RU2663301C1 - Устройство для измерения коэффициентов отражения и излучения материалов и покрытий - Google Patents

Устройство для измерения коэффициентов отражения и излучения материалов и покрытий Download PDF

Info

Publication number
RU2663301C1
RU2663301C1 RU2017119021A RU2017119021A RU2663301C1 RU 2663301 C1 RU2663301 C1 RU 2663301C1 RU 2017119021 A RU2017119021 A RU 2017119021A RU 2017119021 A RU2017119021 A RU 2017119021A RU 2663301 C1 RU2663301 C1 RU 2663301C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ellipsoid
radiation
sample
mirror
reflection
Prior art date
Application number
RU2017119021A
Other languages
English (en)
Inventor
Василий Михайлович Просвириков
Анатолий Васильевич Григоревский
Андрей Викторович Курилович
Игорь Евгеньевич Суриков
Алексей Михайлович Шамаев
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС"
Priority to RU2017119021A priority Critical patent/RU2663301C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2663301C1 publication Critical patent/RU2663301C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4738Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials
    • G01N21/474Details of optical heads therefor, e.g. using optical fibres
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4738Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/02Diffusing elements; Afocal elements
    • G02B5/0273Diffusing elements; Afocal elements characterized by the use
    • G02B5/0284Diffusing elements; Afocal elements characterized by the use used in reflection

