Устройство для регистрации контуров спектральных линий люминесценции Советский патент 1981 года по МПК G01N21/52 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ КОНТУРОВ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ Изобретение относится к неразрушаю щему контролю фиаико-химических свойств материалов электром:агнитными колебаниями оптического диапазона и может быть использовано для регистрации контуров спектральных линий люминесценции каучуков, резин, гуммировочных покрытий, растворов и расплавов полимеров, а также других плас тических материалов с повышенной точностью . Известны устройства для регистрации контуров спектральных линий люминесценции, в которых используются дву лучевые схемы, содержацще -измерительный и сравнительный каналы |J. Недостатком этих устройств является влияние неизбежной неидентичности характеристик двух фотоприемников и,нестабильности их характеристик на точность воспроизведения контура спектральных линий люминесценции. Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому является двух-пучевое устройство с периодическим прерыванием световых потоков в измерительном и сравнительном каналах, содержащее ультрафиолетовый лазер, возбуждающий люминесцентный пучок, световод для фор мирования и передачи этого пучка, светоделительную пластину, установленную на пути пучка, управляемые оптические затворы, установленные на пути измеряемого и сравниваемого люминесцентных пучков, блок сканирования, монохроматор регистрации, размещенные в измерительном канале, зеркало, полупрозрачное зеркало - в сравнительном канале, приемник оптического излучения, выходом сдединенный через последовательно включенные логарифматор, избирательный усилитель частоты прерывания с входом синхронного детектора, управляющий вход которого соединен с противофазными выходами низкочастотного генератора частоты прерывания и управляющими входами оптических затворов, выход синхронного детектора подключен к самопишущему вольтметру, двигатель регистратора которого кинематически связан с механическим приводом блока сканирования 2 . Недостаток данного устройства состоит в трудности регистрации малых отклонений контура спектральных линий, характеризующих структурные и химические изменения состава контролируемого материала. Это обусловлено тем, что выходной сигнал известных устройств регистрации контуров спектральных линий люминесценции пропорционален абсолютным значениям интенсивностей спектральных излучений. Поэтому на фоне больших величин интенсивностей излучений трудно обнаружить их малые отклонения. Анализ контура спектральных линий люминесценции особенно усложняется, если контролируемые отклонения соизмеримы с погрешностями измерений. Цель изобретения - повьшение точности и чувствительности регистрации малых отклонений контура спектральны .линий люминесценции. Поставленная цель достигается тем что в устройство для регистрации кон туров спектральных линий люминесценции, содержащее ультрафиолетовьй лазер, возбуждающий люминесцентный пучок, световод для формирования и передачи этого пучка, светоделительную пластинку, установленную на пути пуч ка, управляемые оптические затворы, установленную на пути измеряемого и сравниваемого люминесцентных пучков, блок сканирования, монохроматор реги страции, размещенные в измерительном .канале, зеркало, полупрозрачное зеркало - в сравнительном канале, прием ник оптического излучения, выход которого соединен через последовательно включенные логарифматор, избирательный усилитель частоты прерывания с входом синхронного детектора, управляющий вход которого соединен с противофазными выходами низкочастотного генератора частоты прерывания и управляющими входами оптических затворов,, выход синхронного детектора подключен к самопишущему вольтметру, двигатель регистратора которого кинематически связан с механически приводом блока сканирования, введены 4 блок управления, реверсивная муфта, опический аттенюатор, реохорд, источник стабилизированного напряжения, соединенный с реохордом, подвижный контакт которого через реверсивную муфту кинематически связан с блоком сканирования и электрически соединен с управляющим входом оптического аттенюатора, блок управления, соединенный с двигателем регистратора самопишущего вольтметра и реверсивной муфтой, монохроматор фиксированной длины волны, расположенный между зеркалом и полупрозрачным зеркалом сравнительного канала. На фиг. 1 изображены параметры относительных отклонений интенсивностей реального и аппроксимирующего контуров спектров люминесценции; на фиг. 2 - функциональная схема устройства. Функциональная схема устройства содержит ультрафиолетовый лазер 1 постоянной длины волны, контролируемый материал 2, оптический световод 3, светоделительную пластинку 4, первьш управляемый оптический затвор 5, блок 6 сканирования, монохроматор 7 регистрации, полупрозрачное зеркало 8, приемник 9 оптического излучения, выходом соединенный через последовательно включенные логарифматор 10, избирательней усилитель 11 частоты прерывания - с сигнальным входом синхронного детектора 12, управляющий вход которого соединен с входами низкочастотного генератора 13 частоты прерывания. Выход синхронного детектора подключен к самопишущему вольтметру 14. Второй управляемый оптический затвор 15, оптический аттенюатор 16, зеркало 