Способ измерения угла вращения плоскости поляризации оптического излучения и фотоэлектрический поляриметр для его осуществления

 

Использование: относится к оптическому приборостроению. Сущность изобретения: в основу работы прибора положен принцип преобразования угла поворота плоскости поляризации излучения оптически активным веществом в широтно-импульсную модуляцию электрического сигнала и измерения временного положения максимума предварительно дифференцированного сигнала внутри периода модуляции, где модулирующие сигналы в начале преобразования имеют треугольную форму. Фотоэлектрический поляриметр, с помощью которого осуществлен способ, содержащий осветитель 1, поляризатор 2, модулятор 3 фарадея с усилителем мощности 4, держатель объекта 5, анализатор 6, фотоприемное устройство (ФПУ) 7 с усилителем, выполненным в виде дифференцирующего звена 8 (аналоговый дифференциатор) и последовательно соединенного с ним компаратора 9, вход которого подключен к входу синхронного детектора 10, в электрическую цепь ФПУ 7 подключены также аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11, генератор тактовой частоты 12 и интегратор 13, установленный между усилителем мощности 4, модулятора и генератором тактовой частоты 12, выход которого подсоединен к управляющему входу АЦП 11. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению.

В технике известны фотоэлектрические поляриметры.

Фотоэлектрический поляриметр [1] содержит источник света, поляризатор, модулятор фарадея, кювету для объекта исследования (держатель объекта), оптический компенсатор, фотоприемник с усилителем, выпрямителем (детектором), двигатель с редуктором, электрически связанные с усилителем, а механически с оптическим компенсатором и индикатором, выполненным в виде экрана со шкалой. Вращение плоскости поляризации исследуемого вещества компенсируется перемещением подвижного клина компенсатора. Отсчет показаний прибора производится по шкале, кинематически связанной с подвижным клином компенсатора. Шкала с нониусом проектируется дополнительной оптической системой на экране.

Недостатками устройства и способа измерения, используемого в нем, являются невысокая точность, т. к. конструкция прибора сложная, используется электромеханический привод с редуктором и сложная система индикации со специальной оптикой и нониусной шкалой, затрудняющей визуальное восприятие информации, что вносит дополнительные механические погрешности в результате измерения, замедляет их процесс и снижает стабильность показаний результатов измерений. В редукторе изнашиваются зубчатые колеса, имеется инерционность системы.

В данном фотоэлектрическом поляриметре используется следующий способ измерения угла вращения плоскости поляризации оптического излучения. При воздействии излучения в оптической системе прибора на фотоприемник свет не попадает, т.к. он запирается анализатором (поляризационный анализ), при внесении в держатель объекта активное вещество плоскость поляризации оптического излучения повернется на определенный угол, на фотоэлемент действует модулированное световое излучение. В цепи фотоэлемента возникает переменный фототок (фотоэлектрическое преобразование), который подается на усилитель и далее на двигатель с редуктором и на компенсатор подвижной клин. Вращение плоскости колебаний исследуемым раствором компенсируется перемещением подвижного клина. Отсчет показаний прибора производится по шкале, жестко связанной с клином. Шкала проектируется на экранчик.

Схема прибора отрегулирована таким образом, что перемещение клина происходит до состояния полной компенсации вращения плоскости колебаний (регистрация параметров электрического сигнала/. Величина светового потока Φ_пр. поступающего на фотоприемник, определяется формулой где Φ_o световой поток на входе анализатора; A амплитуда колебаний плоскости поляризации, вызванное модулятором; ϕ угол рассоглассования между поляризатором и анализатором при их скрещенном положении; w_м=2ПF_м угловая частота переменного тока раскачки в модуляторе; D_⊥ коэффициент пропускания света скрещенными поляризатором и анализатором.

Измерение угла вращения плоскости поляризации света оптически активным веществом заключается в осуществлении амплитуды первой гармоники напряжения сигнала на выходе фотоприемного устройства и измерения угла поворота клина.

Наиболее близким техническим решением является конструкция прибора для измерения постоянной верде прозрачных сред [2] содержащая источник оптического излучения, поляризатор, держатель объекта, совмещенный с компенсатором, модулятор Фарадея, анализатор, фотоприемник и автоколлимационный оптический датчик. Фотоприемник электрически связан с усилителем, с синхронным детектором, аналого-цифровым преобразователем (АПП) в виде конкретного прибора индикатора нуля. В электрическую цепь модулятора включены усилитель мощности и генератор тактовой частоты (обозначен как преобразователь). В начальном положении поляризатор расположен в скрещенном положении (поляризационный анализ). Свет от источника излучения пройдя через поляризатор и анализатор попадая анализатор, не попадает на фотоприемник, гасится анализатором. Как только в систему прибора вносится оптически активные вещества, плоскость поляризации оптического излучения отклонится, световой поток проходит анализатор и попадает на фотоприемник.

Изменяя величину тока в цепи, добиваются такого значения напряженности магнитного поля в компенсаторе, при котором объект испытуемый образец, повернет плоскость поляризации на угол ϕ равный по абсолютному значению углу, заданному призмой анализатора, не имеющий противоположный знак, т.е. приводит индикатор нуля АПП к нулю. Взаимосвязь между световым потоком на фотоприемнике F_пр и углом ϕ поворота плоскости поляризации, вызванным воздействием оптически активного вещества, имеет вид формулы (1), т.е. такой же как и в аналоге.

Недостатками такого прибора и метода (способа), использованного а приборе, являются: недостаточная точность и стабильность (повторяемость) результатов измерения, т.к. в системе прибора имеются два индикатора (нулевой и выходной), полуавтоматическая схема компенсации с участием человека, низкая чувствительность, конструкция усложненная элементами обратной связи.

Задачей изобретения является повышение точности и стабильности результатов измерения.

Эта задача решается за счет того, что в способе измерения угла вращения плоскости поляризации оптического излучения, заключающемся в том, что освещают исследуемый объект поляризованным модулированным излучением, выделяют поляризационную компоненту, преобразуют прошедшее объект излучение в электрический сигнал и регистрируют параметры этого сигнала, при регистрации параметров электрического сигнала измеряют фазу минимума этого сигнала относительно границ периода модуляции предпочтительно путем дифференцирования этого сигнала с последующей амплитудной дискриминацией и синхронным детектированием.

При реализации способа эта же задача решается в фотоэлектрическом поляриметре, содержащем оптически связанные осветитель, поляризатор, модулятор с усилителем мощности, держатель объекта, анализатор и фотоэлектрическое приемное устройство с усилителем, а также управляемый генератором тактовой частоты синхронных детектор, к выходу которого подключен индикатор, между фотоэлектрическим приемным устройством и синхронным детектором введены последовательно соединенные дифференцирующее звено и компаратор, а также интегратор, выход которого соединен со входом усилителя модулятора, а вход с выходом генератора тактовой частоты.

Использование в способе существенного отличительного признака от прототипа, а именно определение фазы минимума фотоэлектрического сигнала относительно границ периода модуляции предпочтительно путем дифференцирования этого сигнала с последующей амплитудой дискриминацией и синхронным детектированием позволяет повысить точность и стабильность результатов измерения, т.к. эта фаза не зависит от пропускания материала, флуктуации мощности излучения и стабильности параметров фотоприемного устройства.

Использование в фотоэлектрическом поляриметре существенного отличительного признака, а именно между фотоэлектрическим приемным устройством и синхронным детектором введены последовательно соединенные дифференцирующее звено и компаратор, т.к. позволяет избавиться от нестабильности параметров усилителя, приемника и повысить таким образом точность измерения. А использование второго существенного отличительного признака в поляриметре, а именно введение итегратора, выход которого соединен со входом усилителя мощности модулятора, а вход с выходом генератора тактовой частоты, обеспечивает треугольный закон модуляции положения плоскости поляризации, что позволяет избавиться от нелинейных ошибок в результате измерения, т.е. повысить точность и стабильность результатов измерения.

На фиг. 1 и 2 изображен фотоэлектрический поляриметр с помощью которого реализуется способ измерения угла вращения плоскости поляризации оптического излучения.

На фиг. 1 дана блок-схема прибора; на фиг. 2 график диаграммы.

Способ измерения угла вращения плоскости поляризации оптического излучения реализуется посредством фотоэлектрического поляриметра.

Фотоэлектрический поляриметр содержит источник излучения 1 (фиг. 1), поляризатор 2, модулятор Фарадея 3 с усилителем мощности, держатель объекта 5, анализатор 6, фотоприемное устройство (ФПУ) 7, дифференцирующее звено 8 (аналоговый дифференциатор), компаратор 9, синхронный детектор 10 (выполненный в виде логической схемыИСКЛЮЧАЮЩАЯ ИЛИ со сглаживающим фильтром), индикатор 11 (аналоговый цифровой преобразователь), генератор тактовой частоты 12, интегратор 13, выход компаратора 9 подключен на вход синхронного детектора 10. Интегратор 13 установлен между генератором тактовой частоты 12, имеющим сигналы прямоугольной формы диаграмма 5 (фиг. 2) и усилителем мощности 4 модулятора 3. Выход генератора тактовой частоты 12 подсоединен к управляющему входу синхронного детектора 10 и к интегратору 13.

В основу работы прибора положен принцип преобразования угла поворота плоскости поляризации излучения оптически активным веществом (объектом) в широтно-импульсную модуляцию электрического сигнала и ее измерение. Световой поток от источника излучения 1 после прохождения через поляризатор 2 модулируется в модуляторе Фарадея 3 по линейному закону треугольной формы (V_мод.) диаграмма 1 (фиг. 2), затем световой поток пропускается через анализатор 6, выделяется поляризационная компонента, скрещенная к первоначальному положению плоскости поляризации. В держатель объекта 5 размещают активное вещество (объект). Модулированный световой поток пройдя через объект, анализатор 6 попадает на ФПУ 7.

Выходной сигнал усилителя равен U_у Y_ф · R_у, где Y_ф фототок фотодиода ФПУ 7.

Так как степень поляризации излучения в паре анализатора 2 анализатор 6 относительно невелика, а модуляции плоскости поляризации составляет величину порядка 10 угл. мин, то в фотосигнале присутствует значительная постоянная составляющая, многократно превышающая уровень полезного сигнала. При этом возможно превышение верхнего предела динамического диапазона усилителя, поэтому фоновый сигнал подавляется.

На выходе фильтра усилителя выделяется постоянная составляющая сигнала, пропорциональная фоновой засветке и после усиления компенсирующий ток подается на вход усилителя. В результате устанавливается потенциал, не превышающий напряжения смещения, т.е. в практически нулевое значение, представляя весь динамический диапазон для полезного сигнала. Переменная составляющая фототока, обусловлена модуляцией, данной схемой не подавляется и имеет следующий вид, диаграмма 2 U_{ф мод.} Y_{ф мод.}· R_у,
где Y_{ф мод.} переменная составляющая фототока в усилителе;
R_у сопротивление в усилителе.

Введение оптически активного вещества изменяет положение минимума напряжения U_ф.мод. относительно модулирующего тока, т.е. имеется фазовая модуляция сигнала.

Для более точного определения экстремумов сигнала он подвергается в усилителе аналоговому дифференцированию посредством дифференцирующего звена 8, диаграмма 3.

Напряжение U_д на выходе диференциатора 8 имеет вид близкий к линейному, что свидетельствует о близкой к квадратичному закону форме напряжения U_ф.мод., и дискритизируется компаратором 9 относительно нулевого уровня. При этом образуется широтно-импульсный сигнал, знак модуляции которого в смежных полупериодах разный, а величина одна и та же, поэтому в выходном сигнале компаратора 9 U_к диаграмма 4, отсутствует постоянная составляющая независимо от наличия фазового сдвига в исходном фотосигнале. В синхронный детектор 10 входит логическая схема ИСКЛЮЧАЮЩАЯ ИЛИ, в которой сигнал U_k преобразуется в нормальный вид широтно-импульсной модуляции диаграмма 6, постоянная составляющая которой прямопропорциональна углу поворота отфильтрованного сигнала U_изм. диаграмма 7, в аналого-цифровом преобразователе с выводом на цифровой индикатор в нем.

Аналого-цифровой преобразователь 11 работает по методу двойного интегрирования и следовательно, нечувствителен к пульсациям измеряемого напряжения с частотами, кратными тактовой частоте аналого-цифрового преобразователя 11 и генератора тактовой частоты 12.