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

Изобретение относится к оптической измерительной технике. Устройство для измерения коэффициентов отражения и излучения материалов и покрытий состоит: из зеркального эллипсоида с отверстием, выполненным под углом 5-20° к его оси, предназначенным для ввода излучения на образец, плоскость которого проходит через нижний фокус эллипсоида; небольшой интегрирующей сферы с пироэлектрическим приемником излучения, чувствительная поверхность которого расположена на поверхности сферы; и экрана, предназначенного для устранения прямого попадания излучения, отраженного от поверхности образца на фотоприемник. В качестве источника излучения, модулятора и зеркала содержит компактный, модулируемый электрическим током малоинерционный инфракрасный излучатель, частота модуляции которого синхронизована с частотой выборки АЦП регистрирующего устройства. Техническим результатом изобретения является линейная зависимость сигнала регистрации пироэлектрического приемника от мощности отраженного от образца излучения, которая не зависит от индикатрисы отражения образца, обеспечивая равенство условий для образцов с зеркальным и диффузным характером отражения. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике для определения оптических характеристик поверхности материалов и изделий, точнее для измерения коэффициентов их теплового (инфракрасного) излучения и отражения, может использоваться в приборостроении, космической промышленности, энергетическом машиностроении в научных исследованиях в области физики. Известны терморадиометры типа ТИС, ТРМ-И, УИЛЛИ, которые определяют коэффициент теплового излучения (отражения) с использованием зеркального эллипсоида («Оптические свойства лакокрасочных покрытий» / Гуревич М.М., Ицко И.Ф., Середенко М.М., Спб.: Профессия, 210-220 с.). В приборах этого типа источник излучения, включающий нагреватель (2) и резистор (3), и тепловой приемник излучения (4) размещены в области верхнего фокуса эллипсоида (1), а измеряемая поверхность образца (5) проходит через нижний фокус эллипсоида (фиг. 1). При этом упавшее на образец излучение частично поглощается и частично отражается. Фактически терморадиометр измеряет коэффициент отражения при температуре источника излучения, близкой к температуре образца. Согласно закону Кирхгофа для непрозрачных тел коэффициент излучения ε связан с коэффициентом отражения образца ρ простой формулой:
Figure 00000001
Спектральный диапазон работы прибора составляет 4-40 мкм, а максимум чувствительности приходится на длину волны около 12 мкм.
Главным недостатками данного технического решения является регистрация приемником собственного излучения образца вместе с отраженным от него излучением. Это приводит к тому, что собственное излучение образца, вызванное разогревом его поверхности при падении зондирующего излучения, вносит значительный вклад в регистрируемый сигнал от образца. Для образцов материалов с низкой теплопроводностью в результате разогрева их поверхности возникают большие дополнительные ошибки определения коэффициента излучения в соответствии с формулой (1). Другим недостатком данного технического решения является существенное влияние индикатрисы отражения образца на величину регистрируемого сигнала, обусловленное малыми размерами теплового приемника излучения (4) - болометра, что приводит к значительным расхождениям при измерениях образцов с диффузным и зеркальным характером отражения.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является патент США US 005659397 A «Метод и устройство для измерения зеркальных и диффузных оптических характеристик от поверхностей объектов», опубл. 29.08.1997. В данном техническом решении модулированное излучение вводится в эллипсоид (1) через отверстие под углом 15° к его оси (фиг. 2). Т.к. отраженное от поверхности образца (5) излучение, в отличие от его собственного излучения, является модулированным, то использование схемы синхронного детектирования устраняет влияние собственного излучения образца на результаты измерений его коэффициента отражения, к тому же пироэлектрический приемник (10), в отличие от болометра, реагирует только на изменения теплового потока. С другой стороны, большая чувствительная площадка пироэлектрического приемника, проходящая через верхний фокус эллипсоида, почти полностью перекрывает сечение эллипсоида плоскостью, перпендикулярной его оси, что снижает влияние индикатрисы отражения образца на величину регистрируемого сигнала.
Недостатками данного технического решения являются: остающееся расхождение при измерениях образцов с диффузным и зеркальным характером отражения, которое может быть устранено только использованием пироэлектрического приемника с коэффициентом поглощения, равным 1, вне зависимости от угла падения; нелинейная зависимость регистрируемого сигнала от мощности отраженного от образца потока излучения, связанная с отражением от металлических элементов конструкции приемника; необходимость использования дорогостоящего пироэлектрического приемника (10) с большой площадью чувствительной поверхности, фокусирующего зеркала (8) и механического модулятора-прерывателя излучения (7), которые увеличивают габариты изделия и его стоимость.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются увеличение точности измерений оптических характеристик образцов с зеркальным и диффузным характером отражения, повышение надежности измерений, а также снижение габаритов и стоимости устройства для измерения коэффициентов отражения и излучения материалов и покрытий (терморадиометра).
Поставленные задачи решаются за счет того, что устройство для измерения коэффициентов отражения и излучения материалов и покрытий (фиг. 3), содержащее зеркальный эллипсоид (1) с отверстием, выполненным под углом 5-20° к его оси и предназначенным для ввода излучения на образец, плоскость которого проходит через нижний фокус эллипсоида, отличается тем, что:
1) дополнительно содержит малогабаритную интегрирующую сферу (11) с пироэлектрическим приемником излучения (10), чувствительная поверхность которого расположена на поверхности сферы и экраном (9), предназначенным для устранения прямого попадания излучения, отраженного от поверхности образца на фотоприемник;
2) в качестве источника излучения, модулятора и фокусирующего зеркала содержит компактный, модулируемый электрическим током малоинерционный инфракрасный излучатель EMIRS200 (12), частота модуляции которого синхронизована с частотой выборки АЦП регистрирующего устройства.
