Отсутствие информации об коэффициенте преломления может затруднить сравнение или замену материалов в оптических системах. При выборе материала для конкретного приложения исследователи и инженеры часто ориентируются на оптические характеристики, включая показатель преломления. Если эта информация недоступна, то выбор может быть затруднен и привести к неэффективному использованию ресурсов.

Принцип работы

Когда падающий на границу раздела двух сред свет падает под углом Брюстера, он полностью поляризуется в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. При этом отраженный свет становится полностью поляризованным параллельно границе раздела сред.

Разрабатываемая установка определения показателя преломления ориентирована на материалы с диэлектриктрическими свойствами, поэтому упрощенная определительная формула выглядит так:

Можно вывести показатель прелолмения среды преломленного луча. Эта среда и является исследуемым материалом

Для определения угла Брюстера, я использую сервопривод, к которому прикреплен светодиод. На светодиоде установлен поляризатор, расположенный таким образом, чтобы гасить S-поляризацию. Свет, прошедший через поляризатор, будет отражаться от поверхности, которую мы изучаем, и попадать на светочувствительный элемент. Таким образом, при достижении угла Брюстера мы наблюдаем провал в интенсивности света.

Учитывая, что устройство будет использовано только в воздухе, то мы можем абсолютную коэффициент преломления среды принять за единицу. И тогда Формула принимает следующий вид:

Получаемые значения и обработка данных

Сервопривод пробегает световым пучком по исследуемой поверхности несколько раз, для усредеднения получаемых данных и исключения погрешностей. На выходе получается массив значений интенсивности света (значений АЦП) при каждом градусе угла. Число повторов может быть произвольным, оптимальный вариант был выбран в 5 обходов. Усредненный график интенесивности света от угла выглядит так:

Эксперимент был проведён в домашних условиях, где сложно достичь полной темноты окружающей среды. Поэтому помимо сигнала со светодиода на чувствительный элемент могло попадать излучение из окружающей среды, чем обусловлены скачки в измеряемой зависимости.Они выделены красным

Редкие импульсы можно убрать программно. Например, с помощью медианного фильтра.

Медианный фильтр - это метод обработки графиков, использующий медиану значений соседних точек для определения нового значения точки.

Принцип работы медианного фильтра при обработке графиков следующий:

1.     
2. Определение размера окна фильтра. В медианном фильтре окно обычно имеет нечетное количество точек, чтобы можно было определить точный медианный элемент.
3.     
4. Перемещение окна фильтра по графику. Окно проходит по графику, начиная с первой точки и перемещаясь вперед до последней точки.
5.     
6. Сортировка значений внутри окна. Внутри окна фильтра все значения соседних точек упорядочиваются по возрастанию.
7.     
8. Определение медианы. Медиана — это значение, которое занимает центральное положение в отсортированном наборе точек. Если окно фильтра имеет, например, 5 точек, то медиана будет соответствовать значению третьей (серединной) точки.
9.     
10. Присваивание нового значения точке, на которой находилось окно фильтра. Медианное значение присваивается этой точке.
11.     
12. Повторение для всех точек графика. Описанный процесс повторяется для каждой точки графика, пока все точки не будут обработаны.
        
        Таким образом получили более «чистый» график, но он мене точный. Его нужно сгладить. С этой функцией справляется интерполяция.
        
        Интерполяция - это процесс оценки значений функции или данных между известными точками на графике. Основной принцип действия интерполяции заключается в представлении непрерывной функции или набора данных посредством использования точек, которые являются известными или имеются в наличии.
        
        Для выполнения интерполяции используются различные методы, такие как линейная интерполяция, кубическая интерполяция и сплайн-интерполяция.

В методе линейной интерполяции значения между двумя известными точками вычисляются с помощью прямой линии, которая соединяет эти точки.

Кубическая интерполяция использует полиномы третьей степени для приближения функции, что дает более гладкие и точные результаты.
Метод сплайн-интерполяции разбивает график на отдельные сегменты (сплайны), каждый из которых аппроксимируется полиномом низкой степени.

Как раз последняя интерполяция используется в обработке получаемого графика.

