ПОЛЯРИМЕТРФОНД ^*!епЕРШ j Советский патент 1973 года по МПК G01J4/04 

1

Предла гаемый поляриметр относится к поляризационным приборам оптического приборостроения и предназначен для непрерывных и однов.ременных измерений как главного (квазиглавного) направления тензора диэлектрической нро ицаемости (направления главных напряжений), так и абсолютной величины и знака разности фаз (разность хода) лучей, прошедших через механически нагруженную (Модель, при исследованиях налряжений поляризационно-онтическ1Им методом. Поляриметр может найти применение в качестве метрологического оборудования в химии, например, для исследования полимеров, в кристаллогра1фии и других областях науки и техники, (Где иснользуется поляризованный свет и требуется исследование состояния поляризации света.

На фиг. 1 показана принципиальная схема предлагаемого тюляри.метра; на фиг. 2 - кривые изменения интенсивности монохроматического света разной длины волны А, прошедшего через скрещенные поляризатор и анализатор и установленную между ними исследуемую модель, в которой плавно меняется разность фаз (кривая I при я 578 нм и кривая П при 546 нм).

Поляризатор / (см. фиг. 1) и анализатор 2, представляющие собой поляризационные элементы, встроены в диски (в виде зубчатых

колес). Между поляризатором и анализатором также на дИске установлены ко.мпенсатор 3, на.ттример, Бабине-Солейля и модулятор разности фаз 4. Последний выполнен в виде

тонкой (менее 1 мм) пластинки электрического кристалла, например КДР, вырезанной нерпенди.кулярно оси Z его оптической индикатриссы и в1клеен гой между двумя защитными стеклами, на которые (na ieceHo тахопроводящее покрытие.

Диски с укрепленными на них поляризатором /, анализаторо м 2, компенсатором 3 и модулятором разности фаз 4 связаны между сабой механически или электромехачпгчески

таким образом, что поляризатор и анализатор постоянно окрещены, кристаллографические оси X и У модулятора 4 постоянно совнадают соответственно с плоскостью поляризации поляризатора и а 1ализатора, а оитические оси ко,М1пенсатора 3 постояН)ю составляют угол 45° с плоскостью поляризации поляризатора и анализатора.

Синхронно связанные между собой эле.менты оптической схемы приводятся во вращение реверсивньш двигателем 5, которым управляет избирательный усилитель 6, настроенный на частот} вазбу ждения ячей;ки Фарадея 7 (например, 50 гц), установленной непосредственно после поляризатора /.

Т-окопроводящие покрытия модулятора разности фаз 4 контактируют с токопроводящими кольцами, к которым через щетки 8 подводится переменное напряжение (например, частотор несколько килогерц) от генератора синусоидального напряжения 9. Модулятор разности фаз 4 практически не потребляет энергии, поэтому генератор 9 простой и мипиатюрный.

Большой клин компенсатора 3 перемещается по направляющим микрометрическим винтом 10, приводимым в движение зубчатым колесом 11.

Вращая зубчатое колесо // относительно зубчатого колеса, на котором укреплены компенсатор 3 и модулятор 4, и измеряя угол этого вращения, можно перемещать в ту или иную сторону больщой клин компенсатора 3, не нарушая ориентации его осей, и контролировать степень этого перемещения. Для этого зубчатое .колесо .// соединено с зу(бчатым колесом компенсатора .5 и с двигателем 12 через дифференциальную передачу 13. Дифференциальная передача 13 рассчитана так, что при неподвижном двигателе 12 и вращении зубчатого колеса с компенсатором 3 и модулятором 4 синхронно с ним в ту же сторону вращается зубчатое колесо 1.1, и разность фаз, создаваемая компенсаторо.м 3, остается неиз.менной. .1 :

Двигатель /2 управляетсялибо трансформатором 14,лнбо избирате чьнЫМ усилителем 15, настроенным на частоту возбуждения модулятора разности фаз 4, через синхронный детектор 16, фильтр 17, модулятор 18 и усилитель мощности 19. Модулятор 18 представляет собой, например, транзисторный ключ, управляемый напряжением сети (50 гц).

