Файл: Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 112
Скачиваний: 0
ный прозрачный сосуд (рис. I I . 9, б) с двумя никелевыми электро дами, наполненный нитробензолом*. Рабочая часть электродов плоская, полированная до блеска.
Межэлектродное пространство представляет собой щель в ви де геометрически правильного прямоугольника или трапеце идальной призмы. При наложении на электроды электрического напряжения в промежутке между электродами создается так называемое «поперечное» электрическое поле, силовые линии ко торого перпендикулярны к плоскостям электродов и параллельны между собой.
Для того, чтобы одиночную ячейку Керра можно было приме нить в качестве светового затвора (модулятора света по ампли туде) необходимо следующее расположение ее деталей (рис. I I .
г9, в): поляризатор и анализатор устанавливаются по ходу луча света, а их оси—.взаимно перпендикулярно (ячейка Керра со скрещенными поляроидами; возможно применение ячейки Керра с параллельными поляроидами, но из-за более сложной юстиров ки такая ячейка применяется редко). Конденсатор Керра устана вливается между поляризатором и анализатором так, чтобы све товой поток, прошедший поляризатор, прошел сквозь щель меж ду электродами и попал на анализатор. Силовые линии электрического поля в конденсаторе должны составлять с осями поляризатора и анализатора угол 45°.
При отсутствии электрического напряжения на электродах нитробензол, находящийся между электродами, оптически изо тропен, так как его биполярные молекулы ориентированы хао тично. В этом случае свет, прошедший через поляризатор и име ющий колебания в плоскости его оси, пройдет без изменения характера поляризации через конденсатор Керра и погасится анализатором.
При подключении к электродам напряжения нитробензол, на ходящийся между электродами, становится оптически анизотроп ным; биполярные молекулы нитробензола ориентируются в на правлении силовых линий электрического поля. Луч света, про шедший поляризатор, расщепляется и распространяется в ани зотропной среде в двух взаимноперпендикулярных направлениях (рис. П. 9, г): в плоскости силовых линий поля (обыкновенный луч о) и в плоскости, перпендикулярной к силовым линиям поля (необыкновенный луч н). Обыкновенный И необыкновенный лучи распространяются с разной скоростью и на выходе из нитробен зола, заполняющего щель между электродами, приобретают раз ность фаз W колебаний
W = 2TcS/£2 /(3002 d2 ), |
(11.47) |
где В — постоянная Керра (зависит от свойств вещества, его тем пературы и длины волны света), / — длина электродов по ходу
* Нитробензол представляет собою оптически прозрачную биполярную жидкость из семейства нитросоединений ароматического ряда.
63
луча, ы; Е— напряжение, подключенное к электродам, В; d — ширина щели между электродами, м.
Поскольку оба луча когерентны, они интерферируют. При разности фаз Чг =180° результирующий вектор колебаний изме няет свою ориентировку на 90° по отношению к оси поляризатора (рис. I I . 9, д), т. е. становится параллельным оси анализатора, и свет проходит через анализатор. Если к электродам подключено переменное напряжение, амплитуда которого изменяется от нуля до так называемого критического напряжения * Ет, при котором сдвиг фаз X F=180°, то в такт с переменным напряжением будет изменяться и прозрачность ячейки Керра, и световой поток будет
выходить из анализатора |
модулированным |
по амплитуде. Инер |
|||||||||
ционность эффекта Керра |
менее 1 • 10~9 с. Таким образом, с помо |
||||||||||
щью одиночной ячейки Керра представляется возможным |
высо |
||||||||||
кочастотная модуляция света. . |
|
|
|
|
|
|
|||||
Светопропускание |
ячейки Керра определяется |
соотношением |
|||||||||
|
|
|
Фа = Onsin201'72), |
|
|
|
(11.48) |
||||
где |
Ф п — световой поток, |
прошедший |
поляризатор; Ф а — свето |
||||||||
вой поток, вышедший из анализатора. |
|
|
|
|
|
|
|||||
При х¥ = л Ф а = Фп, т. е. весь световой поток Фп , без учета на |
|||||||||||
светопоглощение в стекле, нитробензоле и |
поляроидах |
как тем |
|||||||||
ных фильтрах, проходит через анализатор. По |
отношению к ес |
||||||||||
тественному свету "световой |
поток Ф а не может |
быть более 50%. |
|||||||||
С учетом же всех потерь Ф а |
составляет около 30%. |
|
Керра, |
||||||||
Для |
построения статической характеристики |
ячейки |
|||||||||
т. е. кривой зависимости светового потока от напряжения, |
свето |
||||||||||
вой поток выражают в долях его максимального |
значения Ф т , |
||||||||||
который проходит через ячейку Керра при критическом |
напряже |
||||||||||
нии |
Ет. |
Напряжение |
Е |
выражают |
в |
долях |
Ет. |
Формулу |
|||
(П. 48) в этом случае можно написать |
иначе, |
имея в виду, что |
|||||||||
Ф п принято равным Ф т |
: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Ф а / Ф т |
= |
sin»[(*/2) (Е/Ет)% |
|
|
|
(11.49) |
|||
На рис. I I . 10, а построен |
график (статическая |
характеристи |
|||||||||
ка) по формуле (П. 49) для монохроматического |
света. Как ви |
дно из графика, изменение светового потока при изменении нап ряжения сначала происходит медленно. На участке АБ измене ние наиболее быстрое и равномерное (линейный участок). В точ ке Е/Ет= \ световой поток достигает максимума, а затем быстро
уменьшается. При светодальномерных измерениях |
используют |
только первую ветвь кривой в пределах 0<Е/Ет<1,2. |
Примене |
ние больших напряжений отрицательно сказывается на эксплуа-
* Критическое напряжение Ет является важным параметром конденса тора Керра.
