величины.

Микропроцессор 25 управляет рабе той всего устройства, в том числе производит температурного коррекцию (электронный термог етр на чертежах

найден, если эта же среда бьта бы не поглощающей (фиг. 2, кривая 38). С уменьшением ге кривые (о , п, ж) становятся более крутымк (фиг. 2, :

модуляции по углу Ло( (фиг. 2, кривая 37). При этом требуемая симметрия сигнала Л1 сохраняется при том же значении угла падения, который был бы кривые 39 к 40) ja амплитуда модуляции требуется минимальной,например (фиг.2, кривая 41) Ло( О,ии2. Исследования и эксплуатация способа показывают, что оптимальная величина a mлитyды модуля ции по углу падения должна быть примерно в пределах Ло Р0,002ч- , При этом, точной информации о величине показателя поглощения исследуемой среды а не требуется. В крайнем слу чае достаточно знать, хггр среда не поглощающая ( 0) слабо поглощающая (0 X 1Q) или обладает значитель ным поглощением (10 ), чтобы установить требуемую амшш- модулягрга соответственно, 40,,002, ,,003 шшЛс(;}ЯО,012.

не показан), обработку результатов измерений и т.д.. Предлагаемый споше определенной величины.

Микропроцессор 25 управляет рабетой всего устройства, в том числе производит температурного коррекцию (электронный термог етр на чертежах

Изобретение относится к рефрактометрическим измерениям. Цель изобретения - повышение точности измерения показателя преломления сред с показателем поглощения *98X. Одновременно периодически изменяют угол падения на величину Δα ъ (0,002+*98X) радиан с частотой ω и плавно изменяют угол падения α, из спектра сигнала выделяют переменную составляющую, детектируют ее, изменяют угол α до положения α¹, при котором амплитуды обоих полупериодов продетектированного сигнала наибольшие и равны между собой. 2 ил.

делах 0,35-i If, 0,85, т.е. до возвращения гшроговых устройств }9 и tB в исходное СОСТОЯВШИ. Затем по команде микропроцессора 25 ключ 22 переводится в состояние,.при котором выход фильтра 21 снова подключается к обмотке управления двигателя 23 и поиск угла падения о( снова ведется следящей системой описанным вьаяе способом.

Из фиг. 2 следует,- что с ростом показателя, поглощения зе исследуемой среды наблюдается существенный наклон

соб позволяет важную актуальную задачу измерения показателя преломления поглощакяцях сред простыми средствами с высокой точностью +(1-3) 10 в диапазоне п . ,7. Его реализация намного проще известных отражательных рефрактометров.

55

Формула и 3 о б р е т е н.и я..

Способ измерения показателя преломления тоглощающих сред, включающий направление кoллкмIipoвaннoгc пучка

света на границу контакта исследуемой среды с гфозрачной высокопрелом- ляклцей средой с известным показателем преломления т со стороны этой среды, периодическое изменение угла . падения пучка света, фотоэлектрическую регистрацию отраженного границей контакта сред пучка света, определение по ее результатам критического . угла падения света d , по которому рассчитывают показатель преломпегшя п поглснцающей среды по формуле Пу п, sin , отличающийся тем, что, с цельрт повьшения точности, при фотоэлектрической регистрации отраженного света из зарегистрированного сигнала выделяют переменную: сос тавляю цую и подвергают ее двухполу- периодному детектированию, причем периодическое изменение угла падения пучка производят на величину д,равную Act (0,002+se) рад., где зе- показатель поглощения исследуемой среды, при этом дополнительно изменяют угол падения d до некоторой величины , при которой амплитуды обоих полупериодов продетектироваиного сигнала максимальны и равяы между собой, а критический угол падения определяют по формуле

Kf

tO-э

8in- o(,

г. /

аг.2