Измерительная камера устройства (фиг. 4) конструктивно может быть выполнена из трех частей: первая - нижняя половина эллипсоида (13); вторая - верхняя половина эллипсоида вместе с нижней половиной интегрирующей сферы (14); третья - верхняя половина интегрирующей сферы (15).
Эллипсоид с зеркальной поверхностью может быть изготовлен из никеля с использованием механической полировки, интегрирующая сфера с диффузно отражающей поверхностью может быть изготовлена из никеля с использованием пескоструйной обработки поверхности, причем зеркальная поверхность эллипсоида и диффузно рассеивающая поверхность интегрирующей сферы могут быть покрыты тонким слоем золота, обеспечивающим увеличение их коэффициентов отражения.
Экран, может быть изготовлен из тонкого листового металла и расположен под углом, обеспечивающим максимальное прохождение излучения, входящего из эллипсоида в сферу.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, являются: линейная зависимость сигнала регистрации пироэлектрического приемника от мощности отраженного от образца излучения, которая не зависит от индикатрисы отражения образца, обеспечивая равенство условий для образцов с зеркальным и диффузным характером отражения.
Преимуществами предлагаемого устройства являются: повышение точности, надежности измерений коэффициента отражения (излучения); отсутствие необходимости использования дорогостоящего пироэлектрического приемника с большой чувствительной площадкой, что, в свою очередь, ведет к снижению габаритов устройства и его стоимости.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
фиг. 1 - оптическая схема аналога - схема измерений коэффициента излучения в терморадиометре ТРМ «И» с использованием зеркального эллипсоида: 1 - зеркальный эллипсоид; 2 - нагреватель; 3 - резистор; 4 - тепловой приемник излучения (болометр); 5 - измеряемая поверхность образца;
фиг. 2 - оптическая схема прототипа - патент США US 005659397 A «Метод и устройство для измерения зеркальных и диффузных оптических характеристик от поверхностей объектов»: 1 - зеркальный эллипсоид; 5 - измеряемая поверхность образца; 6 - источник излучения; 7 - модулятор -прерыватель; 8 - фокусирующее зеркало; 9 - экран; 10 - приемник пироэлектрический;
фиг. 3 - оптическая схема устройства для измерения коэффициентов отражения и излучения материалов и покрытий: 1 - зеркальный эллипсоид; 5 - измеряемая поверхность образца; 9 - экран; 10 - приемник пироэлектрический (ПП-06); 11 - интегрирующая сфера; 12 - модулируемый инфракрасный излучатель EMIRS200;
фиг. 4 - конструкция измерительной камеры устройства (3D-вид), состоящая из трех частей: 13 - нижняя половина эллипсоида; 14 - верхняя половина эллипсоида и нижняя половина сферы; 15 - верхняя половина сферы;
фиг. 5 - функциональная схема электронных блоков: 10 - пироэлектрический приемник; 12 - модулируемый инфракрасный излучатель; 16 - датчик температуры; 17 - усилитель тока источника излучения; 18 - усилители сигнала измерительного канала; 19 - АЦП датчика температуры; 20 - ЦАП, задающий ток через излучатель; 21 - АЦП измерительного канала; 22 - клавиши управления; 23 - микропроцессор; 24 - ОЗУ; 25 - ЖКИ;
фиг. 6 - внешний вид прибора для измерения коэффициентов отражения и излучения (3D-модель): 26 - измерительная камера; 27 - корпус; 28 - TFT-дисплей; 29 - источник питания; 30 - кнопка "Пуск".
В основу работы устройства положен метод измерения интегрального коэффициента отражения от исследуемой поверхности непрозрачных образцов материалов и покрытий с использованием собирающего зеркального эллипсоида и интегрирующей сферы.
Работает устройство (фиг. 3) следующим образом. Излучение инфракрасного излучателя EMIRS200 (12), модулированное частотой 9,375 Гц, через отверстие в зеркальном эллипсоиде (1) падает на поверхность образца (5) под углом 12° к нормали от его поверхности. Отражаясь от поверхности образца во всех направлениях, излучение собирается зеркальным эллипсоидом вблизи верхнего фокуса зеркального эллипсоида, проходя в интегрирующую сферу (11) через отверстие. При этом экран (9) устраняет прямое попадание излучения на поверхность чувствительной площадки пироэлектрического приемника (10), который регистрирует усредненную освещенность на поверхности интегрирующей сферы.
Конструкция измерительной камеры устройства (фиг. 4), состоит из трех частей, которые имеют направляющие проточки во фланцах для соединения в одну измерительную камеру с использованием стягивающих винтов.
В основу метода регистрации модулированных сигналов, поступающих с пироэлектрического приемника (10), положен метод синхронного детектирования (фиг. 5). Суть метода состоит в синхронизации частоты выборки АЦП (21) преобразования сигналов, поступающих с пироэлектрического приемника, и частоты модуляции источника излучения (12). Для этой цели используется высокостабильный кварцевый генератор, который кратно основной частоте задает частоту модуляции 9,375 Гц и частоту выборки АЦП преобразования с коэффициентом умножения 64. Значения, полученные в результате цифровых сверток сигнала с синхронными опорными гармоническими функциями, являются данными для определения коэффициентов отражения и нормального излучения измеряемого образца. Необходимая температура излучателя может устанавливаться в пределах от 50 до 300°С путем установки тока, протекающего через малоинерционный инфракрасный излучатель (12) с использованием ЦАП (20) и усилителя тока (17), при этом спектральный диапазон работы прибора составляет 3-40 мкм.
Коэффициент отражения измеряемого образца определяется методом сравнения с эталоном по следующей формуле:
Figure 00000002
где Rэт - коэффициент отражения эталонного образца,
Nоб - сигнал, возникающий на пироэлектрическом приемнике при отражении от измеряемого образца,
Nф - сигнал, возникающий на пироэлектрическом приемнике, определяемый уровнем фона,
Nэт - сигнал, возникающий на пироэлектрическом приемнике при отражении от эталонного образца.
Опытный образец устройства (терморадиометра), получившего обозначение «ТРМ-3», прошел испытания в целях утверждения типа средств измерений во ФГУП «ВНИИОФИ», передан комплект документации в Единый центр Госстандарта для его включения в госреестр средств измерений. Прибор компактен, имеет современный дизайн, автономное питание, успешно используется для проведения измерений коэффициента излучения на образцах материалов и покрытий для изделий космической отрасли. Внешний вид прибора в виде 3D-модели представлен на фиг. 6.

