Поляриметрфонд ^*!еперш j

 

ОП ИСАНИ Е

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Соеетских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Зависимое от авт. свидетельства ¹â€”

М. Кл. G 01п 2Ь44

Заявлено 01.1V.1970 (№ 1422260/26-25) с присоединением заявки ¹â€”

Приоритет—

Опубликована 29.Ч.1973. Бюллетень ¹ 25

Дата опубликования схписания 24.IX.1973

Комитет по делахт изобретений и открытий при Соесте Ыинистрое

ССОР

УДК 638.614(088.8) Авторы изобретештя А. И. Пеньковский, Р. T. Адагамова, В. С. Смирнов, Е. Ф. Родигина, И. А. Касаткина, Р. И. Кузьмина, В. П. Капралов и С. В. Пеиьковская

Заявитель

ПОЛЯ Р ИМ ЕТР

11редлагаемый паляриметр относится к ноляризационным прибора м оптического приборостроения и предназначен для непрерывных и одновременны.: измерений как главного (квазиглавного) направления тспзора диэлектрической проницаемости (направления главных напряжений), так и абсолютной величины и знака разности фаз (разность хода) лучей, прошедших через механически нагруженную модель, при исследованиях напряжений поляризационно-оптическим методом.

Поляриметр может найти применение в качестве метрологичеакого оборудования в химии, например, для исследования полимеров, в кристаллогра фии и других областях науки и техники, где используется поляризованный свет и требуется исследование состояния поляризации света.

На фиг. 1 показана принципиальная схема предлагаемого поляриметра; на фиг. 2 —— кривые изменения интенсивности монохроматического света разной длины волны т, прошед шего через скрещенные |поляризатор и анализатор и установленную между ними исследуемую модель, в которой плавно меняется разность фаз (кривая 1 при т=578 нм и кривая Il при т=546 ни).

Поляризатор 1 (см. фиг. 1) и анализатор

2, представляющие собой поляризационные элементы, встроены в дневки (в виде зубчатых колес). Между поляризатором и анап:иатором также на диске установлены компенсатор

3, например, Бобине-Солейля н модулятор разности фаз 4. Последний выполнен в виде тонкой (менее 1 им) пластинки электричес ого кристалла, например КДР, вырезанной перпендикулярно оси Z ега оптической нндпкатриссы и Оклеенной между двумя защитными стеклами, на которые íанесено тк опроводящее покрытие.

Диски с укрепленными на них поляризатором 1, анализатором 2, компенсатором 3 If модулятором разности фаз 4 связаны между собой механически или электромеханическн таким образам, что поляризатор и анализатор постоянно с крещены, крпсталлаграфнческхе оси Х и т модулятора 4 постоянно совпадают соответственно с плоскостью поляризации поляризатора и анализатора, а оптпчес20 кие оси компенсатора 8 постоянно составля ат угол 45 с плоскостью поляризации поляризатора и анализатора.

Сии ранна связанные между собой эле.менты оптической схемы приводятся во вращение реверсивным двигателем 5, которым управляет избирателыный усилитель 6, настроенный на частоту возбуждения ячей:ки

Фарадея 7 (на пример, 50 гт1), установленной непосредственно после поляризатора 1.

385206

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

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

Вращая зубчатое колесо 11 относительно зубчатого колеса, на котором укреплены компенсатор 3 и модулятор 4, и измеряя угол этого вращения, можно .перемещать в ту или иную сторону большой клин ком пенсатора 3, пе нарушая ориентации его осей, и контролировать степень этого перемещения. Для этого зубчатое колесо П соединено с зубчатым колесом компенсатора 3 и с двигателем 12 через дифференциальную передачу 13. Дифференциальная передача 13 рассчитана так, что при неподвижном двигателе 12 и вращении зубчатого колеса с компе1сатором 3 и модулятором 4 синхронно с пим в ту же сторону вращается зубчатое колесо 11, и разность фаз, создаваемая компенсатором 3, остается еиз.менной.

Двигатель 12 управляется либо трансформатором И, либо избирательным усилителем

15, настроенным на частоту возбуждения модулятора разности фаз 4, через синхронный детектор 1б, фильвр 17, модулятор 18 и усилитель мощности 19. Модулятор 18 представляет собой, например, транзисторный ключ, управляемый напряжением сети (50 гц) .

Для ограничения исследуемой ооласти модели 20, помещенной между модулятором 4 и ячейкой 7, установлена ограничивающая диафра,гма 21.

Перед поляризатором 1 установлены: источник света 22, формирователь параллельного пучка света, состоящий .из конденсора

23, небольшой диафрагмы 24, объектива 25, а также спектральный модулятор, состоящий ,из интерферепционного светофильтра 25, плоскопараллельной пластинки 27, непрозрачной для инфракрасных лучей, и привода 28, например кулачка с электромагнитом.

За анализатором 2, перед фото приемником

29 установлено, например, отбрасывающееся зеркало 30 для визуального .контроля исследуемой модели 20.

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

Для записи измеряемых параметров на бумаге поляриметр содержит неподвижный двухперьевой самописец 88, датчи1ками которого служат линейные многооборотные потен5

Зо

G5 циометры 34 и 35, механически связанные с двигателями 5 и 12.

Лентопротяжный механизм двухперьевого самописца 38 может быть связан линейной зависимостью либо с приводом перемещения блока анализатора (на фиг. 1 не показан), когда исследуемая модель 20 сканируется лучом, либо с приводом временного ме анизма

3б (например, синхронным двигателем с редуктором), когда оптический луч неподвижен относительно модели и исследуется изменение напряжения в модели,под действием изменяющихся во времени внешних сил или за счет ползучести 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 подключено поля ризованное реле 45, которое в зависимости от полярности сигнала включает либо реле 4б, либо реле 47. Нормально закрытые контакты ,реле 4б и 47 последовательно включены в цепь выхода усилителя мощности 19, а нормально открытые контакты реле 4б и 47 — в цепи вторичных оомоток трансформатора 14 и в цепи электромагнитной муфты 48. Электромагнитная муфта 48 механически связана с кулачком 49 .и микровыключателем 50.

Блок 51 предназначен для автоматического регулирования чувствительности фотоприемника в случае больших засвети. Схема его выполнена та к, что регулирование чувствительности происходит с задержкой, т. е. по 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 помощью которого можно подсоединять стандартный перфоратор (типа ПЛ вЂ” 20), либо промежуточный блок для стыковки поляриметра со счетно-решающей ма шиной.

Поляриметр работает следующим образом.

Нить накала источника света 22 при помощи конденсора 23 через пластинку 27 и интерференционный светофильтр 2б проектируется на диафрагму 24, находящуюся в фокусе объектива 25. Пройдя через объектив 25, параллельный монохроматический пучок света попадает на поляризатор 1. Затем плоскополяризованный монохроматический свет проходит через ячейку Фарадея 7 и попадает на исследуемую модель 20. Регулируемая диафрагма 21 позволяет менять площадь просма-триваемого пятна исследуемой модели. Если ячейка 7 возбуждается гармоническими коле385206 баниями переменного ток", то азимут плоской волны также гармонически изменяется на небольшую величину (не более 5 ). Тем самым обеспечивается необходимое положение вынужденных колебаний на измеряемый параметр направления главных напряжений (главного направления тензора диэлектрической проницаемости).

Далее свет лроходит через модулятор разности фаз 4, компенсатор 8, анализатор 2 и попадает либо на фотоприемник 29, когда зеркало 80 занимает нижнее положение, либо в поле зрения окуляра периокопического устройства, когда зеркало 80 поднято.

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

Возбуждение кристалла модулятора 4 переменnbIfvl электр ичес ким полем вызывает в нем появление искусственного двойного лучепреломления, т. е. кристалл из одноосного становится двухосным. Этим обеспечивается необходимое наложение вынужденных .колеоаний на измеряемый параметр разности фаз, максимальная амплитуда которых порядка

2,5.10 .2 т. При приложенном электрическом поле угол, образованный плоскостью двух оптических осей с кристаллографичес кими осями Х и Y,,ðàBåí 45 и не зависит от величины поля.

Если назвать исходным положением связанных между собой поляризатора 1, анализатора, компенсатора и модулятора такое, при котором плоскости пропускания скрещенных поляризатора 1 и анализатора 2 составляют угол 45 с горизонтом, а нулевым положением зубчатого колеса 11 такое, при котором большой клин компенсатора 8 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, ооа пера самописца 88 занимают нулевое положение, а на выходе фотоприемника не возникает си,гнала раз,бала.нса ка.к по .параметру направления тензора диэлектрической проницаемости (т. е. параметру изоклины), TBIK и по параметру разности хода, поскольку при этом будет максимум гашения света.

При воздействии механических нагрузок на модель 20, когда начинает проявляться анизотролия, на выходе фотоприемника получают си гнал,разбаланса в виде переменной составляющей той частоты, с которой накладываются вынужденные колебания на изменившийся параметр. B результате приводятся в движение те элементы, которые связаны с двигателем и избирательным усилителем, настроенным на эту частоту, до исчезновения сигнала раэбаланса.

Предположим, что изменилось направление тензора диэлектрической проницаемости пр:i неизменной разности фаз (разности хоча). В этом случае на выходе фотоприемника

29 получают сигнал разбаланса в виде переменной составляющей с частотой возбуждения ячейки Фарадея 7 (например, 50 eq).

Избирательный усилитель 6, настроенный

»а эту частоту, усиливает сигнал разбалапса и воздействует на управляющую обмотку реверсивного двигателя 5, направление враще)о ния которого зависит от фазы сигнала разбаланса.

Обмотка возбуждения двигателя 5 включена таким образом, что при появлении сиг нала разбаланса двигатель 5 будет вращать поляризатор 1, анализатор 2, компенсатор 8 и модулятор разности фаз 4 до тех пор, пока они не займут такое положение, при котором главное направление тензора днэлектричеОкой проницаемости (направление главных

20 напряжений) модели 20 будет составлять угол 45 со скрещенными поляризатором 1 и анализатором 2.

Перо самописца 88, связанное с двигателем 5, и преобразователь 81 код-угол покажут значение угла, соответствующего главному направлению тензора диэлектрической проницаемости. (Избирательный усилитель 15 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 фото приемника. Усилитель 15, настроенный на частоту возбуждения модулятора 4, уснли4о вает сигнал,разбаланса и подает его на синхронный детектор 16. Полярность сигнала, лолучаемого после синхронного детектора IG и фильтра 17, зависит от фазы сигнала разбаланса, что, в свою очередь, зависит от на4 правления изменения параметра разности фаз, т. е. ее знака. После фильтра 17 c»r»aë модулируется модулятором 18, например, с частотой сети (50 гц), усиливается усилителем мощности 19 и через нормально закрытые контакты реле 46 и 47, а также через микровыключатель 50 подается на управляюгцую обмотку реверсивного двигателя 12, направление вращения которого зависит от фазы сигнала раэбаланса.

Вращаясь, двигатель 12 перемещает другое перо самописца 88 и подвижную шестеренку дифференциала 18, что при водит .к взаимному смещению зубчатого колеса 11 и диска ком пенсатора 8 и, как следствие, к перемещению большого клина компенсатора 8 по его направляющим и компенсации возниишей в модели разности фаз до ближайшего порядка .полосы.

Следует заметить, что длина волны монохроматическото света неизменна, поскольку

385206 ключ 88 за крыт. Изменяя длину волны монохроматического света, можно получать информацию в целом порядке полосы, т. е. какая произошла компенсация разности фаз: полная (точка А на фиг. 2) или неполная, с разпицей на величину, кратную 2 (например, точка В или С на фиг. 2).

Практика пока зывает, что изменение длины волны монохроматического света, т. е. проверка полной компенсации разности фаз, должна происходить в начале работы, когда оператор сомневается в получаемых результатах, и автоматически в процессе работы устройства, когда по каким-либо причинам в изменении параметра разности фаз произошел скачок. Допустим, после плавного изменения праизашел скачок разности фаз больше заданной величины. Это приводит к срабаты ванию нуль-органа 42 и триггера 48. Компенсация дробной части порядка, т. е. когда на выходе фильтра 17 сигнал станет равным или близким к нулю, вызывает срабатывание нульоргана 41, ячейки «И» 40 и ключа 88.

При этом пластинка 27 со светофильтром

2б отклоняется от исходного положения на определенный угол (например, 20 ) и изменяется длинна,волны манохроматического света.

Если при движении большого клина компенсатора 8 была достигнута полная компенсация, т. е. было найдено его такое положение, при котором созда иная в модели 20 разность фаз равна (c обратным значком) разности фаз в .компенсаторе 8 (точка А на фиг. 2), что соответствует нулевому порядку полосы, то на выходе фильтра 17 при изменении длины волны монохроматического света сигнал будет по прежнему равен нулю.

В этом случае сработает ячейка «И» 39, которая переведет трипгер 48 в исходное положение, ключ 88 выключится, реле 87 и светофильтр вернутся в исходное положение.

Если компенсация произошла неполная и клин компенсатора 8 (фиг. 2) находится в положении, соответствующем, например, точ ке 8 или С, то при подаче возбуждения на привод 28 спектрального модулятора (при соответствующем положениями триггера 48 и срабатывании нуль-органа 41) на выходе фильтра 17 появится сигнал, полярность которого зависит от фазы высокочастотной составляющей 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 порядку полосы (разпость фаз — 2 „,), а полярность этого сигнала указывает на направление требуемого движения клина компенсатора для приближения к точке А, т. е. к точке полной компенсации.

С фильтра 17 через контакты реле 87 поступает сигнал на поляризованное реле 45, которое включает либо реле 4б, либо реле 47.

Г1оследнее отсоединяет обмотку управления двигателя 12 от усилителя мощности 19 и подсоединяют к соответствующей оомотке трансформатора 14,и подает питание на электромагнитную муфту 48. Вторичная обмотка трансформатора состоит из двух секций, име5 ющих среднюю точку. Переключаясь с одной секции обмотки трансформатора 14,на другую,. можно реверсировать движение двигателя 12.

Вращаясь, двигатель 12, кроме вращения зубчатого колеса 11 относительно компенса1О тора 3, через включенную муфту 48 будет поворачивать в кулачок 49, что приведет к пе.реключению механически связанного с кулачком 49 микровыключателя 50, .блокированию включенного реле 46 или 47 и электромагнит15 ной муфты 48.

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

20 50 оказывается в исходном положении, теряет питание муфта 48 и находящееся под напряжением реле 4б или 47, потому что ключ 88 не включен.

На этом заканчивается принудительное передвижение клина компенсато ра 3 на величину, соответствующую разности фаз, равную примерно 2>, и снова начинается поиск максимального га шения света, при котором .сигнал разбаланса равен нулю.

Когда полностью компенсируется разность фаз, .нуль-орган 41 повторно сработает и включит реле 87 .и привод 28 и снова изменится длина волны света.

Если при этом окажется, что найденная экстремальная точка, кривой 1 (см. фиг. 2) еще не соответствует точке полной компенсации, то принудительное перемещение клина произойдет повторно в ту же сторону. Такие

«перешативания» через точки максимального 10 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 вы4ь ходе фильтра 17 (или иа выходе усилителя

19) не будет сигнала, достаточного для срабатывания реле 45 и ячейки «НЕ» 44, то ячейка «И» 39,переведет триггер 48 в другое устойчивое состояние и ключ 88 закроется до очередного скачка параметра разности фаз или до замыкания кнопки 52.

Абсолютное значение разности хода и ее знак можно прочесть на ленте двухперьевого саиописца 88 и на цифровом табло, связанном с преобразователем угол код 82.

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 виде записи на бумаге или в виде двоично-десятичного;кода для световой индика ции или для за писи результатов измерений на пер фоленту и ввода в ЭВМ.

385206

Поляриметр имеет небольшие габариты и вес блока анализатора, содергкит просты: транзисторные избиратель гые усилители, которые можно заменить серийно выпускаемыми нашей промышленностью унифицированными усилителями; простой н надежный спектральный модулятор.

Поляриметр обладает повышенным быст.родействием, что позволяет значительно сократить машинное время в случае непосредственной стьнковки вго с ЭВМ. Он удобен и прост в эксплуатации.

Предмет изобретения

Поляриметр, содержаший оптико-меканическую систему со спектральным модуляторо;t, иптерференционным светофильтром, поляризатором. анализатором, ячейкой Фарадея, компеггсатором, двумя избирательными усилителями и реверсивнымч двигателями, двумя датчиками угол-код и двухперьевым самописцем, оТ.ãè÷èþùèéñÿ тем, что, с целью увеличения экспрессности измерения и устранения амплитудной модуляции,при раооте спектрального модулятора, межд поляризатором и анализатором установлен модулятор разности фаз, который выполнен в виде и TBстннки электрооптического кристалла, например КДР, вырезанной перпендикулярно оптической оси Z кристалла, и связан с системой возбуждения в нем колебаний, при этом 5 спектральный модулятор снабжен плоскопараллельной пластинкой, поглоща.ошей инфракрасное излучение и связанной с системой изменения ее наклона относительно интерференцпонного светофильтра.

385206

Составитель В. Зверев

Техред A. Камышникова Корректор Л. Царькова

Редактор T. Орловская

Заказ 500/1564 Изд. № 653 Тираж 755 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий лри Совете Министров СССР

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Тип. Харьк. фил. пред. «Патент»