17, монохроматор 18 фиксированной волны расположены на пути сравнительного люминесцентного пучка. Реохорд 19 соединен с источником 20 стабилизированного напряжения, подвижный контакт реохорда через реверсивную муфту 21 кинематически связан с механическим приводом блока 6 сканирования и электрически соединен с управляющим входом оптического аттенюатора 16. Противофазные выходы генератора 13подключены к. управляющим входам оптических затворов 5 и 15, двигатель регистратора самопишущего вольтметра 14кинематически связан с механическим приводом блока и блоком 22 управления с которым соединен управляю щий вход реверсивной муфты 21. Устройство работает следующим образом. Непрерывный когерентный монохрома тический пучок постоянной интенсивности I о от ультрафиолетового лазера 1 постоянной длины волны направляется на контролируемый материал 2 В результате поглощения лазерного излучения контролируемым материалом возникает видимое свечение люминесценции с интенсивностью 1л (X) KX 1о где 1д ,IQ интенсивности люминесценции и возбуяздающего лазерного излучения соответственно;К - спектральный коэффициент преобразования лазерного излучения в люминесцентное. Люминесцентное излучение воспринимается световодом 3, с помощью которого люминесцентный пучок передает ся на светоделительную пластинку 4, где происходит расщепление этого пуч ка на измеряемый и сравниваемый люминесцентные пучки, имеющие соответственно интенсивности 1 I, причем 1 и I2 ь одинаковой мере завися от мощности исходноговозбуждающего излучения. Следовательно, л U) « -«-li) Кд где К . - коэффициент передачи световода 3. Полученные при расщеплении люминесцентного пучка измеряемый и сравниваемый пучки направляются по отдельным оптическим трактам к приемнику 9 оптического излучения. Измеряемый пучок проходит управля емьш затвор 5, блок 6 сканирования, монохроматор 7 регистрации, полупрозрачное зеркало 8 и воспринимается приемником 9 оптического излучения. Блок 6 сканирования выводит на выход ную щель монохроматора 7 регистраци различные участки исследуемого спектра люминесценции. Сравниваемьй люминесцентный пучок проходит второй управляемый оптический затвор 15, оптический аттенюатор 16, отражается зеркалом 17, пропускается монохроматором 18 постоянной длины волны, отражается полупрозрачным зеркалом 8 и воспринимается приемником 9 оптического излучения. 96 Работа управляемых оптических, затворов 5 и 15 регулируется противофазными импульсами низкочастотного генератора 13 частоты прерывания. В результате поочередного открьюания оптических затворов 5 и 15, управляемых импульсами генератора 13, происходит поочередное прерывание измеряемого и сравниваемого люминесцентных пучков, что приводит к формированию оптических радиоимпульсов со скважностью, равной двум: 1-3 у 1(1 -Sigr SinSi-t ), 1. 2 (1 - Sign SinSlt ), где Т - коэффициент пропускания оптического аттенюатора 16 на средней длине Хср SI - круговая частота прерывания. Сформированные оптические радиоимпульсы с интенсивностями 1 и л проходят по соответствующим элементам измерительного и сравнительного оптических трактов. Сканирование измеряемого люминесцентного пучка начинается по команде блока 22 управления включением двигателя протяжки диаграммной ленты самопишущего вольтметра 14. Одновременно с движением диаграммной ленты начинается перемещение щели блока сканирования и подвижного контакта реохорда 19. При этом с помощью реверсив1ной муфты 21 обеспечивается движение контакта реохорда в сторону увеличения его выходного напряжения. С учетом этого интенсивность измеряемого пучка на выходе монохроматора регистрации описывается соотношениемs sinatb где С С XI- интенсивность линейно изменяющегося -аппроксимирующего контура спектральных линий на участке левого ската. Интенсивность излучения сравниваемого пучка на выходе монохроматора 18 фиксированной (средней) длины волны описывается соотношением 4 1 (1 - Sign Sinftt ) где L интенсивность люминесцентного излучения на средней длине волны Д- ср Величина коэффициента пропускания оптического аттенюатора 16 подчиняется соотношению т.КрК„и где Кр - коэффициент пропорциональности, зависящий от положения подвижного контакта реохорда (длины волны); коэффициент преобразования напряжения в относительное измерение оптической плотности;напряжение питания реохор да 19. С учетом величины коэффициента пропускания Т оптического аттенюатора 16 интенсивность излучения сравниваемого пучка равна (l- Sign Sinat ) Далее оптические радиоимпульсы {со скважностью, равной двум) измерительного и сравнительного каналов поочередно с помощью полупрозрачного зеркала 8 направляются на приемник 9 оптического излучения, с помощью которого они преобразуются в электри ческие видеоимпульсы U, и 1/2: Ц- .U)(-J45ig-he Hfti), 2 2 I KpUpd-Sign Sin Sit) где d- коэф ициент преобразования о тических сигналов (радиоимпульсов) в электрические при емником 9 оптичеёкого излуче ния на средней длине волны Х Напряжения Ц и U 2 с выхода прием ника оптического излучения поступают на вход логарифмического преобразователя 10, где подвергаются функциоя нальному преобразованию в напряжения 1)4 соответственно: U,5EH(U,)-:sev,).-J-,a) (J --5Evi(U2)-SEvi,- K KpUpt-i-Sign sinSltl где S - крутизна логарифмического преобразователя 10. Избирательным усилителем 11 частоты прерывания выдепяется переменная составляющая напряжения 0, про порциональная огибающей видеоимпульсов (разности логарифмов амплитуд радиоимпульс .. 