Для ограничения исследуемой области модели 20, помещенной между модулятором 4 и ячейкой 7, установлена ограничивающая диафрагма 21.

Перед поляризатором / установлены; источник света 22, формирователь параллельного пуч.ка света, состоящий .из конденсора 23, небольшой диафрагмы 24, объектива 25, а также спектральный модулятор, состоящий -ИЗ интерференционного светофильтра 26, плоскопараллельной пластинки 27, непрозрачной для инфракрасных лучей, и нривода 28, например кулачка с электро-магнитом.

За анализатором 2, перед фотоприемником 29 установлено, например, отбрасывающееся зеркало 30 для визуального контроля исследуемой модели 20.

Для цифровой индикации и преобразования измеряемых .параметров в код, например двоичио-десятиЧный, двигатели 5 и 12 соединены соответственно с преобразователями угол-код 31 и 32.

Для залиси измеряемых параметров на бумаге поляриметр содержит неподвижный двухперьевой са-маписец 33, датчиками которого служат линейные многооборотные потенциометры 34 и 35, механически связанные с двигателями 5 и 12.

. Лентопротяжный механизм двухперьевого самописца 33 может быть связан линейной зависи.мостью либо с приводом перемещения блока анализатора (на фиг. 1 не ноказан), когда исследуемая модель 20 сканируется лучом, либо с приводом временного механизма 36 (например, синхронным двигателем с редуктором), когда оптический луч неподвижеп относительно модели и исследуется изменение напряжения в модели под действием изменяющихся во времени внещних сил или за счет нолзучести материала модели. Питание привода 28 спектрального модулятора и вспомогательного реле 37 поступает через ключ 38, который управляется логическим блоком, состоящий из ячеек «И 39 и 40, нуль-органов 41 и 42, триггера 43 и ячейки «НЕ 44.

К выходу фильтра 17 через нормально открытые контакты реле 37 .нодключено ноляризованное реле 45, которое в зазисимости от полярности сигнала включает либо реле- 5, либо реле 47. Нормально закрытые контакты реле 46 н 47 последовательно включены в цепь выхода усилителя мощности 19, а нормально оБкрытые контакты реле 46 н 47 - в цепи вторичных обмоток трансформатора 14 и в цепи электромагнитной муфты 48. Электромагнитная муфта 48 механически связана с кулачком 49 н микровыключателем 50.

Блок 5/ предназначен для автоматического регулирования чувствительности фотоприемника в случае больщих засветовк. Схема его выполне)1а так, что регулирование чувствительности происходит с задержкой, т. е. но достижении заданного уровня.

Конструктивно предлагаемый поляриметр состоит из двух связанных между собой блоков поляризатора и анализатора (см. пунктирные линии на фиг. 1), перемещаемых по горизонтали и вертикали относительно исследуемой модели, электронного блока с пультом управления, устройствами питания и самописцем.

Поляриметр имеет разъем, с по.мо.щью которого можно подсоединять стандартный перфоратор (типа ПЛ-20), либо промежуточиый блок для стыковки поляриметра со счетно-решающей машиной.

Поляриметр работает следующим образом. Нить накала источни1ка света 22 при помощи конденсора 23 через пластинку 27 и интерференционный светофильтр 26 проектируется па диафрагму 24, находящуюся в фокусе объектива 25. Пройдя через объектив 25, параллельный монохроматический нучок света попадает на поляризатор /. Затем плоскополяризованный монохроматический свет проходит через ячейку Фарадея 7 и попадает на исследуемую модель 20. Регулируемая диафрагма 21 позволяет менять площадь просматриваемого пятна исследуемой -модели. Если ячеЙ1ка 7 возбуждается гармоническими колебаниями переменного тока, то азимут плоской волны также гармонически изменяется на небольшую величину (не более 5°). Тем самым обеснечивается необходимое положение вынужденных колебаний на измеряемый параметр направления тлавных напряжений (главного направления тензора диэлектрической проницаемости).