Частота модуляции F_мод формируется путем целочисленного деления тактовой частоты f_ти аналого-цифрового преобразователя и далее преобразуется в пилообразное напряжение треугольной формы с помощью интегратора 13. Для получения стабильного напряжения модуляции исходная частота f_ти стабилизирована кварцевым резонатором, установленным в аналого-цифровом преобразователе 11. Пилообразное напряжение преобразуется в ток I_мод. в усилителе мощности 4 модулятора 3. Выход тела I_мод. развязан по постоянному току.

Угол поворота плоскости поляризации v пропорционален концентрации N раствора (если активное вещество является раствором)
v = k_⊥·N
где K_I коэффициент пропорциональности;
K_I угл.ед./м.моль/л;
N м.моль/л.

Скорость V_пол поворота угла поляризации под действием тока модуляции I_мод. равна
V_пол S_мод· K_мод,
где S_мод скорость изменения тока модуляции;
K_мод коэффициент преобразования модулятора.

Временный сдвиг точки минимума напряжения U_ф

кроме того для широтно-модулированного импульсного сигнала в общем случае постоянная составляющая U_шин равна

где A амплитуда или размах импульсов, В;
T период импульсов.

A K₂· U_оп,
где K₂ безразмерный коэффициент;
U_он опорное напряжение в аналого-цифровом преобразователе, В.

Таким образом, для напряжения измеряемого напряжения U_изм, являющегося постоянной составляющей широтно-импульсного модулирующего сигнала, получаем

Показания М на аналого-цифровом преобразователе равны

пропорциональны концентрации и не зависит от напряжения U_оп.

Величины k₁, k₂, k_мод., T являются конструктивными константами, а величина S_мод может быть легко изменена регулировкой амплитуды выходного напряжения интегратора, что и используется при калибровке прибора.

Фотоэлектрический поляриметр данной конструкции и способ измерения угла вращения плоскости поляризации оптического излучения обладают высокой точностью измерения, быстродействием, стабильностью, превышающие известные решения на 30-40% поэтому помимо связи частот тактовых импульсов и модуляции f_ти и F_мод, в приборе предусмотрены и другие меры по параметрической устойчивости к дестабилизирующим фактором, в том числе опорное напряжение для аналаго-цифрового преобразователя, амплитуда напряжения в аналого-цифровом преобразователе и напряжение F_мод, подаваемое на вход интегратора 13 определяется одним и тем же источником напряжения, а, следовательно, при его F_мод колебаниях реализации при макетировании прибора. В нем были использованы стандартные широко используемые качественные электронные элементы: светодиод в качестве излучателя АЛ123 при постоянном токе 100 мА. Сигнал измерялся стандартным вольтметром В7-16, частота F_мод задавалась от автономного генератора, форма напряжения контролировалась с помощью осциллографа. Была получена высокая точность зависимости выходного сигнала от угла вращения плоскости поляризации, возможность регулировки крутизны преобразования изменением размаха модулирующего тока, стабильность точки нуля, устойчивость к колебаниям питания, т.е. стабильность показаний измерения. Потребляемая мощность была порядка 8 Вт, с учетом источника питания не более 12 Вт.

В качестве электронных элементов в электрической схеме прибора используются стандартные элементы, обладающие широким применением, доступностью и низкой стоимостью, прибор современен и предполагается широкое его внедрение.

Формула изобретения

1. Способ измерения угла вращения плоскости поляризации оптического излучения, заключающийся в том, что освещают исследуемый объект поляризованным модулированным излучением, выделяют поляризационную компоненту, преобразуют прошедшее объект излучение в электрический сигнал и регистрируют параметры этого сигнала, отличающийся тем, что при регистрации параметров электрического сигнала измеряют фазу минимума этого сигнала относительно границ периода модуляции предпочтительно путем дифференцирования этого сигнала с последующей амплитудой дискриминацией и синхронным детектированием.

2. Фотоэлектрический поляриметр, содержащий оптически связанные осветитель, поляризатор, модулятор с усилителем мощности, держатель объекта, анализатор и фотоэлектрическое приемное устройство, а также управляемый генератором тактовый частоты синхронный детектор, к выходу которого подключен индикатор, отличающийся тем, что в поляриметр введены между фотоэлектрическим приемным устройством и синхронным детектором последовательно соединенные дифференцирующее звено и компаратор, а также интегратор, выход которого соединен с входом усилителя мощности модулятора, а вход с выходом генератора тактовой частоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2