0 K,(gv, УЗ- Вии) - -T T -t --. где К - коэффициент усиления избирательного усилителя 1. Усиленное напряжение U,- синхронно детектируется синхронным детектором 12 на выходе которого получают постоянное напряжение U,: 2: 3 KgRpUo «2 где К - коэффициент выпрямления синхронного детектора 12. Так как скорость нарастания интенсивностей , (Д,) от длины волны и коэффициента пропускания Т оптического аттеипоатора 16 одинаковы, причем I . (Д.) стремится к I л на участке левого ската аппроксимирующего контура (фиг. I), то L SaV oz С учетом этого соотношения выходное напряжение U синхронного детектора 12 равно Ug -TI(Из условия равенства абсолютных величин энергий реального и аппроксимирующего контуров спектральных линий люминесценции регистрируемые относительные отклонения значительно меньше единицы ЗГ(Х)« то выходное напряжение U равно Ug ГчШТаким оора.зом, самопишущий вольтметр 14 регистрирует напряжение, пропорциональное относительному отклонению параметров контура, в частности T/f (Х)(Т.е. регистрируется степень отклонения реального контура спектральных линий от аппроксимирующего на участке левого ската трапеции. При выходе на плоский участок аппроксимирующего контура по команде блока 22 управления с помощью муфты 21 останавливается подвижный контакт реохорда 19 и процесс сканирования люминесцентного излучения продолжается при постоянном значении коэффициента пропускания оптического аттенюатора 16. В этом режиме работы устройства интенсивность излучения измерительного канала Ig )JC +siHn5in5it), 9 ) параметру характеризующий неравномерность учас ка реального контура спе тральных линий. Интенсивность излучения на выходе сравнительного канала | ildJij (1 - Sign Sinat ) при условии т const, 2 const (плоский участок). С учетом описанных вьше преобразований получаемое выходное напряжение синхронного детектора 12 равно: Ug K2.K,)При выходе на начало участка правого ската контура спектральных лиНИИ люминесценции блок 22 управления включает муфту 2 в реверсивный режим. Вследствие этого подвижный контакт реохорда 19 перемещается в направлении уменьшения выходного напряжения реохорда, что соответствует уменьшению коэффициента пропускания Т аттенюатора 16. На выходе синхрон ного детектора появляется напряжение пропорциональное относительному отклонению контура от прямой линии, ап проксимирующей правый скат, которое регистрируется самопишущим вольтметром 14: Ug K2.(X. Предлагаемое устройство по сравне нию с известным повышает точность и чувствительность регистрации контуров спектральных ли.ний люминесценции за счет того, что регистрируются относительные отклонения реального кон тура от аппроксимирующего, которое в большей степени характеризует физико химические свойства контролируемого материала; относительные отклонения контура не зависят от исходной мощности излучения и коэффициента спек. тральных преобразований К, а поэтом не требуется стабилизация исходного излучения; исключено влияние нестабильности коэффициента пропускания световода К, что обеспечивает дистанционный контроль технологических процессов; исключено влияние вре менной и температурной нестабильностей приемника и оптического излучения; повышена чувствительность регистрации малых отклонений контуров спектральных линий люминесценции за счет возможности усиления только информативной части электрического сиг нала. 10 9 изобретения Формула Устройство для регистрации контуров спектральных линий люминесценции , содержащее ультрафиолетовьш лазер, возбуждающий люминесцентный пучок, световод для формирования и передачи этого пучка, светоделительную пластинку, установленную на пути пучка, управляемые оптические затворы, установленные на пути измеряемого и сравниваемого люминесцентных пучков, блок сканирования, монохроматор регистрации, размещенные в измерительном канале, зеркало, полупрозрачное зеркало - в срав1 тельном канале, приемник оптического излучения, выход которого соединен через последовательно включенные логарифматор, избирательный усилитель частоты прерывания с входом синхронного детектора, управляющий вход которого соединен с противофазными выходами низкочастотного генератора частоты прерывания и управляющими входами оптических затворов, выход синхронного детектора подключен к самопишущему вольтметру, двигатель регистратора которого кинематически связан с механическим приводом блока сканирования, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности регистрации малых отклонений контура спектральных линий люминесценции, в него введены блок управления, реверсивная муфта, оптический аттенюатор, реохорд, источник стабилизированного напряжения, соединенный с реохордом, подвижный контакт которого через реверсивную муфту кинематически связан с блоком сканирования и электрически соединен с управляимцим входом оптического аттенюатора, блок управления, соединенный с двигателем регистратора самопишущего вольтметра и реверсивной муфтой, и монохроматор фиксированной длины волны, расположенный между зеркалом и полупрозрачным зеркалом сравнительного канала. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Анисимов В. И. и др. Лабораторный спектрофлутиметр для свободных пленочных образцов. ,1974, № 5, с. 154.