Далее свет проходит через модулятор разности фаз 4, компенсатор 3, анализатор 2 и попадает либо на фотоприемник 29, когда зеркало 30 занимает нижнее положение, ли-бо в поле зрения окуляра периакопического устройства, когда зеркало 30 поднято.

Когда модулятор 4 не возбуждается электрическим полем, то состояние поляризации прошедшего через него поляризованного пучка света пе меняется, так как кристалл в направлении оси Z изотропен.

Возбуждение кристалла модулятора 4 переменным электрическим полем (вызывает в нем появление искусственного двойного лучепреломления, т. е. кристалл из одноосного становится двухосным. Этим обеспечивается необходимое наложение вынужденных колебаний на измеряе.мый параметр разности фаз, максимальная амплитуда которых порядка 2,5..2я:. При приложенном электрическом поле угол, образованный плсюкостью двух оптических осей с кристаллографическими осями X v( Y, .равен 45° и не зависит от величины поля.

Если назвать исходным положением связанных между собой поляризатора /, анализатора, компенсатора и модулятора такое, при котором плоскости пропускания скрещенных поляризатора / и анализатора 2 составляют угол 45° с горизонтом, а нулевым положением зубчатого колеса // тякое, при котором большой клин (Компенсатора 3 находится в среднем положении (при котором разность фаз компенсатора равна нулю), то при отсутствии механических нагрузок, действующих на модель 20, т. е. модель находится в изотропном состоянии, аба пера самописца 33 занимают нулевое положение, а на выходе фотоприемника не возникает сигнала разбаланса как по параметру направления тензора диэлектрической проницаемости (т. е. параметру изоклины), TaiK и по параметру разности хода, поскольку при этом будет максимум гашения света.

При воздействии механических нагрузок на модель 20, когда начинает Проя1вляться анизотропия, па выходе фотоприемника получают сигнал разбаланса в виде переменной составляющей той частоты, с которой накладываются вынужденные колебания на изменившийся па|раметр. В результате приводятся в движение те элементы, которые связаны с двигателем и избирательным усилителем, настроенным на эту частоту, до исчезновения сигнала раз баланса.

Предполо(жим, что изменилось напра:вление тензора диэлектрической -проницаемости

6

при 1 еизменной разности фаз (разности хода). В этом случае на выходе фотоприемника 29 получают сигнал разбаланса в виде переменной составляющей с частотой возбуждения ячейки Фарадея 7 (например, 50 гц).

Избирательный усилитель 6, настроенный на эту частоту, усиливает сигнал разбаланса и воздействует на управляющую обмотку реверсивного двигателя 5, направление вращения которого зависит от фазы сигнала разбаланса.

Обмотка возбуждения двигателя 5 включена таким образом, что при появлении сигнала разбаланса двигатель 5 будет вращать поляризатор /, анализатор 2, компенсатор 3 и модулятор разности фаз 4 до тех пор, пока они не зай.мут такое положение, при котором главное направление тензора диэлектрической проницаемости (направление главных напряжений) модели 20 будет составлять угол 45° со скрещенными поляризатором I и анализатором 2.

Перо самописца 33, связанное с двигателем 5, и преобразователь 31 код-угол покажут значение угла, соответствующего главному направлению тензора диэлектрической проницаемости. (Избирательный усилитель /5 не настроен на эту частоту и не усиливает сигнал разбаланса).

