RU1784881C - Устройство дл измерени фотометрических величин - Google Patents

Abstract

Использование: в измерительной технике дл  измерени  характеристик источников и приемников света, коэффициентов пропускани , отражени , рассе ни , поглощени  тел, дл  измерени  физических и химических характеристик тел. Сущность изобретени : устройство содержит источник излучени , модул тор, светоделительный блок, приемник излучени , оптическую систему , направл ющую излучение от источника к приемнику, измеритель отношени  сигналов, управл ющий и индикаторные блоки, в котором светоделительный блок выполнен из разделител  излучени  на не менее чем три части и дополнительного модул тора , помещенного на пути одной или более из этих частей. За оптической системой дополнительно установлен хот  бы один приемник излучени . Дополнительный модул тор имеет коэффициент модул ции k равный () Тщах 7. где Гтах - максимальный коэффициент пропускани  каналов оптической системы. Светоделительный блок выполнен из четырех полупрозрачных пластин и двух зеркал, пластины размещены в вершинах четырехугольника, зеркала установлены у двух соседних пластин попарно-параллельно их рабочим поверхност м , а модул тор установлен между зеркалами. 3 ил. сл С

Description

Изобретение относитс  к о бласш измерительной техники и оптического приборостроени , в частности к фотометрической технике, и может быть использовано дл  измерени  различных характеристик источников и приемников света, коэффициентов пропускани , отражени , рассе ни , поглощени  тел, дл  измерени  различных физических и химических характеристик тел оптическим методом.

Известно устройство дл  измерени  фотометрических величин, включающее источник излучени , модул тор, приемник излучени , оптическую систему, направл ющую излучение от излучател  к приемнику, измеритель сигналов, управл ющий и индикаторный блоки, Указанное устройство получило широкое распространение, однако имеет р д недостатков. В процессе измерени  необходимо.чтобы характеристики элементов устройства не измен лась. Например, необходимо, чтобы во врем  измерени  не измен лись плотность потока, спектральный состав излучени , испугкае- мого излучателем, чувствительность, темно- вой ток приемника, коэффициент усилени  измерител  сигналов и т.д. Одне.ко в устройстве нет средств контрол  за изменением

-ч со

4

оо оо

этих характеристик, невозможна их стабилизаци  с помощью обратной св зи, что значительно усложн ет измерени  (например , необходимо проводить специальные тестировани ), затрудн ет автоматизацию измерений. Дл  измерени  абсолютных значений р да фотометрических величин (коэффициентов пропускани , отражени  и т.д.) необходима градуировка устройства. При зе-гзроведении на место элементов устройства помещают эталонные (например, эталонные источники света, эталоны пропускани , отражени  и т.д.). Это значительно увеличивает врем  измерений и вносит дополнительные погрешности, вызванные неидентичностью установки эталонов и элементов устройства.

Потоки излучени , попадающие на приемник от эталонов и элементов устройства, как правило, отличаютс  по величине в 2...10 раз и более, что требует значительного усложнени  электрической части устройства и приводит к дополнительным погрешност м измерений. Указанные недостатки делают невозможным применение устройства в р де случаев: высокопроизводительные и быстр опротекающие процессы , измерени  в объемах, где затруднены передвижени  источников эталонов и т.д.

Наиболее близким по технической сущности  вл етс  устройство дл  измерени  фотометрических величин, содержащее источник излучени , модул тор, светодели- тельный блок, раздел ющий излучение в пространстве и во времени на две части, приемник излучени , оптическую систему, направл ющую излучение от излучател  к приемнику, измеритель отношени  сигналов , управл ющий и индикаторный блоки. Устройство имеет более высокую производительность и в р де случаев точность, чем описанное выше. Оно нашло широкое применение , однако имеет р д недостатков, В устройстве сигналы, вызываемые излучени ми , идущими по основному и референтному каналам, разнесены во времени, и, следовательно, нет возможности с помощью обратной св зи устранить во врем  измерени  флуктуации потока излучени , фона и т.д. Дл  их учета приходитс , как правило, вводить операцию статистической обработки серии измерени , что увеличивает врем  измерений, а в некоторых случа х не обеспечивает требуемой точности. Дл  измерени  абсолютных значений р да фотометрических величин необходима градуировка устройства, св занна  с перемещением его элементов. Это значительно увеличивает врем  измерений и вносит дополнительные погрешности,

вызванные неидентичностью установки эталонов и элементов устройства.

Потоки излучени , попадающие на приемник от эталонов и элементов устройства,

как правило, отличаютс  по величине в 2... 10 раз и более, что требует значительного усложнени  электрической части устройства , приводите повышению ее инерционности и дополнительным погрешност м

измерени .

Указанные недостатки устройства снижают его точность, производительность, а в р де случаев делают невозможным его применение .

Цель изобретени  - повышение точности и производительности измерений фотометрических величин.

На фиг.1 представлена структурна  схема устройства; на фиг.2 - его оптическа 

схема; на фиг.З - временные диаграммы потоков излучени .

Устройство содержит источник излучени  1, расположенный за. ним модул тор 2, оптическую систему 3, приемник 4 излучеии , измеритель 5 отношени  сигналов, управл ющий блок 6, индикаторный блок 7. Устройство содержит также светоделитель- иый блок 8, кроме того, последний включает модул тор 10, расположенный в блоке 8, и

дополнительный приемник излучени  11. Один из вариантов устройства содержит также дополнительные источники излучени  1, модул тор 2, приемники излучени  4,11.

Устройство работает следующим образом .

Излучение от источника 1 через модул тор 2 падает на полупрозрачное зеркало и делитс  на два потока, один из которых проходит через второе полупрозрачное зеркало и попадает на два ортогонально установленных отражающих зеркала с дополнительным модул тором и после отражени  от них через четвертое полупрозрачное зеркало

поступает на приемник 4 излучени . Другой поток проходит через исследуемый образец и после отражени  от четвертого полупрозрачного зеркала регистрируетс  приемником 4 излучени .

Излучение, прошедшее модул тор 2 и непрошедшее дополнительный модул тор 10. дает сигналы Ni (фиг.З, крива  12). Излучение , прошедшее оба модул тора, дает сигналы ANi (фиг.З, крива  13). Суммарный

сигнал, возникающий на каждом из прием- никой, состоит из двух частей: в первый полупериод он равен Ni, во второй Ni + ANi (фиг,5; крива  14).

Если модул тор 2 открыт, а 10 закрыт

krTA-x(1 -То)Ф0; k2(1-TA)(1 -ТВ)Ф0;

где Ni, N2 - сигналы, попадающие на 1 и 2 приемники соответственно;

5Ni, N2 - сигналы от приемников 1 и 2, соответствующие фону и темновому тону;

ТА; Тв; Тс; TD - коэффициенты пропускани  полупрозрачных пластин;

Ф0- световой поток, поступающий в светоделительный блок;

х - коэффициент пропускани  образца.

Если оба модул тора открыты, то

Ni+ANi- 5Ni Ki TA-x-(1 -To) + , +0-ТА)-Твул-Тс-То Фо; (2)

N2 + Л N2 -б N2 k2 (1 -ТА)(1-ТВ)+ +(1-ТА)Тв2 -/ 2(1-Тс) «ГУ,Если

N2 + ДЫ1-( +AN2 5 N2

1NI Ки

При/Л

иуз N2-С ) N2

у . (1-ТА)-1в -Тс-Тр . 1. У1 1ТА ( 1 - То Гх

м-1 От ту О-то}. (3)

71 1(1-ТА)-(1-Тв) W

v . ( МА ) (; 1 - Тв ) Тс Тп у;-1 Тд ТВ : (1 - ТС ) (1 - TD ) yi - 1

Многоканальный измеритель отношени  сигналов измер ет отношени  вида

- Ni +ANI-dNif.

УNT cTNiw

Искома  фотометрическа  валичина X определ етс  из системы

гдебМ М Ф+ NiT;

М1Ф- сигнал, определ емый потоком фона, попадающего на {-приемник;

NIT - сигнал определ емый темновым током 1-го приемника

Ni-dNi k,. Ф,; 1+ 1+/,

1)

1 и 2

и 2, ну;

опуий в

зца.

(2)

2

, то

.

(3)

W

-1 - 1

где Ф| - поток неослабленного излучени , направленного на i-приемник;

Ф| дм -- поток ослабленного излучени , направленного на приемник, причем Ф,дм « 5 ф, что обеспечиваетс  за счет выбора коэффициента Км модул ции, радного Км -х

1.2

х(10 - 10 ), где Ттах - максимальный коэффициент пропускани  каналов оптической 10 системы;

k, - спектральна  чувствительность 1-го приемника, i 1,2,3,4;

- коэффициент ослаблени  излучени , направленного на i-й приемник; Ve 15$ - коэффициент, определ емый конструкцией устройства (делител  луча, оптической системы и т.д,);

fy - коэффициент, пропорциональный искомой фотометрической величине X; 20pj - коэффициент пропорциональности.

Следовательно, измерени  не завис т от характеристик излучател  и приемника, если они остаютс  посто нными во врем  / изменени . Это достигаетс  стабилизацией 25 характеристик с помощью обратной св зи и- минимизацией времени измерени .

В устройстве применены пластины, у которых ТА Тс; Тв TD. (Пластины, изготовленные из одной стекп нной заготовки, 30 помещались в вакуумную установку, где на них наносилось светоделительное покрытие из ZnS и MgF2. Полученные коэффициенты пропускани  пластин не отличались более, чем на 0,01%). 35 Следовательно

х- У1--/

(7)

40При нанесении покрыти  коэффициент

отражени  мен лс  от 4 до 14% и от 14 до 0,05%. Дл  определени  погрешностей измерени  процесс прерывалс  после нанасе- ни  двух, трех и п ти слоев; они не

45 превышали значени  Д R 0,05 %, врем  измерени  не превышало т- 1 с.

Устройство было также использовано дл  измерени  коэффициентов пропускани  различных кристаллов при их нагреве и

50 охлаждении. В качестве источника излучени  использовалс  монохроматор, от спектрофотометра СФ-46, в качестве модул тора - электромеханические абтюраторы. Дл  того , чтобы сн ть ограничение (5) в устройство

55 введены дополнительный источник излучени  1, модул тор 2, расположенные у четвертой пластины и ДРЭ дополнительных приемника излучени  4 и 11, расположенные соответственно у первой и третьей пластин . Конструктивно источник 1 и модул тор 2 выполнены в виде системы зеркал, направл ющих излучение В остальном устройство аналогично предыдущему. Имеем

У1 - 1 - О-ТА)-Тв/ -Тс-Тр .

У1 1 ТА х (1 - То Г

„ 1 Hi ТА ) Т& ft ( 1 - Тс .

v/-i - (1 - ТР ) Тс / Тв ТА У - 1Ъ - х (1-TA)

72

Отсюда

1 О -То) -ft -р-Тв) -1 - (1-То)-(

Y2--f . yz -J. yi - 1 1

О)

Измерени  проводились в диапазоне длин волн 0,4-0,9 мкм. Во всем диапазоне погрешность измерени  составила ДтА 0,1 %, врем  одного измерени  не превышало т 1 с Средний разброс экспериментальных точек Ж 0,05 %.

Использование изобретени  позволит повысить точность и производительность измерений различных характеристик источников света, коэффициентов пропускани , отражени , поглощени , рассе ни  тел, проводить их измерение в труднодоступных местах, в быстропротекающих процессах.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  измерени  фотометрических величин, содержащее источник излучени  и последовательно расположенные по ходу излучени  модул тор, светодели0

   тельный блок, оптическую систему, приемники излучени , соединенные с измерителем отношени  сигналов, выход которого соединен через управл ющий блок с индикаторным блоком, при этом управл ющий блок соединен с модул тором, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности и производительности измерений, в устройство введен по крайней мере один дополнительный модул тор, соединенный с блоком управлени , коэффициент k модул ции излучени  которого равен

   1

   тах

   (10

   -1

   ),

   где rmax - максимальный коэффициент пропускани  каналов оптической системы, а светоделительный блок и оптическа  система выполнены в виде единого блока, содержащего полупрозрачные зеркало, оптически св занное с источником излучени , и расположенные по ходу отражённого от него излучени  второе полупрозрачное зеркало, установленное перпендикул рно плоскости первого полупрозрачного зеркала , по крайней мере два взаимно перпенди- кул рных отражающих зеркала, отражающа  поверхность одного из которых параллельна первому полупрозрачному зеркалу, третье полупрозрачное зеркало, установленное перпендикул рно второму полупрозрачному зеркалу, и четвертое полупрозрачное зеркало, установленное параллельно второму полупрозрачному зеркалу в его плоскости, а дополнительные модул торы установлены между соответствующими отражающими зеркалами, при этом приемники излучени  оптически св заны с вторым и четвертым полупрозрачными зеркалами.

   Фм,2

   а

   Я

   /4 Г,С