Величина разности фазы поляризующих напряжений на измеритель-ных кюветах контролируется синхронным детектором (2.7), выполнен-ным на микросхеме К174ПС1 с использованием ограничителя


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
173
Реализация в данных методах фотоэлектронной регистрации свет
вого потока с последующим фазовым детектированием отличается при
тетными метрологическими показателями и позволяет реализовать
нуль  фазовый метод.
Принцип однолучевой компенсации измерительные ячейки расп
ложены по схеме де Кудра с использованием фотоэлектронной рег
страции анализируемого луча света и положен нами в основу разраб
нной, теоретически обоснованной по оптическим и метрологическим
показателям и собранной на основе стандартных приборов и совреме
ной элементной базы измерительной установки, структурная схема к
торой представлена на рис. 1.
Предлагаемая установка состоит из оптической части 1, блока
формирования напряжения на измерительных кюветах 2, а также блока
обработки электрического сигнала 3.
Оптическая часть установки Керра включает
последовательно
расположенные вдоль оптической оси элементы:
источник монохроматического излучения 1.1 –
75;
поляризатор 1.2 и скрещенный с ним анализатор 1.6  призмы
ФранкаРиттера 10
10 мм
 слюдяная пластина некритичной толщины 10
10 мм
1.5,
которая путем вращения в плоскости вертикальной оси позволяет реал
зовать режим линейной фоторегистрации;
фото – электронный умножитель ФЭУ62 –
1.7;
ячейки Керра – 1.4
, 1.4
 и 1.3  афокальная система линз
АСЛ – набор диафрагм и линз, расположенная в оптическом пром
жутке 1.2  1.4
.
Все элементы оптической части установки расположены на подви
ных рейтерах ОСК2, с юстировочными столиками 6 степеней свободы.
Ячейки Керра – два последовательно сооснорасположенных прям
угольных волновода МЭК58 [4], с установленным герметично плотно
174
между ними окном и запираемые с торцов крышками с окнами. Волн
воды помещены в термостатитирующие рубашки с входными и выхо
ными штуцерами. Герметичность соединений достигается наличием
уплотняющих шайб, предусматривающих крепление оптических окон.
Внутри ячеек располагаются две пары электродов с зазором 2 мм. Для
уменьшения краевой неоднородности распределения электрического п
ля в межэлектродном пространстве, торцы электродов изготовлены по
профилю Роговского [5]. Материалом электродов являются титановые
пластины толщиной  2 мм, закрепленные по всей длине в наборе ор
ентирующефиксирующих шайб фторопласт4. Параллельность встре
ных поверхностей электродов на уровне
6
м по всей длине ячейки
обеспечивается установкой двух стеклянных стержней в межэлектро
ном пространстве вдоль оптической оси ячейки. Конструкция ячейки
предусматривает: систему ввода  вывода измеряемой среды; систему
вакуумирования ячеек; токовводы по одному на каждый электрод ни
кочастотного 
 15 кГц напряжения
синусоидальной формы ампл
тудой 0...2 кВ, штанги которых изолированы относительно корпуса к
веты фторопластовыми прокладками. На поверхности электродов и
внутренние поверхности волноводов электрохимическим методом нан
сен защитный слой
C
толщиной  10 мкм. Длина жидкофазной ячейки
составляет 0,025 м. Термостатирование осуществляется циркуляцией
термостатирующей жидкости. Для регулирования температуры испол
зован термостат ИТ10 точность термостатирования
. Вектора
поляризующих электрических полей в ячейках взаимно ортогональны
либо коллинеарны в зависимости от знака ЭДЛП в эталонной и измер
тельных кюветах и составляют угол 45
с плоскостью пропускания п
ляризатора 1.2. Это обеспечивает равенство по величине и противоп
ложность по направлению их проекций на плоскость пропускания анал
затора при условии равности поляризующих напряжений на ячейках и
идентичности анализируемых веществ. Следовательно, обеспечивается
отсутствие переменной составляющей фотопотока на фото  электро
ный умножитель ФЭУ и реализуется режим нулевой фоторегистрации.