В случае же изменения разности хода при неизменных направлениях осей тензора диэлектрической проницаемости модели 20 на выходе фотоприемника 29 появится сигнал разбаланса тоже в виде переменной составляющей, но с частотой возбуждения модулятора разности хода 4. Усилитель 6 не настроен на эту частоту и не реагирует на сигнал фотоприемника. Усилитель 15, настроенный на частоту возбуждения .модулятора 4, усиливает сигнал разбаланса и подает его на синхронный детектор 16. Полярность сигнала, получаемого после синхронного детектора 16 и фильтра /7, зависит от фазы сигнала разбаланса, что, в свою очередь, зависит от направления изменения параметра разности фаз, т. е. ее знака. После фильтра 17 сигнал модулируется хмодулятором 18, например, с частотой сети (50 гц), усиливается усилителем мощности 19 и через нормально заафытые контакты реле 46 и 47, а также через микровыключатель 50 подается на управляющую обмотку реверсивного двигателя 12, направление вращения которого зависит от фазы сигнала разбаланса.

Вращаясь, двигатель 12 перемещает другое перо самописца 33 и подвижную шестеренку дифференциала 13, что приводит ,к взаимному смещению зубчатого колеса 11 и диска компенсатора 3 и, как следствие, к перемещению большого клина компенсатора 3 по его направляющим и компенсации возникшей в модели разности фаз до ближайшего порядка полосы.

Следует заметить, что длина волны монохроматического света неизменна, поскольку

ключ 38 закрыт. Изменяя длину воллы монохроматического света, можно получать ипфо,рмадию в цело.м порядке полосы, т. е. какая произошла компенсация разности фаз: полная (точка А на фи-г. 2) или неполная, с разницей на величину, кратную 2 {например, точка В или С на фиг. 2).

Практика показывает, что изменение длилы волны монохроматического света, т. е. проверка полной 1КОМпенса|Ции разности фаз, должна происходить в начале pai6oTbi, когда оператор сомневается в получаемых -результата.х, и автоматически в продессе работы устройства, когда по каким-либо причинам в изменении па.ра.метра разности фаз произошел скачок. Допустим, после плавного изменения произошел скачок разности фаз больше заданной величины. Это приводит к срабатыванию нуль-органа 42 и триггера 43. Компенсация дробной части порядка, т. е. когда на выходе фильтра /7 сигнал станет равным или близким к нулю, вызывает срабатывание нульоргана 41, ячейки «И 40 и ключа 38.

При этом пластинка 27 со светофильтром 26 отклоняется от исходного положения на определенный угол (например, 20°) и изменяется длийа волны монохроматического света.

ЕСЛИ при движении большого клина компенсатора 3 была достигнута полная колшенсация, т. е. было найдено его такое положение, при котором созданная в модели 20 разность фаз равна (с обратным зна1ко.м) разности фаз в .компенсаторе 3 (точка А на фит. 2), что соответствует нулевому порядку полосы, то на выходе фильтра 17 при изменении длины волны молохроматического света сигнал будет по-|прежнему равен нулю. В этом случае сра|ботает ячейка «И 39, которая переведет 43 в исходное положение, ключ 38 выключится, реле 37 и светофильтр вернутся в исходное положение.

Если компенсация произошла неполная и клин компенсатора 3 (. 2) находится в положении, соответствуюш;е.м, например, точ1ке В или С, то при подаче возбуждения на привод 28 спектрального модулятора (при соответствующем положении триггера 43 и срабатывании нуль-органа 41) на выходе фильтра 17 появится сигнал, полярность которого зависит от фазы высокочастотной составляюш;ей тока фотоприемника 29.

Появление сигнала на выходе фильтра 17 свидетельствует о том, что большой клин компенсатора 3 нужно принудительно передвинуть на величину, соответствующую примерно одному поряд1су полосы (разность фаз 2 -t), а полярность этого сигнала указывает на направление требуемого движения клина ко.мпенсатора для приближения ж точке Л, т. е. к точке полной компенсации.

С фильтра 17 через контакты реле 37 поступает сигнал на поляризованное реле 45, которое включает либо реле 46, лнбо реле 47. Последнее отсоединяет обмотку управления двигателя 12 от усилителя мощности 19 и

подсоединяют « соответствующей обмотке трансформатора 14 и подает иитание на электромагнитную муфту 48. Вторичная обмотка трансформатора состоит из двух секций, имеюадих среднюю точку. Переключаясь с одной

секции обмотки трансформатора 14 иа другую,,

можно реверсировать движение двигателя 12.

