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為了便于分析處理光學(xué)干涉式甲烷探測(cè)器使用中出現(xiàn)的問(wèn)題，有必要了解探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)，其光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示。
圖1
光源1發(fā)出的光經(jīng)過(guò)聚光鏡2和狹縫3到達(dá)平面鏡4，然后穿過(guò)空氣室5和甲烷室6，通過(guò)平面鏡的反射和折射產(chǎn)生干涉條紋，然后通過(guò)物鏡9穿過(guò)折射棱鏡7和反射棱鏡8，最后進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)10，在分劃板上產(chǎn)生清晰明亮的干涉條紋。
在實(shí)際維護(hù)和使用中，了解測(cè)量?jī)x器的光干涉原理和傳播線，可以對(duì)日常工作的開(kāi)展起到積極有效的作用。
1、光干涉條紋間距變化的產(chǎn)生
測(cè)量?jī)x器內(nèi)部靠近光源處有一個(gè)光學(xué)元件平面鏡。這種平面鏡通常稱為平行玻璃。平面鏡及其配套底座固定在儀器本體上。光線通過(guò)聚光鏡后，以45°的夾角射到平面鏡上。同時(shí)，鏡體向后傾斜約55'。利用光的反射和折射原理產(chǎn)生兩束平行光束，達(dá)到光干涉的條件。
干涉條紋間距的寬度與平行光束的間距d以及屏幕與狹縫之間的距離L有關(guān)。距離L默認(rèn)不變光的干涉原理，間距d會(huì)根據(jù)傾斜角度55'的變化而變化。為了使條紋間距寬度滿足要求，平面鏡不得移動(dòng)。一旦移動(dòng)，交叉角將變?yōu)?45°，傾斜角變?yōu)?55'。反射后，光線不能進(jìn)入氣室或?qū)е赂缮鏃l紋消失或干涉條紋寬度改變。當(dāng)平面鏡體與底座、儀器體之間的傾斜角度遠(yuǎn)小于55°時(shí)，甲烷氣室受壓，條紋間距變寬，無(wú)法讀取。如果傾斜角度遠(yuǎn)大于55'光的干涉原理，則條紋間距變窄，壓力與之前相反。合理減小或增大底座與本體的傾斜角度，條紋間距的寬度即可調(diào)節(jié)。
2. 干涉條紋間距大小的確定
光學(xué)干涉甲烷檢測(cè)器的干涉條紋寬度應(yīng)滿足式(1)。
介質(zhì)：x——甲烷含量； nc——甲烷的折射率； na——空氣的折射率； L——?dú)馐议L(zhǎng)度，mm； δ——光程差。
每個(gè)干涉條紋的具體位置是基于光的波動(dòng)原理。當(dāng)光線相互干涉、相互加強(qiáng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)明亮的條紋。亮條紋(即光程差)滿足方程(2)。
δ=kλ(2)
式中：k=0,1,2...； λ——可見(jiàn)光的平均波長(zhǎng)。
將式(2)代入式(1)可得
即各干涉條紋的具體位置滿足式(3)。
以量程0～10%、氣室長(zhǎng)度L=120mm的甲烷計(jì)為例。 20℃時(shí)貝語(yǔ)網(wǎng)校，可見(jiàn)光的平均波長(zhǎng)為0.，甲烷氣體的折射率為1.，空氣的折射率為1.。代入式（1）和（2）可知：當(dāng)k分別取k=0、1、2……時(shí)，如果第一干涉條紋（第一亮條紋）與光學(xué)干涉甲烷探測(cè)器分劃板上的零刻度線對(duì)齊，則第二干涉條紋條紋對(duì)應(yīng)甲烷含量為1.75%的刻度線，第三干涉條紋對(duì)應(yīng)甲烷含量為3.50%的刻度線，第四干涉條紋對(duì)應(yīng)甲烷含量為5.25%的刻度線，第五條干涉條紋對(duì)應(yīng)于甲烷含量為7.00%的刻度線。
調(diào)整0～10%范圍內(nèi)的測(cè)量?jī)x器基本誤差時(shí)，可參照上述原理，調(diào)整第一條干涉條紋，使之與分劃板的零刻度線重合，如第五條干涉條紋和7.00 ％甲烷。若內(nèi)容刻度線重合，則判定示值誤差合格。
3. 干涉條紋常見(jiàn)問(wèn)題的處理
通過(guò)對(duì)測(cè)量?jī)x器的光學(xué)干涉原理的分析，在調(diào)整光路的過(guò)程中，如果施加壓力后出現(xiàn)干涉條紋向相反方向移動(dòng)，則可以確定平面鏡的傾斜角度向前，可以通過(guò)調(diào)整平面鏡的傾斜角度來(lái)解決問(wèn)題。當(dāng)干涉條紋傾斜且平面鏡和折射棱鏡放置正確后，調(diào)整反射棱鏡或其底座，使返回光平行，恢復(fù)干涉條紋。
當(dāng)分劃板上的圖像不清晰或干涉條紋之間的寬度不符合要求時(shí)，調(diào)整物鏡的前后位置來(lái)改變成像距離L，就可以調(diào)整光干涉條紋之間的寬度小范圍內(nèi)。順光方向移動(dòng)可以使條紋間距變寬，反之，順光方向移動(dòng)可以使條紋間距變窄，同時(shí)圖像清晰度發(fā)生變化。
通過(guò)對(duì)光學(xué)干涉甲烷檢測(cè)儀原理的分析，可以幫助我們解決一些有時(shí)難以處理但在實(shí)際中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，從而保證檢測(cè)儀校準(zhǔn)的順利完成。
結(jié)尾
本文發(fā)表于《中國(guó)計(jì)量》雜志2019年第12期