Установка Керра измерения ЭДЛП в газах по набору составных эл
ментов идентична описанной выше. Ее конструктивной особенностью
является реализация двухканального некомпенсационного режима изм
рения величины ЭДЛП с последующим разностным сравнением электр
ческих сигналов с ФЭУ, что предусматривает наличие оптического ра
щепителя, зеркал, двух – поляризаторов, АСЛ, анализаторов и ФЭУ. О
личием в конструкции ячеек Керра является их длина, которая составила
0,6 м.
Расчет оптической части установки и ее элементов был произведен
методом матричной оптики в параксиальном приближении [6] на основе
паспортных данных ЛГ75 и характеристик оптических элементов
175
стекло – К8 с показателем преломления
на длине волны л
зера
м. При этом решались следующие задачи:
уменьшение диаметра пучка ОКГ до 1 мм без виньетирования
коэффициент увеличения 0,25 и потери мощности путем создания
АСЛ
определение
ближней
зоны расходимости 1 и расчет оптич
ского промежутка ОП, включающих размеры элементов и их взаимное
расположение.
Полная матрица преобразования лучей в лазере позволяет опред
лить матрицу выходящего пучка как
��
]^_�
– оптическая сила отражающей 
 поверхности, с р
диусом кривизны
резонатора;
– толщина
 го
ОП резонатора длиной
с активным элементом длиной
и показат
лем преломления
Следуя правилу “ABC” определения параметров гауссового пучка
лазера диаметр пучка
 было установлено, что перетяжка
пучка лазерного излучения расположена на поверхности выходного зе
кала, конфокальный параметр пучка половина “ближней зоны” равен
.
Полная матрица, описывающая свойства АСЛ включающей: две
собирающие линзы, входной люк и зрачок для кардинального луча, ра
пространяющегося слева направо, имеет вид
]^_�
��±�k\yaZgu�k�nbabq_kdbfb�b�]_hf_ljbq_kdbfb�oZjZdl_jbklbd
fb�
 го элемента и местом расположения его на оси.
По рассчитанной таким образом матрице, коэффициент увеличения
АСЛ составил величину, равную 0,25. Заметная же расходимость ЛГ
приходится на ОП в интервале между элементами 1.6 и 1.7 – рис. 1.
Качество юстировки оптического канала контролировалось нами м
тодом фотоэлектронной регистрации излучения 1.1 путем сопоставл
ния опытно определенных величин элементов матрицы Джонса на вых
де 1.6 с соответствующими величинами расчетной матрицы. Расчетная
176
матрица строилась как аддитивная величина экспериментально опред
ленных матриц Джонса каждого из элементов 1.2  1.6 оптической
системы.
Введение четвертьволновой пластины 1.5 реализует режим лине
ной зависимости между переменной вариацией фазы оптического сигн
ла, вносимой измерительными кюветами, и переменной слагающей св
тового потока на ФЭУ. Это существенно улучшает соотношение си
нал/шум в блоке обработке электрического сигнала. Таким образом, св
товой поток на ФЭУ имеет вид
������
]^_�
– световой поток, прошедший через систему в случае комплана
ности плоскостей пропускания элементов 1.2 и 1.6;
– разность
фаз, внесенная ячейками Керра 
;
�±�baf_g_gb_�
nZau��h[mkeh\e_ggh_�q_l\_jlv\hegh\hc�ieZklbghc�� �����jbk���\f���
Baf_g_gb_�nZau�kb]gZeZ�\�
 й кювете измерительной или компе
сационной –
�hij_^_ey_l�\_ebqbgm�W�EI�
как
где
– амплитуда приложенного поляризующего электрического поля
�
�
��±�\_ebqbgZ�gZijy`_gby�gZ�we_dljh^Zo�yq_cdb��aZahj�
f_`^m�dhlhjufb�
,
�±�wnn_dlb\gZy�
^ebgZ�we_dljh^h\�
й ячейки [7], учитывающая поправку на краевую
неодноро
дность поля
�
b�
– длина и толщина электродов.