Вращаясь, двигатель 12, кроме вращения

зубчатого колеса 11 относительно компенсатора 3, через включенную муфту 48 будет поворачивать в кулачак 49, что приведет к переключению механически связанного с кулачком 49 микровыключателя 50, .блокированию включенного реле 46 или 47 и электромагнитной муфты 48.

Двигатель 12 продолжает вращаться до тех пор, пока кулачок не сделает полный оборот, вернув в исходное положение микровыключатель 50. Как только микровыключатель

50 оказывается в исходном положении, теряет питание муфта 48 и находящееся под. напряжением реле 46 или 47, потому что ключ 38 не включен.

На этом заканчивается принудительное

передвижение жлина компенсатора 3 на величину, соответствующую разности фаз, равную примерно 2я, и снова начинается поиск максимального гашения света, при котором сигнал разбаланса .равен кулю.

Когда полностью компенсируется разность фаз, нуль-орган 41 повторно сработает и включит реле 37 и привод 28 и ошва из.менится длина волны света.

ЕСЛИ при этом окажется, что найденная

экстремальная точка .кривой I (см. фиг. 2) еще не соответствует точке полной компенсации, то принудительное перемещение клина произойдет повторно в ту же сторону. Такие«перешагивания через точки максимального

значения света будут повторяться до тех пор, пока клин не придет в точку А, соответствующую полной компенсации разности фаз компенсатором 3.

ЕСЛИ при спектральной модуляции на выходе фильтра 17 (или на выходе усилителя 19) не будет сигнала, достаточного для срабатывания реле 45 и ячейки «НЕ 44, то ячейка «И 39 .переведет триггер 43 в другое устойчивое состояние и ключ 38 закроется до

очередного скачка параметра разности фаз или до замыкания кнопки 52.

Абсолютное значение разности хода и ее знак можно прочесть па ленте двухперьевого самописца 33 и на цифровом табло, связанном

с прео.бразователем уголнкод 32.

Таким образом, предлагаемый поляриметр позволяет непрерывно и плавно сканировать неподвижную механически нагруженную модель и так же непрерывно получать точную

информацию об измеряемых параметрах направлений главных напряжений и разности фаз в вЕде записи на |бумаге или в виде двои41но-десятичлого када для световой индикащии или для затиси результатов измереНИИ на перфоленту и ввода в ЭВМ.

Поляриметр имеет небольшие габариты и вес блока анализатора, содержит простые транзисторные избирательные усилители, которые можно заменить серийно выпускаемыми нашей промышленностью унифицированными усилителями; простой и надежный спектральный модулятор.

Поляриметр обладает повып1енным быстродействием, что позволяет значительно сократить машинное время в случае непосредственной СТЫ1КОВКИ его с ЭВМ. Он удобен и прост в эксплуатации.

П|редмет изобретения

Поляриметр, содержащий оптико-механическую систему Со спектральным модулятором, интерференционным светофильтром, поляризатором, анализатором, ячейкой Фарадея, компенсатором, двумя избирательными усилителями и реверсивными двигателями, двумя датчиками угол-код и дву.хперьевым самописцем, отличающийся тем, что, с целью увеличения эконрессности измерения и устранения амп.титудной модуляции лри работе спектрального модулятора, между поляризатором и анализатором установлен модулятор разности фаз, который вынолнен в виде пластинки электрооптического кристалла, например КДР, вырезанной перпендикулярно оптической оси Z кристалла, и связан с системой возбуждення в нем колебаний, при этом снектральный модулятор снабжен плоскопараллельной пластинкой, поглощающей инфра Красное излучение и связанной с системой изменения ее наклона относительно интерференционного светофильтра.

Щ Сеть ГI

-

А .