64
тационных характеристиках ячейки Керра, особенно при исполь зовании немонохроматического света.
К особенностям эксплуатации ячейки Керра относится необ ходимость подключения к электродам конденсатора постоянного (поляризующего) напряжения Е0. Как видно из формулы (П. 47) модуляция возможна независимо от знака напряжения Е (квадратичная зависимость). Поэтому за один период модулиру ющего напряжения происходит два цикла модуляции света. Мо лекулы нитробензола при изменении знака напряжения изменяют свою ориентировку на 180°, что приводит к большому выделению тепла. При нагревании же нитробензола уменьшается постоянная
КриВая света- 'Вого потока
2% tot
Модулирующее напряжение E0+Vm<Em
(i>t
Рис. 11.10. Электрооптическая характеристика ячейки Керра со скрещенными поляроидами:
а — статическая; б — при наложении постоянного и переменного напряжений (дина мическая)
Керра В и тогда для получения сдвига фаз Чг = 180° нужно увели чивать напряжение. Поскольку генератор дает постоянную амп литуду модулирующего напряжения, то нагревание приводит к уменьшению сдвига фаз W и, как следствие, уменьшению глуби ны модуляции и точности измерений.
При наложении на электроды помимо переменного — постоян ного напряжения Е0, значение которого больше, чем амплитуда модулирующего напряжения, в межэлектродном пространстве создается постоянное силовое электрическое поле. Подвижность молекул нитробензола уменьшается, поскольку они ориентирова ны в поле однообразно, в связи с этим уменьшается выделение тепла и улучшается оптическая прозрачность нитробензола. Ча стота модуляции света уменьшается вдвое, т. е. равна частоте переменного напряжения. На рис. I I . 10, б изображена модуляци онная характеристика ячейки Керра при наложении на конденса тор модулирующего напряжения, не выходящего за пределы ли нейного участка статической характеристики.
3—341 |
65.. |
Энергетическое действие светового потока, прошедшего ячей ку Керра, на светочувствительный элемент пропорционально его среднему суммарному значению за период модуляции
|
т |
£ 0 + U m sin ut \а- dt. |
|
Ф |
~т Ф,„ j sin2 |
(11.50) |
Одиночная ячейка Керра нашла широкое применение в свето дальномерах. Она применяется в отечественных фотоэлектриче ских светодальномерах ЭОД-1, «Кварц» [11.13] и в зарубежных
моделях «Геодиметр». |
|
|
||
Компенсационная |
ячейка |
Керра (рис. 11.11, а) |
состоит из по |
|
ляризатора П, |
анализатора |
А и двух одинаковых |
по параметру |
|
j |
П \Kl |
К2 А |
|
|
Рис. 11.11. Компенсационная ячейка |
Керра: |
а — расположение элементов ячейки Керра; |
б — схема |
ориентировки осей поляризатора, анализатора и конден саторов Керра
конденсаторов Керра К\ и Ki- Поляризатор и анализатор уста новлены на скрещивание осей (90°). Конденсатор К\ устанавли вается так же, как и в одиночной ячейке Керра, а конденсатор Кг— на пути светового потока, вышедшего из конденсатора К\, но развертывается по отношению к нему на 90° так, чтобы сило вые линии электрического поля в первом и втором конденсаторах были взаимно перпендикулярны. Расстояние между конденсато рами К\ и /Сг по ходу светового луча равно 2Д.
