Спосіб контролю розподілу температурного поля в оптично-прозорих деталях

Реферат: Запропонований винахід належить до засобів вимірювальної техніки і може бути використаний при дослідженні та контролі розподілу температури в оптично-прозорих деталях при виробництві оптико-електронних приладів. В способі контролю розподілу температурного поля в оптично-прозорих деталях, в якому дослідний зразок нагрівають і вимірюють розподіл температури послідовно в точках матриці координат топографії поверхні зразка, полірований зразок досліджуваного матеріалу попередньо відпалюють для зняття внутрішніх механічних напружень, а після відпалу і додаткового нагріву з одного боку з градієнтним розподілом температурного поля в ньому, опромінюють лазером, модулюють стан поляризації випромінювання, що пройшло крізь зразок, та вимірюють фотоелектричним детектором інтенсивність двох складових електричного поля цього поляризованого випромінювання, а температуру в цій точці визначають за величиною зміни стану поляризації від термонапруження в даній точці зразка, за рівнянням Пуассона  2 x 2   ,  де Τ потенціал, пов'язаний з координатною функцією температури, x координата,  нормальна компонента механічної напруги, 1/ - коефіцієнт пропорційності. Спосіб дозволяє проводити контроль температурного поля зразка безконтактним методом за величиною зміни параметрів поляризаційного випромінювання під впливом температурних зовнішніх чинників та має суттєво меншу похибку. UA 108732 C2 (12) UA 108732 C2 UA 108732 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Запропонований винахід належить до засобів вимірювальної техніки і може бути використаний при дослідженні та контролі розподілу температури в оптично-прозорих деталях при виробництві оптико-електронних приладів. За аналог взято відомий спосіб визначення розподілу температурного поля всередині зразка [1] шляхом розміщення в точках, що контролюються, великої кількості термочутливих датчиків, що з'єднуються паралельно двопровідною лінією, подачі на один з входів лінії сигналу змінної напруги та реєстрації вхідного змінного струму iвх(t). Як термочутливі датчики використовують кварцові п'єзоелектрорезонансні датчики з різними резонансними частотами ωр1, ωр2,…ωрі, …ωрΝ, за сигнал змінного напруження, що подається на один з входів двопровідної лінії, використовують сигнал зі спектром, що перекриває частотний діапазон кварцових п′єзорезонансних датчиків, після реєстрації вхідного змінного струму iвх(t) обчислюють його амплітудний спектр S(ω), визначають резонансні частоти кварцових п′єзорезонансних датчиків ωр1, ωр2,…ωрі, …ωрΝ за положенням максимумів амплітудного спектра S(ω), а потім, за попередньо експериментально знайденими або теоретично відомими залежностями резонансної частоти кварцових п'єзорезонансних датчиків від температури ωpi(t) визначають температуру в контрольованих точках. Недоліком аналога є те, що датчики вимірювання температури розташовуються на відносно великих відстанях один від одного, а контроль температурного поля здійснюється контактним способом, що вносить додаткові похибки в результати вимірювань. Найбільш близьким технічним рішенням, прийнятим за прототип, є винахід [2], в якому досліджуваний зразок нагрівають в НВЧ камері і з'єднують з матрицею напівпровідникових термодатчиків, які забезпечують інформацію щодо розподілу температурного поля, що дозволяє отримати більш деталізовану картину розподілу температур. Напівпровідникові термодатчики забезпечують достовірні та інформативні (велика кількість близько розташованих один від одного термосенсорів в матриці) дані, але контактний спосіб збільшує похибку вимірювання динамічних параметрів. Недоліком прототипу є те, що контроль температурного поля здійснюється контактним способом, що вносить додаткові похибки в результати вимірювань. Задачею винаходу є розробка безконтактного способу контролю розподілу температурного поля в оптично-прозорих деталях. Поставлена задача вирішується тим, що пропонується спосіб контролю розподілу температурного поля в оптично-прозорих деталях, в якому дослідний зразок нагрівають і вимірюють розподіл температури послідовно в точках матриці координат топографії поверхні зразка, який відрізняється тим, що полірований зразок досліджуваного матеріалу попередньо відпалюють для зняття внутрішніх механічних напружень, а після відпалу і додаткового нагріву з одного боку з градієнтним розподілом температурного поля в ньому, опромінюють лазером, модулюють стан поляризації випромінювання, що пройшло крізь зразок, та вимірюють фотоелектричним детектором інтенсивність двох складових електричного поля цього поляризованого випромінювання, а температуру в цій точці визначають за величиною зміни стану поляризації від термонапруження в даній точці зразка, за рівнянням Пуассона,  2 x 2 45 50 55    де Τ потенціал, пов'язаний з координатною функцією температури, х координата, σ нормальна компонента механічної напруги, 1/τ - коефіцієнт пропорційності. Позитивний ефект запропонованого винаходу полягає в тому, що спосіб дозволяє проводити контроль температурного поля зразка безконтактним методом за величиною зміни параметрів поляризаційного випромінювання під впливом температурних зовнішніх чинників та має суттєво меншу похибку. Новизна запропонованого винаходу обумовлена новою сукупністю відомих та вперше запропонованих операцій і ознак. Приклад. Для реалізації способу було зібрано прилад, схема якого зображена на кресленні. В приладі за джерело випромінювання (1) служить лазерний світлодіод з довжиною хвилі λ=650 нм і низьким рівнем оптичного шуму. Роль лінійного поляризатора (2) на шляху випромінювання, що виходить з нього, полягає, в основному, в його "очищенні" від циркулярної та неполяризованої компоненти. Азимут поляризатора і, отже, поля хвилі  