CC BY
164
УДК 681.784.23 В.Д. Лизунов СГГ А, Новосибирск
РЕФРАКТОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНЫХ СРЕД
Известно, что основными инструментами, используемыми сегодня для высокоточных измерений длины, являются лазерные интерферометры перемещений (ИПЛ). Такие приборы измеряют длину методом счета числа интерференционных полос при перемещении одного из отражателей интерферометра, при этом расстояние между полосами, равное половине длины волны лазера, существенно зависит от абсолютного показателя преломления атмосферы (воздуха). Например, абсолютную точность измерений длины 110" можно получить только при коррекции вакуумной длины волны лазера на действительное отклонение показателя преломления воздуха, определенное с точностью не менее 110" .
Как показывают патентные исследования и публикации, в настоящее время в большинстве случаев в производстве и лабораторных исследованиях используется косвенный способ определения абсолютного показателя преломления с помощью формулы Эдлена [1] на основе измерений температуры, давления, влажности и содержания СО2. Погрешность определения показателя преломления по формуле большинством
о
исследователей оценивается величиной 5 10" . Достижение такой точности требует особых условий и много времени. Поэтому передовые метрологические лаборатории стран Европейского содружества (ЕС) в настоящее время уделяют большое внимание исследованиям, направленным на совершенствование и создание практических рефрактометров, которые могут быть применены в производстве.
Результаты сличений высокоточных рефрактометров в национальных лабораториях передовых стран Европы [2] и состояние разработки и выпуска рефрактометров для определения показателя преломления воздуха [3]
показывают, что возможно получение точности измерений абсолютного
"о
показателя преломления 3 10" , т.е. значительно лучше косвенного метода с использованием формулы Эдлена.
Однако, предложенные и рассмотренные выше конструкции рефрактометров могут быть применены лишь в специальных лабораторных условиях и «привязаны» к вакуумным насосам, сильно зависят от места их использования и точности определения процентного содержания СО2 в воздухе.
В СНИИМ, совместно с ЧСМУ (ЧССР), проводились разработки и исследования рефрактометров, которые могут обеспечить погрешность
о
измерений не более 3 10", имеют большую производительность и возможность перемещений по измеряемой трассе. Учитывая идеи, предложенные и достигнутые авторами [4, 5], были опробованы несколько вариантов «отпаянных» рефрактометров, один из них приведен в [6]. Экспериментальные исследования, проведенные с измерительными
системами перемещений в рефрактометре, обеспечивающими даже невысокую точность, дали хорошие результаты и подтвердили правильность выбранного варианта.
В конструкциях рефрактометров использовался прямой метод измерения показателя преломления среды «пср» интерферометром с двумя каналами прохождения света одинаковых геометрических путей «/» в средах с известным «п0» и измеряемым «пср». Выражая разность «Ап» через порядок интерференции «№>, а длину волны используемого излучения через «Хвак», имеем
Ап = п - п = N 'Хак. (1)
ср ср 0 Д/
При этом «Ап» получают или в процессе «метода замещения» вакуума исследуемой средой или с помощью компенсаторов оптической разности хода, т.е. «нулевым методом». Для показателя преломления среды имеем
N■ X
пср = NAгг +1 (2)
т -А
где т - постоянная интерферометра (разрешение).
На рис. 1 представлен один из первых вариантов конструкции рефрактометра, на котором были проведены и подтверждены возможности создания «отпаянного», т.е. не связанного с вакуумным постом, переносного долговременного использования устройства.
Рис. 1. Общий вид рефрактометра
Вся конструкция рефрактометра выполнена в едином корпусе 2, на котором крепится, с одной стороны, микровинт 34, позволяющий измерить перемещение разделительной пластины 33 вакуумной камеры с изменяемыми размерами 5, выполненной с помощью двух стальных сильфонов 37, обеспечивающих вакуум. Измерение вакуума производится с помощью вакуумной лампы 32 (ПМТ-4М). Откачка вакуума производится через штуцер 17 с вентилем 31.