При отсутствии напряжения на электродах через компенса ционную ячейку Керра свет не проходит, так как оси поляриза-
66
тора и анализатора скрещены. При наложении на конденсаторы К\ и К2 постоянного напряжения свет также не проходит (рис. I I . 11, б). В конденсаторе К\ между обыкновенным о и необыкновенным н лучами возникает сдвиг фаз Чг . При распро странении обоих лучей на пути от К\ до Ко приобретенная раз ность фаз сохраняется. Во втором конденсаторе луч, шедший ранее по пути необыкновенного, пойдет по пути обыкновенного, а луч, шедший по пути обыкновенного, пойдет по пути необыкно венного. Так как конденсаторы Керра одинаковы по параметру Ет, то приобретенная разность фаз в первом конденсаторе будет компенсирована обратным сдвигом фаз —W во втором конденса торе. Следовательно, из конденсатора Кч оба луча выйдут в оди наковой фазе, а их интерференция даст составляющую в плоско сти оси поляризатора, и световая энергия будет погашена анали затором. Заметим, что компенсация сдвига фаз не зависит от расстояния между конденсаторами К\ и К.%.
Иная картина будет при синхронном наложении на оба кон денсатора поляризующего и переменного напряжений. В этом случае, так же, как и в одиночной ячейке Керра, свет, вышедший из конденсатора Ki, модулирован на частоте переменного напря жения, но не по амплитуде, а по сдвигу фаз W между обыкновен ным и необыкновенным лучами, поскольку этот свет не прошел анализатор. За время t прохождения модулированным светом расстояния 2 Д (расстояние между конденсаторами) он получает сдвиг по фазе
Ф = (2тг/Т) 1 = 2ф, |
(11.51) |
где Т — период модулирующего напряжения.
Очевидно, что компенсация сдвига фаз 4х между обыкновен ным и необыкновенным лучами будет иметь место, если разность фаз ф модулированного светового потока и опорного напряжения
на конденсаторе К2 будет равна ф = 0; 2 я; 2-2я; 3-2я; |
...; |
N-2n, |
где N — целое число. Через анализатор в этом случае |
не |
будет |
проходить световая энергия. Практически, в зависимости от не равенства параметра Ет обоих конденсаторов, качества полярои дов и точности юстировки компенсационной ячейки Керра, при разности фаз, равной целому числу периодов, через ячейку про ходит остаточный (минимальный) световой поток. При всех дру гих значениях разности фаз ф световой поток больше мини мального.
Следовательно, компенсационная ячейка Керра может слу жить фазометром, позволяющим по минимуму светового потока определять разность фаз ф, равную целому числу периодов моду ляции. Это свойство компенсационной ячейки Керра использо вано во всех визуальных светодальномерах. Конденсатор К\ (рис. II - 12), установленный в передающем тракте, несет функции модулятора, а конденсатор К2, отстоящий от первого на расстоя нии 2 Д по ходу луча, несет функции фазового детектора и демо-
3* |
67 |
дулятора света. Оба конденсатора должны питаться одним и тем же напряжением. Сдвиг по фазе модулированного светового по тока достигается изменением частоты модулирующего напря жения.
Блок
питания
Рис. 11.12. Принципиальная схема светодалыюмера с синхронной демодуляцией светового потока и визу альным способом наблюдений
Энергетическое действие, оказываемое световым потоком, про шедшим компенсационную ячейку Керра, на светочувствитель ный элемент, пропорционально его среднему значению Ф а _1_ за период модуляции и может быть вычислено по формуле
Фох = ^ - Ф т J |
Sin3 |
- |
I E |
a + |
Umsin<*t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
E 0 |
+ U m |
sin И |
- У ) V |
dt, |
|
(11.52) |
|
|
2 V |
|
E |
|
|
|
|
|
|
где обозначения те же, что и в формулах |
(11.49) и |
(11.50). |
|
|||||
На рис. 11.13 изображены кривые |
светового потока в зависи |
|
||||||
мости от разности фаз <р и электрического |
режима |
напряжений, |
\ |
|||||
вычисленные по формуле |
(11.52). При изменении параметров мо |
|
||||||
дулирующего напряжения меняется лишь форма кривой свето- |
|
|||||||
пропускания и абсолютная величина светового потока; положе |
|
|||||||
ние же экстремумов (минимума) |
светового потока |
остается не |
|
|||||
изменным, оно не зависит также от неравенства |
параметров |
|
||||||
конденсаторов ячейки Керра. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Другим важным достоинством компенсационной ячейки Кер |
|
|||||||
ра является строгая фиксация |
начала измерений (место |
выхода |
|
|||||
модулированного светового потока из конденсатора |
К\) |
и ^онца |
|
|||||
измерений (место выхода |
светового потока |
из конденсатора /Сг), |
|
68