СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ПОРЯДКА ИНТЕРФЕРЕНЦИИ Советский патент 1994 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению изменений оптической разности хода в интерферометрах, и может быть использовано при проведении широкого класса интерференционных измерений.

Целью изобретения является повышение быстродействия путем сокращения времени измерения.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства в соответствии с предлагаемым способом; на фиг. 2 - временные диаграммы работы устройства на фиг. 1 для случая работы в режиме с периодической модуляцией; на фиг. 3 - временные диаграммы работы устройства на фиг. 1 для случая работы в режиме без модуляции; на фиг. 4 - временные диаграммы работы устройства на фиг. 1, иллюстрирующие процесс перехода от режима с модуляцией к режиму без модуляции; на фиг. 5 - временные диаграммы работы устройства на фиг. 1, иллюстрирующие процесс перехода от режима без модуляции к режиму с модуляцией; на фиг. 6 - типовая временная зависимость скорости смещения полос интерференционной картины, реализуемая при проведении рефрактометрических исследований.

Устройство состоит (см. фиг. 1) из лазера 1, рефрактометра 2, включающего первую и вторую жестко скрепленные между собой кюветы 3 и 4, содержащие соответственно эталонное и контролируемое вещество, подвижный плунжер 5, на двух ответвлениях которого установлены отражатели 6, 7, две светоделительные пластины 8, 9 и отражатель 10, установленный на модуляторе 11, первого фотопреобразователя 12, состоящего из последовательно соединенных фотоприемника 13, фильтра 14 и усилителя-формирователя 15, второго фотопреобразователя 16, состоящего из последовательно соединенных фотоприемника 17, фильтра 18, усилителя-формирователя 19, фазометра 20, осуществляющего определение значений дробной части порядка интерференции (δ₁), последовательно соединенных генератора 21 импульсов, формирователя 22 импульсов и генератора 23 сигнала модуляции, связанного выходом модулятора 11, схем 24 и 25 регистрации моментов переходов соответственно нуля в положительное состояние, и наоборот, схемы 26 измерения интервала, двух реверсивных счетчиков 27, 28, двух регистров 29 и 30 памяти, схемы 31 вычитания, двух схем 32 и 33 сравнения и схемы 34 управления.

Выход преобразователя 16 соединен с входом схем 24 и 25 и первым входом схемы 26, второй вход которой соединен с выходом генератора 21, выход - с первым входом схемы 33 сравнения, второй вход которой соединен с входом регистра 29, а выход - с первым входом схемы 34 управления, второй вход которой соединен с входом фотопреобразователя 16. Выходы схем 24 и 25 соединены с двумя входами счета реверсивного счетчика 27, вход управления которого соединен с выходом формирователя 22, а выход - с первым входом схемы 31 вычитания.

Информационный и опорный входы фазометра 20 соединены соответственно с выходами фотопреобразователей 12 и 16, его тактирующий вход - с выходом генератора 21, выход - с вторым входом схемы 31 вычитания, третий вход которой соединен с выходом формирователя 22, ее выход - с первым входом схемы 32 сравнения, второй вход которой соединен с выходом регистра 30, а выход - с третьим входом схемы 34 управления, выход которой соединен с управляющим входом формирователя 22 и управляющим входом реверсивного счетчика 28, вход счета которого соединен с выходом схемы 25.

Способ состоит в следующем.

В начале регистрации, когда порядок интерференции изменяется медленно и скорость смещения полос интерференционной картины остается небольшой, способ предусматривает осуществление периодической модуляции порядка интерференции с периодом Т_м, причем весь период модуляции разбивается на два приблизительно равных полупериода, на первом из которых осуществляют принудительное увеличение, а на втором - принудительное уменьшение порядка интерференции по линейному треугольному закону. При этом осуществляется преобразование освещенности перемещающихся полос интерференционной картины в прерывисто-гармонический сигнал фототока и далее - в последовательность электрических импульсов с регистрацией в них передних и задних фронтов.