Соответственно, фототок определится как
��
]^_�
– чувствительность фотокатода;
– коэффициент вторичной
эмиссии динодов;
– число динодов.
Блок формирования напряжения на измерительные ячейки
пок
зан на рис. 2. Устройство формирования модулирующего напряжения,
подаваемого на ячейку Керра, выполнено на
базе блока строчной ра
вертки телевизио
ного приемника.
Блок 2 состоит из задающего генератора 2.1 –
33, формирующ
го напряжение синусоидальной формы 
 15 кГц; усилителей мощн
177
сти 2.5; 2.6 собранные на лампах 6П45С, обеспечивающих мощность
выходного сигнала порядка 3,5 Вт; а также повышающих трансформат
ров строчной развертки ТВС  110ЛА 2.8; 2.9. Сигналы от ТВС подаю
ся на измерительные кюветы выходы 1, 2 и регистрируются цифров
ми вольтметрами В736 2.10 и 2.11, рис. 1.
Величина разности фазы поляризующих напряжений на измерител
ных кюветах контролируется синхронным детектором 2.7, выполне
ным на микросхеме К174ПС1 с использованием ограничителя амплит
ды анализируемого сигнала. Сигнал управления от порогового устро
ства 2.4, управляемого детектором 2.7, поступает на исполнительное
устройство 2.3 – блок питания. Изменение же фазы напряжения на и
мерительной ячейке осуществляется фазовращателем 2.2 в ручном р
жиме.
Блок обработки электрического сигнала с ФЭУ
показан на рис.3.
С целью распознания информационного сигнала на фоне сильной
оптической засветки и достижения оптимального соотношения с/ш  5/1,
в блоке 3 использован метод синхронного детектирования и накопления
электрического сигнала с ФЭУ в режиме нуль  фазовой индика
Блок обработки информационного электрического сигнала состоит
из предварительного усилителя 3.1, синхронного детектора 3.2, инт
гратора 3.3 и усилителя постоянного тока 3.4. Предварительный ус
литель выполнен на базе малошумящего операционного усилителя
OP113, коэффициент усиления блока 3.1 порядка
. Детектор
3.2, опорный сигнал на который от задающего генератора выход – “0”,
рис. 2 подается на вход – “2”, выполнен на базе микросхемы К174ПС4.
Время накопления интегратора 
. Блок 3.4 – К157УД1 с
коэффициентом усиления блока
. Усилители охвачены отриц
178
тельными обратными связями, позволяющими получить необходимые
частотные характеристики и требуемую стабильность при постоянном
коэффициенте усиления. Регистрация сигнала осуществляется с пом
щью нуль  индикатора М2001 3.5.
Рассмотрим
метрологические характеристики установки
. Погрешн
сти, определяющие точность метода измерения константы ЭДЛП 
,
согласно принципу, положенному в основу работы описанной выше электр
оптической установки Керра, подразделяются на три группы.
Погрешности, связанные с относительным методом однолучевой
компенсации разностей фаз, возникающих в первой и второй ячейках
Керра и включают:
амплитудную нестабильность излучения лазера пренебрежимо
мала относительно величины
эллиптичность и коэффициент светорассеивания анализатора и
поляризатора, определяемые паспортными данными [8];
погрешности юстировочных узлов, элементов и блоков;
светорассеяние отраженных лучей света от поверхности оптич
ских элементов 1.3, 1.5, окон измерительных кювет и исследуемых
оптически анизотропных сред;
погрешность термо и баростатирования веществ, заполняющих
измерительные кюветы;
инструментальнотехнологическая неидентичность измерительных
ячеек;
наличие краевых эффектов поляризующих полей в измерительных
кюветах;
неколлиниарность оси ячейки с оптической осью установки;
некомпланарность встречных поверхностей электродов.