повинні складати певний кут щодо осей оптичної індикатриси (поверхні Фермі) досліджуваного об'єкта, при якому лінійно поляризоване випромінювання оптимальним чином перетвориться в циркулярне. Оскільки термонапруження пов'язані з напрямом градієнта температури (теплового потоку Q), 1 UA 108732 C2 5 10 15 то азимут електричного поля  хвилі в початковому стані доречно, згідно з відзначеними міркуваннями, встановлювати під кутом 45° щодо оптичної осі зразка креслення, так що Е х=Еу. Тепловий потік встановлювався за допомогою резистивного нагрівача, який нагрівав зразки з одного боку до температури 90 °C. За зразок (3) було взято поліровану пластину з геометричними розмірами 102040 мм плавленого кварцу, обробленого за традиційною оптичною технологією. Зразок попередньо відпалювали для того, щоб зняти внутрішні напруження після механічної обробки. Режим відпалу вибрано в діапазоні 0,3-0,7 від температури спікання для цього оптичного матеріалу, відпал проводили протягом 4-12 годин та повільно охолоджували в печі відпалу до кімнатної температури. Стан поляризації випромінювання, що пройшло крізь зразок, компенсується фазовою пластинкою (4), модулюється модулятором (5), а його інтенсивність вимірюється фотодетектором (6). Така схема вимірювання відповідає методу модуляційної поляриметрії [3]. Сигнали лінійної і циркулярної складової в загальному випадку еліптично поляризованого випромінювання розділяються модуляцією поляризації. Lock-in-нановольтметром (7), з опорним сигналом від джерела струму (8), на частоті модуляції реєструється сигнал фотодетектора, що визначався величиною і знаком циркулярної компоненти випромінювання V, зв'язок якого з величиною оптичної анізотропії зразка (в лінійному випадку з механічним напруженням) має   x  y  20 25 x 2 35  вигляд IvI0sin(φ)sin(ωt), де компонент випромінювання на виході із зразка завтовшки d, а (nx-nу) - показники заломлення матеріалу зразка, залежні від величини і знака деформації у напрямі відповідних осей, λ довжина хвилі скануючою випромінювання. Вимірюється величина двопроменезаломлення, по-перше, як функція координати зразка уздовж напряму теплового потоку. Для визначення залежності зміни розподілу температурного поля від часу його розповсюдження результати вимірювань через певний інтервал часу, наприклад, через 5 хв., подається на персональний комп'ютер (9). Розподіл температурного поля визначається з рівняння Пуассона, яке як відомо, описує індуковану неоднорідним градієнтом температури стаціонарну деформацію пружного твердого тіла та в наших координатах має вигляд  2 30  2 d nx  ny  . Тут φ - різниця фаз ортогональних лінійних    (1), де Τ потенціал, пов'язаний з координатною функцією температури, x координата, σ нормальна компонента механічної напруги, 1/τ - коефіцієнт пропорційності. Отже, отримати розподіл температурного поля можна подвійним графічним інтегруванням експериментальних залежностей, забезпечивши визначеність інтеграла відповідними граничними умовами. При необхідності визначення залежності зміни розподілу температурного поля від часу, використовують рівність лівих частин рівняння (1) та рівняння, що описує температуропровідність при відсутності дисипації  2 x 2  1  D t (2)·. Із рівняння (1) і (2) можна записати:   k t , 40 45 50 де k - коефіцієнт пропорційності. З рівняння (3) випливає, що інтегрування функції σ(t) дозволяє отримати функції T(t) при умові надання інтегралу властивостей визначеного. Експерименти підтвердили можливість безконтактного визначення розподілу температурного поля навіть в такому матеріалі з низьким коефіцієнтом термічного розширення, як оптичний кварц. Для контролю запропонованого способу розподіл температурного поля вимірювали контактним способом за допомогою термопар. Контрольні вимірювання показали, що запропонований безконтактний спосіб є більш чутливим і має на порядок меншу похибку за рахунок заміни контактних термодатчиків, що мають інерційність та похибки, пов'язані з якістю контактування зі зразком, на безконтактний спосіб оптичного вимірювання за зміною стану поляризації від термонапружень. Джерела інформації: 1. Бвдокимов Ю.К.; Сагдиев Р.К.; Байтуллин А.Φ.; Парте Я.Л.; Плескач Н.В.; Бородулин В.Α., Способ измерения пространственного распределения температуры (варианты) и устройство для его осуществления, патент Російської федерації №2194956, опуб. 20.12.2002. 2 UA 108732 C2 2. Морозов Г.Α.; Чони Ю.И.; А киши н Б.А.; Застела М.Ю.; Пироженко С.Α.; Баширова А.Г., Способ измерения распределения теплового поля нагрева СВЧ- излучением и устройство для его осуществления, патент Російської федерації №2099727 опуб. 20.12.1997. 3. Сердега, Б. К. Модуляційна поляриметрія //К.: Наукова думка, 2011. - 238 с. 5 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 Спосіб контролю розподілу температурного поля в оптично-прозорих деталях, в якому дослідний зразок нагрівають і вимірюють розподіл температури послідовно в точках матриці координат топографії поверхні зразка, який відрізняється тим, що полірований зразок досліджуваного матеріалу попередньо відпалюють для зняття внутрішніх механічних напружень, а після відпалу і додаткового нагріву з одного боку з градієнтним розподілом температурного поля в ньому, опромінюють лазером, модулюють стан поляризації випромінювання, що пройшло крізь зразок, та вимірюють фотоелектричним детектором інтенсивність двох складових електричного поля цього поляризованого випромінювання, а температуру в цій точці визначають за величиною зміни стану поляризації від термонапруження в даній точці зразка, за рівнянням Пуассона  2 x 20 2   ,  де Τ - потенціал, пов'язаний з координатною функцією температури, х - координата,  нормальна компонента механічної напруги, 1/ - коефіцієнт пропорційності. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3