Для более точного определения провала, область интерполяции была взята от 45 до 68 градусов. Это связано с тем, что этому диапазону соответствует большинство исследуемых веществ. Приняв внешнюю среду за воздух, и взяв тангенсы от границ диапазона, можно получить диапазон измерений коэфф. преломления:

Применив интерполяцию, мы получаем график, на котором отчетливо виден провал, обозначенный красным цветом:

Микроконнтролеру программно задан следующий алгоритм: поиск минимума, которому соответствует конкретное значение угла, который и является углом Брюстера, далее он подставляет это значение в заданную ему формулу 4 и выдаёт значение коэффициента преломления вещества. В конкретном примере, так как исследуемым объектом была вода, угол Брюстера для нее равен 53°, это видно из эксперимента с небольшой погрешностью.

Таким образом полученное значение показателя преломления исследуемого вещества равно

Что сходится с табличными значениями показателя преломления воды.

Так же была измерена коэффициент преломления и у других материалов. Например, у стекла:

Посчитаем оптическую плотность стекла:

Печатная плата

          Печатная плата – это основа электронного устройства, на которой устанавливаются и соединяются различные компоненты, такие как микросхемы, резисторы, конденсаторы и другие электронные элементы. Она является неотъемлемой частью всех современных электронных устройств.

Основная функция печатной платы – обеспечить соединение и электрическую связь между компонентами электронного устройства. Она позволяет передавать сигналы, данные и питание между компонентами, обеспечивая работу устройства.

Печатная плата обычно состоит из трех основных слоев: металлической фольги, основного материала и вновь металлической фольги. Основной материал, из которого изготавливают печатные платы, чаще всего представляет собой стеклоэпоксидную фиберглассовую текстолитовую пластину. Он имеет хорошие диэлектрические свойства, механическую прочность и устойчивость к высоким температурам.

Металлическая фольга, обычно медная, наносится на основной материал с одной или двух сторон. Медная фольга играет роль проводника, по которому протекают электрические сигналы и питание. Чтобы создать электрические соединения, провода на плате, медная фольга подвергается гравированию в некоторых местах, чтобы создать требуемую проводимость и изоляцию.

Мною была выполнена разводка гравирования печатной платы. В программном виде можно увидеть ниже

Плата выполнена в виде круга, чтобы соответствовать измерительной части корпуса, в которой и будет находиться все основные компоненты, кроме компонентов управления

Корпус был создан в программе Blender и представляет из себя измерительную часть, где поддерживается максимальная темнота для большей точности измерений, а также часть управления. Между ними есть рукоять для удобной транспортировки и использования устройства.

На этой части можно выделить 3 отверстия. Самое большое, прямоугольное, под

экран, на который будет выводиться измеренная коэффициент преломления.

Остальные два отверстия сделаны под кнопки SAVE и RESET.

В дальнейшем корпус будет напечатан на 3D принтере с толщиной пластика в 3 мм.,

что является хорошим показателем для прочности устройства. Предполагаемый

пластик печати: ABS

Программа

Программа для микроконтроллеров – это набор инструкций, которые определяют функциональность и поведение микроконтроллера. Она может быть написана на специальных языках программирования, таких как C, C++ или ассемблер.

Важность программы для микроконтроллера весьма высока. Она является ключевым элементом, определяющим, как микроконтроллер будет выполнять свои задачи. Без программы микроконтроллер становится бесполезным устройством, неспособным обрабатывать информацию и выполнять требуемые действия.

Программа для микроконтроллера также определяет основные функции и алгоритмы, необходимые для работы устройства. Например, она определяет, как читать и записывать данные в определенные порты ввода-вывода, как обрабатывать сигналы, взаимодействовать с другими устройствами и выполнять различные вычисления.

Важность правильной и эффективной программы состоит в том, что она позволяет максимально использовать возможности микроконтроллера, снижает потребление энергии и ресурсов, улучшает производительность и надежность устройства.

Программа – это в первую очередь алгоритм. Алгоритм представлен ниже

В свою очередь блок «Измерить коэфф. преломления» так же состоит из своих

процедур, которые представлены ниже

Программа для Микроконтроллеров ATmega328P пишется на языке

программирования C++, так как таким образом программа получается компактной

как для человека, так и для Микроконтроллера.