На другой стороне корпуса конструкции закреплен интерферометр 36 измерителя перемещений лазерного типа ИПЛ-30К1. В качестве второго измерительного плеча интерферометра используется закрепленная в корпусе вакуумной камеры призма 35. Корпус рефрактометра имеет достаточную жесткость и может крепиться совместно с интерферометром на массивном основании. Жесткое крепление всей оптической системы в единый корпус позволяет избежать погрешностей измерений от деформации корпусных деталей в процессе измерения длины вакуумной камеры.
В следующей конструкции рефрактометра были учтены недостатки измерительной части перемещения стенки при изменении вакуумной камеры, где был применен дополнительный интерферометр от одного источника света.
На рис. 2 изображен рефрактометр для измерения показателя преломления прозрачных сред с двойным интерферометром.
Рис. 2.- Рефрактометр с двойным интерферометром
Рефрактометр содержит источник монохроматического света 1, корпус 2, рабочую камеру 3 с исследуемой средой, основной интерферометр, выполненный по схеме Майкельсона, который состоит из светоделительного элемента 4, зеркала в виде уголкового отражателя 5, обратного отражателя 6 и зеркала в виде уголкового отражателя 7 в нерабочем плече, вспомогательный интерферометр, выполненный по схеме Майкельсона, который состоит из светоделительного элемента 8, прямоугольного отражателя 9, зеркал 10 и 11.
Оптические оси основного и вспомогательного интерферометров и источника 1 пересекаются на светоделительном элементе 12 и лежат в одной плоскости. Вакуумная камера 13 имеет подвижную стенку 14, которая перемещается по аксиальным направляющим 15, с окном 16, делящим основной интерферометр на две части - вакуумную и с исследуемой средой, на подвижной стенке 14 закреплен прямоугольный отражатель 9, основные (4, 5, 6, 7) интерферометры расположены внутри вакуумной камеры за исключением уголкового отражателя 5 основного интерферометра. Выход основного интерферометра оптически связан с системой считывания интерференционных полос 17, выход системы считывания интерференционных полос 18 основного интерферометра и с одним из входов схемы управления приводом 19, выход счетчика числа
интерференционных полос 18 электрически связан с одним из входов микроЭВМ 20, выход микроЭВМ 20 электрически связан со входом схемы управления приводом 19. Один из выходов схемы управления приводом 19 электрически связан с приводом 21, который механически связан с подвижной стенкой 14 вакуумной камеры 13. Другой выход схемы управления приводом 19 электрически связан с одним из входов микроЭВМ 20.
Система считывания интерференционных полос 17 основного интерферометра, схема управления приводом 19 и привод 21 образуют цепь автоподстройки оптической длины основного интерферометра (4, 5, 6, 7).
Выход вспомогательного интерферометра оптически связан с системой считывания 22 вспомогательного интерферометра, выход которой электрически связан с входом счетчика интерференционных полос 23 вспомогательного интерферометра. Выход счетчика полос 23 вспомогательного интерферометра электрически связан с одним из входов микроЭВМ 20.
МикроЭВМ 20 по программе осуществляет управление приводом 21 с помощью устройства управления приводом 19 и обрабатывает результаты измерения, полученные со счетчиков 23 и 18 после прихода сигнала готовности со схемы управления приводом 19 на вход микроЭВМ 20.
Оптическая длина основного интерферометра складывается из оптических длин вакуумной и измеряемой частей интерферометра и оптической толщины окна.
Устройство работает следующим образом. Излучение от источника монохроматического света 1 поступает через окно 24, делится светоделительным элементом 12 на два пучка, один из которых направляется на основной интерферометр, а другой - во вспомогательный, служащий для измерения величины перемещения окна 16. Система считывания интерференционных полос 17 основного интерферометра в соответствии с оптическими сигналами, поступающими с выхода основного интерферометра, вырабатывает электрический сигнал, который через схему управления приводом 19 воздействует на привод 21. Привод 21, перемещая подвижную стенку 14 вакуумной камеры 13 с окном 16 по аксиальным направляющим 15, изменяет оптическую длину основного интерферометра и настраивает на максимум интерференционной полосы.
После настройки интерферометра на максимум интерференционной полосы со схемы управления приводом 19 на выход микроЭВМ 20 поступает сигнал готовности. МикроЭВМ 20 запоминает текущие показания счетчика 23, вспомогательного интерферометра и счетчика 18 основного интерферометра, после чего микроЭВМ 20 разрывает кольцо автоподстройки длины основного интерферометра и дает команду на схему управления приводом 19, привод 21 перемещает стенку 14 вакуумной камеры 13 с окном 16, при этом оптическая длина основного интерферометра монотонно изменяется.
При измерении оптического пути на некоторую, заранее заданную величину, по сигналу с выхода счетчика 18 на вход микроЭВМ 20, микроЭВМ 20 дает команду на замыкание кольца автоподстройки оптической длины основного интерферометра, и устройство управления привода 19 с помощью привода 21 снова настраивает основной интерферометр на максимум интерференционной полосы. После настройки основного интерферометра на максимум интерференционной полосы со схемы управления приводом 19 на выход микроЭВМ 20 поступает сигнал готовности. МикроЭВМ 20 считывает показания счетчиков 23 и 18 вспомогательного и основного интерферометров. По начальным и конечным показаниям счетчиков 23 и 18 вспомогательного и основного интерферометров микроЭВМ 20 вычисляет показатель преломления среды.
Предлагаемый рефрактометр позволяет измерять показатель преломления среды с высокой точностью благодаря установке в вакуумную камеру основного и вспомогательного интерферометров и введения в рабочее плечо основного интерферометра дополнительного уголкового отражателя.
Данное преимущество дает возможность использовать такой рефрактометр для автоматического ввода поправки на внешние условия при высокоточных линейных и угловых измерениях, которые производятся на образцовых и эталонных средствах.
Преимущества «отпаянного» рефрактометра в том, что достаточно долго в вакуумной камере можно сохранять требуемые условия, прибор без вакуумных насосов может перемещаться на достаточно большие расстояния, может перевозиться, легко автоматизируется процесс измерения показателя преломления, и с помощью микропроцессора или ЭВМ осуществляется ввод поправок в лазерный интерферометр. Легко может быть аттестован или сличен в другой лаборатории.
Кроме приведенных выше преимуществ, рефрактометр может легко быть трансформирован для измерения показателя преломления прозрачных газов и жидкостей, для контроля устройств, создающих анестезию в медицине. При внедрении в метрологические службы лабораторий и предприятий может дать большой экономический эффект.
При измерении показателя преломлений агрессивных сред рефрактометр может быть выполнен из химически стойких материалов, а при герметизации источника излучения рефрактометр может использоваться для измерения показателя преломления взрывчатых сред.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. B.Edlen, The refractive index of air, Metrología 2, 71-80 (1966).
2. P. Schellekens, T. Wilkining, F. Beinloth, M. I.Downs, K.P. Birch, and I. Spronk, Measurements of the refractice index of air using interference refraktometers, Metrologia 22, 279-287 (1986).
3. R. Thralmann and W.Hou.Development of a high accuracy air refraktometer, International Symposium on Dimensional Metrology in Produktion and Qality Control ISMOS, Iune, 1992, Tampere, Finland.
4. F. Petru, B. Popela, Zpusov a zarizeni k miereni indexu lomu kapalneho a Plynneho prostredi v merne draze laser- interferometru, Patentovyspis N 148722, 1973, CSFR
5. А.с. № 1117493Ф. СССР. Интерференционный способ измерения оптического показателя преломления газов и жидкостей [Текст] / В.М. Хавинсон. - 1984.
6. А.с. № 1700357. СССР. Устройство для измерения показателя преломления прозрачных сред / В.Д. Лизунов, В.М. Весельев, И. Мокрош (ЧССР), А.А. Бородин. - 1990.
© В.Д. Лизунов, 2005