На каждом периоде модуляции осуществляется определение изменений значений дробной δ и целой Q частей порядка интерференции и по ним рассчитывается результирующее изменение порядка интерференции Δ N (и определяется его знак)
ΔN₁ = δ + Q = δ_i+1 - δ_i + Q_i+1 - Q_i где δ_i+1, δ_i - значения дробной части порядка интерференции для i + 1-го и i-го периодов модуляции;
Q_i+1, Q_i - значения целой части порядка интерференции для i+1-го и i-го периодов модуляции.

Измерение значений дробной части порядка интерференции осуществляется путем преобразования на каждом периоде модуляции дробной части порядка интерференции δ_i в разность фаз между двумя прерывисто-гармоническими сигналами (разность фаз между соседними импульсами) фототока и измерения этой разности фаз (регистрация δ_iосуществляется на первом полупериоде периода модуляции Т_м).

Измерение значений целой части порядка интерференции осуществляется путем регистрации на первом полупериоде каждого периода модуляции числа А переходов из нуля в единицу в последовательности электрических импульсов, а на втором полупериоде каждого периода модуляции числа Б переходов из единицы в ноль в последовательности электрических импульсов, и расчета значений Q на каждом периоде модуляции по соотношению
Q = A - Б.

Способ предусматривает также определение изменений дробной Δ δ и целой Δ Q частей порядка интерференции для начала и конца регистрации при использовании периодической модуляции.

Определение значений Δ δ и Δ Q осуществляется по соотношениям
Δ δ = δ_н - δ₁ , ΔQ = Q_н - Q_о, где δ_н и Q_н - значения дробной и целой частей порядка интерференции на последнем периоде модуляции (Н);
δ₁ - значение дробной части порядка интерференции на первом периоде модуляции;
Q_о - значение целой части порядка интерференции перед началом первого периода модуляции.

Перед началом регистрации выбирают первое V₁ и второе V₂ пороговые значения скоростей смещения полос интерференционной картины по соотношениям
V₁ = 1,3 K/T_м; V₂ = 0,8 K/T_м, где К - амплитуда периодической модуляции (в порядках интерференции).

На каждом периоде модуляции (в конце периода модуляции) осуществляют расчет значения скорости смещения полос V_мi, по формуле
V_мi = Δ N_i/T_мi (пор. инт. /с)
(i-й период модуляции),
после чего сравнивают полученное значение V_мi с первым V₁ пороговым значением скорости, при превышении которого в конце периода модуляции отключают периодическую модуляцию и далее осуществляют регистрацию изменений лишь целой части порядка интерференции по методу однонаправленного счета (с учетом знака, определенного для последнего перед отключением периода модуляции).

В данном случае метод однонаправленного счета сводится к регистрации и подсчету числа М передних фронтов импульсов, формируемой из гармонического сигнала фототока, являющегося результатом преобразования освещенности свободно перемещающихся полос интерференционной картины (в отсутствие модуляции). Одновременно осуществляется измерение длительностей временных интервалов Т между каждыми двумя соседними передними фронтами импульсов и определение для каждого из них значения скорости смещения полос интерференционной картины V_δj (порт. инт/с) по формуле
V_δj= 1/T_j
(j-й временной интервал)
Каждое рассчитанное значение скорости V_δj сравнивается с вторым пороговым значением скорости, при снижении до которого в очередной момент времени регистрации заднего фронта импульса включают периодическую модуляцию и продолжают измерение изменений порядка интерференции вышеописанным методом (в условиях использования периодической модуляции).

Значение скорости V₂ выбирается меньшим значения скорости V₁ так, чтобы исключить частые смены режимов (за счет введения гистерезиса). Если в дальнейшем в ходе исследований скорость смещения полос снова превысит значение, регистрация вновь будет осуществляться путем подсчета числа передних фронтов импульсов при отключенной периодической модуляции. Результирующее значение изменений порядка интерференции Р при этом будет определяться по формуле
P= Δδ +ΔQ +b_eM_e , где L - число отключений периодической модуляции;
М_l - число переходов, зарегистрированных после l-го отключения периодической модуляции;
b_l - знаковый индекс ((∓ 1)) для l-го отключения.

Следует отметить, что для известного способа-прототипа скорость смещения полос при включенной модуляции не должна превышать 0,33/Т_м, что даже при оптимальном выборе значений V₁ и V₂ не позволяет реализовать времена регистрации Т_рег лучше
Т_рег ≥ 25Т_м'Т^1/2 (2)
Таким образом, даже в условиях Т_мв = 1 мс при необходимости измерения порядков интерференции Р = 10⁶ времена изменения Т_рег не могут быть получены меньше 25-30 с, что оказывается недостаточным для целого ряда применений (исследования плазмы, исследования фотометрических характеристик лазеров и т. д. ).

На фиг. 6 приведена типовая временная диаграмма изменений скорости смещения полос в интерференционной картине при проведении рефрактометрических исследований. Из анализа этой диаграммы следует, что при регистрации изменений порядка интерференции на участке АБ должно выполняться соотношение
V_макс - V₁ ≥ 1,5Т_ма₁ (4) где V_макс - максимально допустимая скорость смещения при использовании модуляции (V_макс = 2К/Т_м);
а₁ - ускорение при разгоне (в предположении равноускоренного процесса изменения порядка интерференции на участке АБ).

При выполнении соотношения (4) обеспечивается необходимое время (1,5 Т_м) на отключение модуляции (без потери измерительной информации).

При регистрации на участке, где должно выполняться соотношение
V₁ - V₂ ≥ a₁(Т_м + Т_с^′), (5) где Т_с^′= 1/V₂ - период сигнала фототока вблизи уровня V₂.

При выполнении соотношения (5) обеспечивается необходимое время (Т_м+ Т′с

на подготовку к отключению модуляции сразу же после ее включения (возможный переходный процесс).

При регистрации на участке ЕЖЗ должно выполняться соотношение
V₁ - V₂ ≥ a₂T″c

, (6) где Т″с - период сигнала фототока вблизи уровня V₁/T_c'' = 1/V₁;
а₂ - ускорение при торможении (в предположении равнозамедленного процесса изменения порядка интерференции на участке ЕЖЗ).

При выполнении соотношения (6) обеспечивается необходимое время (Т_с) на подготовку к включению модуляции сразу же после ее отключения (возможный переходной процесс).

При регистрации из участка ВГД должно выполняться соотношение
V₂ ≥ a₂ 0,5 T′c

^′, ^′ (7) где Т′с^′′- среднее значение периода сигнала фототока между уровнями
V₂ и O/T 2/V₂/ .

При выполнении выражения (7) обеспечивается необходимое время / T_c^′′′ / 2/ на включение модуляции (без потери измерительной информации). Следует отметить, что методика выбора значений V₁ и V₂ в данном случае полностью аналогична методике расчета для случая способа-прототипа. Соотношение (6) является более слабым по отношению к соотношению (5), поэтому в последующем анализе учитываться не будет.

Для определения максимально допустимых значений параметров а₁ и а₂, характеризующих динамические свойства системы регистрации и обеспечивающих минимальные времена измерения, перейдем в соотношениях (4) и (7) к знакам равенства и воспользуемся соотношением для Т_рез,
Т_рез = 2Р(а₁ + а₂)/(а₁а₁)^1/2 (8)
Далее, воспользовавшись соотношениями (4), (5) и (7), представим параметры а₁а₂ в виде
а₂ = V₂²/4; a₁ = V₂ (V_макс - V₂)/(2,5Т_мV₂ + 1).

Подставляя соотношения для а₁, а₂ в соотношение (8) и минимизируя его по параметру V₂, получим выражение для V₂, отвечающее минимальному значению Т_рег
V 0,8K/T_м,
откуда
a 0.16K²/T2м

;
a₁≃ 0.96K²/[T_м(2K + 1)]
V(2,6K² + 2K)/[T_м(2K + 1)] = 1,3K/T_м .

При этом расчет результирующего времени регистрации Т_рег приводит к соотношению
Т_рег = Т_м[P/6,4K + 7,2/] ^1/2K,
которое для типичного случая К = 3 сведется к виду
T1,7T_мP^1/2 . (9)
Простое сравнение соотношений (9) и (2) (даже в условиях Т_м = 2Т_м') указывает на тот факт, что в рамках способа время регистрации оказывается приблизительно на порядок меньше, чем при регистрации по способу-прототипу. При этом, в случае Т_м = = 2 мс и Р = 10⁶, время на регистрацию не превышает 5 с.

Таким образом, время на регистрацию по способу на один порядок меньше, чем время регистрации по способу-прототипу, т. е. способ-прототип характеризуется на порядок худшим быстродействием, чем предлагаемый способ. Последнее позволяет заметно увеличить производительность процесса контроля оптико-физических свойств газообразных и жидких веществ и ускорить их внедрение в народное хозяйство.

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.

Луч лазера 1 последовательно отражается от двух полупрозрачных пластин 8 и 9 и распространяется в кюветы 3 и 4 двухканального рефрактометра 2, содержащие соответственно эталонное (вакуум) и контрольные вещества, и отражаются соответственно от отражателей 6 и 7, жестко скрепленных с двумя ответвлениями подвижного плунжера 5.

Луч лазера 1, прошедший пластины 8, 9, отражается от отражателя 10, установленного на модуляторе 11, и далее последовательно отражается от пластин 8 и 9, образуя опорные лучи для двух каналов рефрактометра. Опорные пучки, интерферируя с лучами, отраженными от отражателей 6 и 7, образуют соответственно реперную и контрольную интерференционные картины, регистрируемые соответственно фотопри- емниками 13 и 17 фотопреобразователей 12, 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. Периодические смещения модулятора 11 с отражателем 10 обеспечивают модуляцию порядка интерференции по линейно-периодическому закону в обоих каналах рефрактометра 2.

Фотоприемники 13 и 17 осуществляют преобразование освещенности полос интерференционных картин в электрические сигналы, которые для случая треугольного сигнала модуляции (см. фиг. 2а, 3а), формируемого генератором 23, и пропускания через фильтры 14 и 18, отфильтровывающие низкочастотные составляющие и высокочастотные шумы, показаны на фиг. 2б в виде прерывистых гармонических сигналов.

Усилители-формирователи 15 и 19 фотопреобразователей 12 и 16 осуществляют усиление прерывистых гармонических сигналов и формирование из них прерывистых импульсных последовательностей фиг. 2 г, д, поступающих на измерительный и опорный входы фазометра 20, осуществляющего определение дробной части порядка интерференции.

Определение дробной части порядка интерференции осуществляется на каждом периоде модуляции Т_м, формируемом с помощью генератора 21 и формирователя 22, управляющего работой генератора 23. Определение дробной части порядка интерференции осуществляется путем измерения фазометром 20 временных интервалов Δt_i (фиг. 2е), соответствующих разности фаз между двумя прерывисто-гармоническими электрическими сигналами на первом полупериоде периода модуляции, измерения величины периода прерывисто-гармонических сигналов Т_сi (см. фиг. 2ж) и последующего расчета величины дробной части порядка интерференции δ_i по формуле
δ_i = Δ t_i/T_ci.

Регистрация целой части порядка интерференции осуществляется с использованием схем 25, 24, обеспечивающих выделение задних и передних фронтов импульсов на выходе фотопреобразователя 16 (фиг. 2д). Реверсивный счетчик 27 осуществляет подсчет числа фронтов, при этом на первом полупериоде периода модуляции регистрируется число А передних фронтов импульсов, в число Б задних фронтов импульса регистрируется на втором полупериоде периода модуляции (со знаком минус). В результате конца периода содержимое счетчика 27 изменяется на величину
Q = A - Б.

Результаты измерений в конце каждого периода модуляции передаются с выхода фазометра 20 и счетчика 27 на два входа схемы 31 вычитания, осуществляющей хранение значения порядка интерференции для предшествовавшего периода модуляции, запоминание значения порядка интерференции для текущего периода модуляции и определяющей изменение порядка интерференции Δ N_i (и его знака) для текущего периода модуляции, которое схемой 32 сравнения сопоставляется со значением 1,3 К, записанным предварительно (перед началом измерений) в регистре 30. В случае, Δ N_i ≅1,3 К схема 32 не формирует информационного сигнала. В случае Δ N_i > 1,3 К схема 32 формирует информационный сигнал, поступающий на вход схемы 34 управления и свидетельствующий о необходимости отключения периодической модуляции. Схема 34 в свою очередь формирует управляющий сигнал, поступающий на формирователь 22 и запрещающий формирование сигнала модуляции на очередном периоде модуляции (см. фиг. 4а). Одновременно этот управляющий сигнал дает разрешение реверсивному счетчику 28 на счет импульсов, поступающих со схемы 25 (со знаком, соответствующим знаку значения ΔN_i, определенного на последнем перед отключением периоде модуляции).

После отключения периодической модуляции сигнал фототока на выходах фотоприемников 13 и 17 носит характер непрерывного гармонического сигнала (фиг. 3а), при этом импульсная последовательность, формируемая на выходе фотопреобразователя 16, приобретает вид, показанный на фиг. 2б. Счетчик 28 накапливает информацию о числе М передних фронтов импульсов, а схема 26 осуществляет измерение временных интервалов Т_j между каждыми двумя соседними передними фронтами импульсов.

Измеренные значения Т_j сравниваются схемой 33 сравнения со значением 1,25 Т_м, записанным предварительно (перед началом измерений) в регистре 29, при этом в случае T_j < 1,25 T_м информационный сигнал на выходе схемы 33 не формируется и сохраняется режим регистрации с отключенной модуляцией. В случае же Т_j ≥ 1,25Т_м (см. фиг. 2б, в) схема 3 сравнения формирует информационный сигнал, поступающий на вход схемы 34 управления и свидетельствующий о необходимости включения периодической модуляции. По истечении полупериода сигнала фототока схема 34 формирует управляющий сигнал, поступающий на формирователь 22 и снимающий запрет с формирования модуляционного сигнала (см. фиг. 5а). Этот же управляющий сигнал поступает на вход управления счетчика 28 и запрещает дальнейший счет импульсов вплоть до поступления очередного сигнала разрешения (например, в случае повторной реализации условия Δ N > 1,30К). После включения периодической модуляции регистрация изменений порядка интерференции осуществляется по описанному выше методу (см. временные диаграммы на фиг. 2).

На последнем периоде модуляции (в конце регистрации) определяется значение дробной части порядка интерференции δ_н, по которому с учетом значения дробной части порядка интерференции δ₁ зарегистрированного для первого периода модуляции (в начале регистрации), рассчитывается значение Δδ (изменение дробной части порядка интерференции для начала и конца регистрации).

В конце последнего периода модуляции в счетчике 27 фиксируется число Q_н, соответствующее значение целой части порядка интерференции на последнем периоде модуляции. По значению Q_н и по значению Q_о, соответствующему значению целой части порядка интерференции непосредственно перед первым периодом модуляции, определяется значение Δ Q (изменение целой части порядка интерференции для начала и конца регистрации). В счетчике 28 на момент окончания регистрации оказывается записанным число M= b_lM_l , соответствующее числу целых порядков интерференции, зарегистрированных в отсутствие модуляции при L отключениях. По определенным значениям Δ δ₁ , Δ Q и М на заключительном этапе осуществляют расчет результирующего значения изменения порядка интерференции [см. соотношение (3)] . (56) Авторское свидетельство СССР N 1410647, кл. G 01 N 21/45, 1986.

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение быстродействия путем сокращения времени измерения. Луч лазера 1, отражаясь от двух полупрозрачных пластин 8 и 9, формирует опорные и реперные пучки для деформатора 2. Опорные и реперные пучки интерферируют между собой и образуют реперную и контрольную интерференционные картины, которые преобразуются фотопреобразователями 12 и 16 в последовательности электрических импульсов. Перемещение плунжера 5 в одном из направлений приводит к изменению порядка интерференции в обоих каналах рефрактометра 2. Смещения модулятора 11 обеспечивают модуляцию по треугольному закону. Определение дробной части порядка интерференции осуществляется путем измерения фазометром 20 временных интервалов Δt₁ , соответствующих разности фаз между двумя соседними импульсами. Регистрация целой части порядка интерференции осуществляется с использованием схем 25 и 24, обеспечивающих выделение передних и задних фронтов импульсов. Реверсивный счетчик 27 подсчитывает количество фронтов импульсов, при этом на первом полупериоде периода модуляции регистрируются А передних фронтов импульсов, а на втором периоде - Б задних фронтов импульсов, а целое значение порядка интерференции определяется по формуле Q = А - Б. На последнем периоде модуляции определяются значения дробной части порядка δ_н и целой части порядка Q_н интерференции и, сравнивая со значениями дробной части порядка δ₁ интерференции в начале регистрации и с целой частью порядка Q_o интерференции перед началом первого периода модуляции, определяют значение ΔQ и Δδ. В счетчике 28 на момент окончания регистрации оказывается записанным число M, соответствующее числу целых порядков интерференции, в отсутствие модуляции при L отключениях. По определенным значениям Dd , DQ и M осуществляют расчет результирующего значения изменения порядка интерференции. 6 ил.

СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ПОРЯДКА ИНТЕРФЕРЕНЦИИ в рефрактометрии по смещению полос интерференционной картины, заключающийся в осуществлении периодической модуляции порядка интерференции с периодом T_м, преобразовании освещенности перемещающихся полос интерференционной картины в последовательность электрических импульсов, выборе первого и второго пороговых значений скоростей V₁ и V₂ перемещения полос интерференционной картины, регистрации в электрическом сигнале передних и задних фронтов импульсов, определении значения в дробной части порядка интерференции путем измерения разности фаз между двумя соседними электрическими импульсами, определении целой части Q порядка интерференции путем подсчета импульсов в течение периода T_м модуляции, определении изменений дробной и целой частей Δ δ и Δ Q порядка интерференции для начала и конца регистрации при использовании периодической модуляции, определении для каждого периода модуляции изменения Δ N порядка интерференции, знака и порядка интерференции V_м и значения скорости смещения полос интерференционной картины при использовании периодической модуляции и сравнении его с первым пороговым значением скорости V₁, при превышении которого осуществляют подсчет числа M импульсов в отсутствие модуляции путем регистрации числа передних фронтов импульсов, измерении длительности временных интервалов T между передними фронтами для каждых двух соседних импульсов, определяют для каждого измеренного временного интервала T значения скорости V_δ смещения полос интерференционной картины и сравнивают его с вторым пороговым значением скорости V₂, при снижении до которого в очередной момент регистрации переднего фронта импульса осуществляют модуляцию и определяют по изменениям дробной и целой частям Δ δ и Δ Q порядка интерференции, а также по подсчитанному числу M импульсов результирующее изменение порядка интерференции, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия за счет сокращения времени измерения на каждом периоде модуляции, модуляцию осуществляют по треугольному закону, определяют изменение целой части интерференции по формуле
Q = А - Б,
где А - число передних фронтов на первом полупериоде;
Б - число задних фронтов на втором полупериоде,
а первое и второе пороговые значения скорости смещения полос интерференционной картины задают по формуле
V ₁ = 1,2 K / T_м;
V₂ = 0,8K / T_м,
где K - амплитуда принудительной периодической модуляции в порядках интерференции.