Вышеперечисленные погрешности, входящие в определение велич
ны ЭДЛП, учитываются константой связи измерительных ячеек –
179
��?_�kj_^g__�agZq_gb_�hij_^_ey_lky�iml_f�baf_j_gby�
fhsghklb�k\_lh\h]h�ihlhdZ�gZ�nhlhijb_fgbd_�ijb�mkeh\bb��qlh�h[_�
yq_cdb�aZiheg_gu�_^bguf�\_s_kl\hf�\�^bkdj_lghf�^bZiZahg_�iheyj
amxsbo�gZijy`_gbc�� ������d�\f�ih^Z\Z_fuo�gZ�dx\_lu�k�rZ]hf�
200В.
Проведенный предварительный анализ исследуемых веществ
�
b�
 показал, что средние значения констант
связи находятся в интервале
так, например, для бензола
�\f�
Ih]j_rghklb�^Zgghc�]jmiiu�\dexqZxl�lZd`_�baf_j_gby�Zfieblm^�
gZijy`_gbc�iblZxsbo�yq_cdb�\�fhf_gl�dhfi_gkZpbb�W�EI��Ijb�wlhf�
ih]j_rghklv�\hevlf_ljh\�������±�
�\ghkbl�\�baf_j_gb_�\_ebqbgu�
hiulgh�gZ[ex^Z_fhc�dhgklZglu�D_jjZ�ih]j_rghklv��±�
��
LZdbf�h[jZahf��\�^Zgghc�]jmii_�ih]j_rghkl_c�hij_^_eyxs_c�y\e
_lky�ih]j_rghklv��h[mkeh\e_ggZy�oZjZdl_jbklbdZfb�ijb[hjh\�baf_jy
sbo�Zfieblm^u�iheyjbamxsbo�gZijy`_gbc��
Погрешности, связанные с реализацией в данной установке м
тодики исследования электрооптических эффектов в низкочастотных
поляризующих электрических полях, включают:
фазовую нестабильность поляризующих напряжений на ячейках
Керра –
��
частотную нестабильность задающего генератора составляет
;
погрешность обусловленную наличием носителей свободных зар
дов в измерительных средах –
��
шум 
 и разброс параметров элементов усил
тельной схемы блока – 2 до 0,5 % от номинальных значений –
��
LZdbf�h[jZahf��ijb\_^_ggu_�ih]j_rghklb�wlhc�]jmiiu�ih�hlghr
gbx�d�ih]j_rghklyf�i_j\hc�]jmiiu�y\eyxlky�\_ebqbgZfb�[he__�fZeh]h�
ihjy^dZ��
Погрешности, связанные с методом фоторегистрации информ
ционного оптического сигнала, с синхронным детектированием фототока
относительно опорного сигнала ЗГ, включают:
область спектральной чувствительности 
, чувств
тельность катода 
, темневой ток 
, нелинейность
и воспроизводимость ФЭУ в момент компенсации [9];
180
фазовую нестабильность информационного и опорного сигналов в
синхронном детекторе 3.2 –
��
частотную нестабильность опорного сигнала на синхронном д
текторе –
��
коэффициенты шума нелинейных элементов измерительного тра
та 
��
�±�
��
погрешности навесных элементов схемы резисторов и конденс
тов при определении коэффициентов передачи усилительных блоков
3.1, 3.4 и постоянной времени интегратора 3.3 – до
0,5 % –
��
класс точности измерительной головки М2001 – 2,5 –
��
Ih]j_rghklv�lj_lv_c�]jmiiu�aZ\bkbl�hl�deZkkZ�lhqghklb�baf_j
l_evghc�]heh\db��H^gZdh�b�hgZ�f_gvr_�ih]j_rghklb�i_j\hc�]jmiiu��
Hlf_lbf��qlh�^hihegbl_evgu_�khklZ\eyxsb_�ih]j_rghklb��g_�\o
^ysb_�\�ih]j_rghklyf�f_lh^Z��k\yaZgu�k�f_lh^bdhc�hqbkldb�baf_jy
fuo�\_s_kl\�� ijb�baf_j_gbb�qbkluo�kh_^bg_gbc�\f�b�k�lhqghklvx�hij_^
e_gby�dhgp_gljZpbb�dhfihg_gl�bkke_^m_fuo�\_s_kl\�� ijb�baf_j_gbb�
_kb�\f��
LZdbf�h[jZahf��ijh\_^_gguc�ZgZeba������@�ih]j_rghkl_c�[ehdh\�
mklZgh\db�ijb�hlghkbl_evguo�dhfi_gkZpbhgguo�� gmev���nZah\Zy�bg^
dZpby�\f�baf_j_gbc�ihdZaZe��qlh�hij_^_eyxs_c�y\ey_lky�ih]j_rghklv�b
f_j_gbc�gZijy`_gbc�gZ�dx\_lZo�\�fhf_gl�dhfi_gkZpbb�\_ebqbgu�
W�EI��Ijb�wlhf�\_ebqbgZ�hiulgh�gZ[ex^Z_fhc�dhgklZglu�D_jjZ�bkke
^m_fh]h�\_s_kl\Z�hij_^_eblvky�k�lhqghklvx�
��
F_ljheh]bq_kdb_�baf_j_gby�ihklhygguo�D_jjZ�qbkluo�hj]Zgbq
kdbo�\_s_kl\��±��&
и CC
, проведены согласно описанного относ
тельного метода. При этом показатели преломления исследуемых систем
измерялись на рефрактометре ИРФ23 с относительной погрешностью
измерения 0,02%, а плотность и диэлектрическая проницаемость – на
приборе “Диполь2М”. Относительная погрешность определения
равна
0,03%, а
– 0,05%. Измерения с доверительной вероятностью 0,95 дали
значения:
�^ey��&
;
�^ey��&�&�O
,
что хорошо согласуется с литературными данными измерений в пост
янном, в низко и высокочастотном с разным видом огибающей эле
трических полях [2]. Наименьшая измеренная на установке постоянная
181
Керра чистого перфтордиметилциклогексана составила
.
Минимальная оптическая разность хода лучей, рассчитанная как
предел изменения поляризующего напряжения в измерительной ячейке в
окрестностях его номинального значения при условии сохранения ко
пенсации светового потока на ФЭУ, составила величину 10
3
рад.
ЛИТЕРАТУРА
Тютюник В.В. Молекулярнооптический мониторинг среды во
горания. Анализ газов и проблемы пожарной безопасности // Проблемы
пожарной безопасности. – Харьков: ХИПБ МВС Украины. –
1999. –
Вып.5. – С. 196 
Вукс М.Ф. Электрические и оптические свойства молекул и ко
денсированных сред. – Л.: Издво Ленингр. унта, 1984. – 334 с.
Преждо В.В., Хащина М.В., Замков В.А. Электрооптические и
ледования в физике и химии. – Харк
в: Вища школа, 1982.
152 с.
Гуляев Н.А. Радиоволноводы, объемные резонаторы и антенны
УКВ. – М.: Связь, 1965. – 181 с.
Резвых К.А. Расчет электростатистических полей в аппаратуре
высокого напряжения. – М.: Энергия, 1967. – 121 с.
Джеррард А., Берч Дж.М. Введение в матричную оптику – М.:
Мир, 1978. – 342 с.
Chount M.L. Rckck xint u  hnon
ctootiqu d K t u  thod vnt  ’tud d  uio
oi tiqunt // Ann. Chi. Et Phy. – 1915. – V.5. – P. 17 
Ванюрихин А.И., Герчановская В.П. Оптикоэлектронные пол
ризационные устройства. – К.: Техніка, 1984. – 160 с.
Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико
электронных приборов. – Л.: Машиностроение, 1986. – 175 с.
10.
Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешности результатов
измерения. – Л.: Энергоатомиздат, 1991. – 301 с.
Поступила в редколлегию 16.02.2001
В.В.
Тютюник, к.т.н. С.В. Говаленков, к.х.н. Г.В. Тарасова, д.ф
м.н. С.А.Тюрин, д.т.н. Н.И. Иванов
172 Системи обробки
інформ
ації, випуск 212, 2001

Приложенные файлы

  • pdf 15222592
    Размер файла: 451 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий