Введение к работе
з
Актуальность проблемы
Показатель преломления является одной из важных оптических характеристик вещества, находящегося в любом из трех агрегатных состояний: твердом, жидком или газообразном. Раздел прикладной оптики, посвященный методам и средствам измерения показателя преломления, называется рефрактометрией.
В настоящее время высокоточные рефрактометрические измерения необходимы в оптической промышленности для контроля качества оптических материалов, в химической промышленности для контроля состава веществ, в топливно-энергетическом комплексе страны для оперативного контроля чистоты топлива и анализа сложных углеводородных смесей в жидком и газообразном состоянии. Большое количество рефрактометров применяются в пищевой и фармацевтической промышленности.
Для измерения показателя преломления твердых и жидких прозрачных веществ применяют гониометрические и рефрактометрические методы. Рефрактометрические методы обладают невысокой точностью измерения показателя преломления до 10" -^ 10" , и имеют ограниченный диапазон измерений: 1,2-1,8.
Гониометрические методы обладают большей точностью измерений до 10" -^ 10" , а диапазон измерений неограничен. Широко распространены визуальные гониометры, в которых в качестве датчика угла используется лимб с угловыми делениями. Для высокоточных измерений показателя преломления (с точностью до 10") требуется хорошая термостабилизация измерительного объема. Поэтому присутствие оператора и/или любых других тепловыделяющих элементов в непосредственной близости к гониометру недопустимо. Следовательно, измерения должны быть дистанционными и автоматизированными.
Высокой точностью и возможностью автоматизации измерений обладают гониометры с кольцевым лазером в качестве углозадающего устройства. Однако в отличие от обычных гониометров этот прибор работает в динамическом режи-
4 ме при непрерывном вращении предметного стола. Поэтому простой перенос классических методов измерений, применяемых для визуальных гониометров, невозможен. Отсюда возникает необходимость разработки нового метода измерений показателя преломления на динамических гониометрах.
Таким образом, в настоящей работе решается актуальная задача разработки и исследования автоматизированного гониометрического метода измерений и создание на его основе программно-аппаратного комплекса для измерения показателя преломления твердых и жидких веществ.
Цель и основные задачи диссертации
Целью настоящей работы является разработка и исследование метода лазерной динамической гониометрии для высокоточных измерений показателя преломления твердых и жидких веществ.
Цель предопределила основные задачи, решаемые в диссертационной работе:
Анализ существующих гониометрических методов измерения показателя преломления и средств измерений, применяемых в рефрактометрии.
Разработка и исследование способа реализации метода «угла наименьшего отклонения» в динамическом режиме.
Определение оптимальных параметров реализации динамического метода измерения угла наименьшего отклонения: степени аппроксимирующего полинома; диапазона, шага и количества дискретных угловых перемещений призмы относительно падающего пучка излучения.
Исследование влияния погрешностей изготовления оптических элементов аппаратной части комплекса на точность измерения показателя преломления.
Расчет параметров и разработка технических требований к изготовлению исследуемых образцов для измерения показателя преломления предложенным методом.
Исследование влияния параметров окружающей среды и характеристик исследуемого образца на результат измерения показателя преломления.
Разработка оптической схемы комплекса для реализации нового метода измерений показателя преломления образца, выполненного в виде трехгранной призмы.
Исследование метода измерения дисперсии показателя преломления, основанного на использовании лазера с перестраиваемой длиной волны излучения и аппроксимации дисперсионной зависимости по формуле Зельмейера.
Разработка программного комплекса для измерения показателя преломления.
10) Исследование метрологических характеристик программно-
аппаратного комплекса.
Научная новизна работы
Разработан новый способ измерения показателя преломления на динамическом гониометре с кольцевым лазером методом Фраунгофера, заключающийся в многократном измерении углов отклонения пучка лучей после прохождения призмы при различных углах падения пучка лучей, последующей аппроксимации полученных пар значений углов падения и отклонения полиномиальной функцией и вычислении ее минимума, который соответствует углу наименьшего отклонения.
Показано, что аппроксимация зависимости угла отклонения пучка лучей после прохождения призмы от угла падения пучка лучей на призму полиномом второй степени вблизи угла наименьшего отклонения, позволяет выполнять измерения показателя преломления с расширенной неопределенностью 3 10" .
Предложен метод измерения дисперсии показателя преломления, основанный на измерении показателя преломления на дискретном наборе длин волн Ar-Кг и He-Ne лазеров и последующей аппроксимации дисперсионной зависимости на весь видимый диапазон длин волн по формуле Зельмейера.
Практическая ценность и использование результатов работы Разработанный в рамках выполненной работы автоматизированный метод измерения показателя преломления и созданный на его основе программно-аппаратный комплекс входит в состав Государственного первичного эталона
6 единицы показателя преломления ГЭТ 138-2010. Созданный программно-аппаратный комплекс может применяться в качестве автоматического рефрактометра для контроля и измерения параметров твердых и жидких веществ.
Вклад автора
При непосредственном участии автора создан программно-аппаратный комплекс для измерений показателя преломления, выполнено математическое моделирование для оценки метрологических характеристик предложенного в настоящей работе метода измерений, автором создан программный комплекс для вычисления показателя преломления. Автор принимала участие в разработке ГОСТ 8.583-2011 «Государственная поверочная схема для средств измерений показателя преломления».
Апробация работы
Основные материалы, представленные в диссертации, были доложены и обсуждены на научно-технических конференциях: «Научная сессия МИФИ-2009», «Научная сессия НИЯУ МИФИ-2010, 2011, 2012», научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» (ВНИИОФИ, 2009).
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных работ, в том числе 1 статья в издании «Оптический журнал», 2 статьи в журнале «Измерительная техника», 1 статья в журнале «Метрология» и 6 тезисов докладов на научно-технических конференциях.
Структура и объем работы
