Устройство для измерения показателя преломления светорассеивающей среды Советский патент 1990 года по МПК G01N21/45 

ю со

Изобретение относится к физической оптике, в частности к оптической рефрактометрии, и может быть использовано для измерения показателей преломления различных светорассеивающих сред, как стационарных, так и нестационарных, таких как растворы, суспензии, газовые среды. Целью изобретения является повышение точности и экспрессности измерений. Для этого в устройство, содержащее интерферометр, поляризационные блоки, оптический фильтрующий блок, блок-анализатор поляризации, фотоэлектрический блок регистрации, вводится дополнительно блок обработки электрических сигналов, входы которого нагружают выходы фотоэлектрического блока регистрации, выполненного на базе четырехплощадочного фотоприемника и узла регистрации. Два выхода этого блока, сигналы в которых пропорциональны неравномерности освещенности фотоприемника по двум взаимно перпендикулярным осям, включены на входы электромеханического узла двухкоординатного перемещения, механически жестко связанного со светоделительным кубиком. Третий выход, сигнал в котором пропорционален суммарной освещенности фотоприемника, включен на управляющий вход механизма вращения, жестко связанного с анализатором, и на вход узла регистрации, второй вход которого соединен с анализатором. Электрический сигнал с анализатора пропорционален углу его поворота. Блок обработки сигналов содержит фазочувствительные выпрямители, опорным сигналом которых является сигнал управления модулятором Фарадея. 3 ил.

Изобретение относится к физической оптике, в частности к оптической рефрактометрии, и может быть использовано дл.измерения показателей преломления стационарных и нестационарных светорассеивающих сред, таких как растворы, суспензии и газовые среды.

Целью изобретения является повышение точности и экспрессности измерений показателя преломления,, а также уменьшение трудоемкости и расширения диапазона измерений на нестационарные рассеивающие среды.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для измерения показателя преломления светорас- сеивающей среды; на фиг.2 - схема блока обработки электрических сигналов; на фиг.З - оптическая схема устройства.

Устройство для измерения показателя преломления светорассеивающей среды состоит из излучателя 1, све- тоделителъного блока 2, блока 3 нейтральных ослабителей оптического излучения, блока 4 компенсации разности хода разделенных пучков, поляризационных блоков 5, кюветы 6 с исследуемым веществом, оптического фильтрующего блока 7, смесителя 8 пучков излучения, анализатора. 9, четы- рехплощадочного фотоприемника 10, бл1эка 11 обработки электрических сигналов, узла 12 двухкоординатного пере мещения, смесителя 8 пучков излучения, узла 13 вращения анализатора 9 и узла 14 регистрации.

Блок 11 обработки электрических сигналов имеет четыре и,п;ентичных входа, нагруженных выходами соответственно каждой из четырех площадок фотоприемника. Он включает последовательно соединенные четырех.канальный усилитель 15, сумматор 16, инвертор 17, сумматор 18. Выходы сумматора 17 соединены через компараторы 19 и фазочувствительные выпрямители 20 с узлом 12 двухкоординатного перемещения смесителя 8. Выход сумматора 16, на котором суммируются все входные, сигналы также соединен через компаратор 19 и фазочувствительный выпрямитель 20 с узлом 13 вращения анализатора 9. Опорные входы фазочувстви- тельных выпрямителей 20 соединены с выходом модулятора 21 Фарадея, которы совместно с узлом 12 двухкоординатного перемещения и узлом 13 вращения соединены с трансформатором 22.

Излучателем служит одномодовый лазер ЛГН-207А, для компенсации разности хода разделенных пучков применяются фазовые клинья. Поляризационные блоки состоят из поляроидов и фазовых пластинок /4, формирующих циркулярную поляризацию излучения. Оптически фильтрующий блок;, осуществляющий фильтрацию пространствер- ньгх частот, содержит конфокально расположенные микрообъектив и длиннофокусный объектив с микронной диафрагмой в фокальной плоскости.

Q 0

5 Q , Q д

0

5

Устройство работает следующим образом.

Излучение одномодового лазера, пройдя коллиматор, формирующий плоскую волну, попадает на светоделитель- ньш кубик 2, который вместе с зеркалами и смесителем 8 пучков излучения составляет в совокупности интерферометр . Блок 3 нейтральных ослабителей служит для выравнивания интенсивнос- тей в плечах интерферометра, для компенсации разности хода разделенных: пучков применяются клинья. Поляроиды и фазовые пластинки поляризационного блока 5 формируют две ортогональные циркулярно поляризованные волны в плечах интерферометра. За кюветой 6 с исследуемой светорассеивающей средой, помещенной в объектном канале интерферометра, расположен оптический фильтрующий блок 7,- состоящий из 2 идентичных конфокально расположенных объективов с фокус- нь№1и расстояниями 30 мм с микронной ( 20|um) диай рагмой в фокальной плоскости, служап1ий для вьщеления рассеянного излучения с нулевой пространственной частотой. На выходе интерферометра ,в результате интерференции двух ортогонально циркулярно поляризованных пучков имеется линейно поляризованное излучение с азимутом, ко- - торый определяется разностью хода интерферирующих пучков.

Блок-анализатор поляризации вместе с фотоэлектрическим блоком регистрации служит для измерения азимута линейной поляризации результирующего излзгчения на выходе интерферометра. На модулятор Фарадея подается переменное синусоидальное напряжение определенной частоты , с помощью чего раскачивается плоскость поляризации результирующего излучения Вращая анализатор, добиваются удвоения частоты 2 сигнала, регистрируемого фотоэлектрическим блоком. Снимая отсчет угла поворота анализатора, находят азимут линейной поляризации. Возникшая в результате внесения рассеивакщих частиц в среду разност;ь азимутов поляризации Д об однозначно связана с изменением показателя преломления и п

« 1 . ,

где Д - длина волны;

l(j- толщина кюветы.

Последовательность операций по измерению разности показателей преломления Дп следующая. С помощью нейтрального ослабителя 3, компёнса- . тора 4, перекрывая поочередно пучки в плечах интерферометра, добиваются равенства интенсивности и оптических путей интерферирующих,пучков. Затем, приблизительно настроив интерферометр на нулевую полосу (что . контролируется визуально ) в пределах половины полосы, включают автоматическую систему точной подстройки на нулевую полосу и удержания минимума интенсивности.

Четыре сигнала а, Ь, с к d попадают на блок 13 операционных усилителей, и усиливаются до значений А, В, С и D. С помоп1ью сумматора- 16 и инвертора 17 формируются сигналы (А + + В), (А + D), - (С + D), -(в + С), Z (А + В + С + D). На выходе сумматора 18 формируются управляющие сигналы X (А + D) - (В + С)Y (А + В) - (С + П), характеризующие соответственно горизонтальную и вертикальную неравномерности .освеп1ен- ности фотоприемника. Вместе.с общим сигналом 2 A+B+C+D, характеризующим общую суммарную освещенность фотоприемника, сигналы X и Y поступают на входы трех каналов, каждый из которых состоит из компаратора 19, фазо- чувствительного выпрямителя 20, опррным сигналом которого является сигнал управления модулятором 21 Фа- радея, моторов узлов 12 двухкоорди- натного перемещения смесителя 8 пучков излучения и узла 13 вращения анализатора, трансформатора 8, управляю щих узлов двухкоординатного перемещения св етоделителя (X и Y) и механизмом вращения анализатора CS.) .

В зависимости от знака сигналов X и Y подается положительное или отрицательное напряжение на моторы, которые через систему редукторов, составляющих вместе с мотором узел двухкоординатного перемещения, передают поступательное движение на смеситель 8 пучков излучения, качая его во взаимно перпендикулярных направлениях, обеспечивая таким образом подстрой- , ку на нулевую интерференционную полосу, до достижения полной равномерности освещенности фотоприемника, что соответствует X Y 0. Суммарный сигнал управляет мотором, вращающим через зубчатую передачу анализатор до достижения минимального значения 51 . Таким образом обеспечивается удержание минимума 51 в процессе измерения.

Узел регистрации содержит вычислительное устройство и транскриптор с цифропечатью, позволяющие автома0 тически пересчитывать угол поворота анализатора в значение разности показателя преломления Дп, запоминать его с малым временным интервалом (л- 60 мкс) и выдавать графи5 ческую зависимость Дп f(t). Автоматическая настройка на нулевую интерференционную полосу повышает точность в 2-3 раза и обеспечивает хорошую воспроизводимость результа-

0 тов измерений.

Формула изобретения

25

0

5

Устройство для измерения показателя преломления светорассеивающей среды, содержащее источник излучения, оптически связанный, с входом двуплечего интерферометра, имеющего смеситель пучков, в опорном плече которого последовательно установлены по ходу излучения нейтральньй ослабитель, компенсатор разности хода лучей, поляризатор и фазовая четвертьволновая пластинка, а в рабочем плече интерферометра установлены по ходу излучения аналогичные поляризатор и четвертьволновая пластинка, кювета и оптический фильтрующий блок в виде двух объективов и расположенной

между ними диафрагмы, на выходе инТер- 0 ферометра по ходу излучения последовательно установлены модулятор Фара- дея, анализатор, фотоприемник, а также узел регистрации, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что, с целью повьше- ния точности и экспрессности измерений, в устройство дополнительно введены блок обработки электрических сигналов и управления, электромеханический узел двухкоординатного перемещения и узел вращения, при этом указанные узлы соединены соответственно со смесителем пучков интерферометра и анализатором, а узел вращения анализатора соединен с узлом регистрации, при этом чувствительная площадка фотоприемника выполнена в виде четырех равных площадок, а бло1 обработки электрических сигналов и управления включает последовательно

5

0

5

соединенные четырехканальный усилитель, входы каждого канала которого соединены с cooTseTctpymiuHMH четырьмя площадками фотоприемника, сумматор сигналов со всех чет|,1рех входов, а .также сигналов первого и третьего входов с сигналами второго и четвертого входов, входы которого срединены с соответствуюищми вьпсода- t каналов четырехканального уси- лЦтеля, инвертор двух сигналов, сое- д ненный с выходами сумматора сигналов третьего входа с вторым и четвертым, другого сумматора сигналов в|горого и четвертого, а также перво- гЬ и третьего входов, первьй и вто- рЬй входы которого соединены с соотФиг.1

ветствующими выходами основного сумматора сигналов первого входа с вторым и четвертым, а третий и четвертый входы соединены с соответствующими первым и вторым выходами инвертора, выход сумматора.сигналов со всех четырех входов соединен через компаратор и фазочувствительный вьтрямитель

с узлом вращения, а каждый из выхо- дов другого сумматора сигналов соединен через другие компараторы и фазо- чувствительные вьптрямители с соответствующими входами электромеханическое

го узла двухкоординатного перемещения при этом опорные входы всех фазочувст- вительных выпрямителей соединены с модулятором Фарадея,

/5

A

Л

i6

.

Q

17

-(

(

,-( r

18

фугз