Claims (6)

1. Устройство для измерения коэффициентов отражения и излучения материалов и покрытий, содержащее зеркальный эллипсоид с отверстием, выполненным под углом 5-20° к его оси и предназначенным для ввода излучения на образец, плоскость которого проходит через нижний фокус эллипсоида, отличается тем, что:
дополнительно содержит небольшую интегрирующую сферу с пироэлектрическим приемником излучения, чувствительная поверхность которого расположена на поверхности сферы, и экран, предназначенный для устранения прямого попадания излучения, отраженного от поверхности образца на фотоприемник;
в качестве источника излучения, модулятора и зеркала содержит компактный, модулируемый электрическим током малоинерционный инфракрасный излучатель, частота модуляции которого синхронизована с частотой выборки АЦП регистрирующего устройства.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что зеркальный эллипсоид и интегрирующая сфера конструктивно выполнены из трех частей: первая - нижняя половина эллипсоида; вторая - верхняя половина эллипсоида вместе с нижней половиной интегрирующей сферы; третья - верхняя половина интегрирующей сферы.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что эллипсоид с зеркальной поверхностью изготовлен из никеля с использованием механической полировки, интегрирующая сфера с диффузно отражающей поверхностью может быть изготовлена из никеля с использованием пескоструйной обработки поверхности, причем зеркальная поверхность эллипсоида и диффузно рассеивающая поверхность интегрирующей сферы могут быть покрыты тонким слоем золота, обеспечивающим увеличение их коэффициентов отражения.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что экран изготовлен из тонкого листового металла и размещен под некоторым углом, обеспечивающим максимальное прохождение излучения, входящего из эллипсоида в сферу.
RU2017119021A 2017-06-01 2017-06-01 Устройство для измерения коэффициентов отражения и излучения материалов и покрытий RU2663301C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017119021A RU2663301C1 (ru) 2017-06-01 2017-06-01 Устройство для измерения коэффициентов отражения и излучения материалов и покрытий

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017119021A RU2663301C1 (ru) 2017-06-01 2017-06-01 Устройство для измерения коэффициентов отражения и излучения материалов и покрытий

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2663301C1 true RU2663301C1 (ru) 2018-08-03

Family

ID=63142609

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017119021A RU2663301C1 (ru) 2017-06-01 2017-06-01 Устройство для измерения коэффициентов отражения и излучения материалов и покрытий

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2663301C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU211394U1 (ru) * 2021-09-09 2022-06-02 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН) Стенд для измерения коэффициентов диффузного и зеркального отражений

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4360275A (en) * 1980-08-11 1982-11-23 Litton Systems Inc. Device for measurement of optical scattering
SU1693486A2 (ru) * 1988-11-21 1991-11-23 Предприятие П/Я Г-4149 Устройство дл измерени пропускани и рассе ни оптических элементов
US5659397A (en) * 1995-06-08 1997-08-19 Az Technology Method and apparatus for measuring total specular and diffuse optical properties from the surface of an object
WO2007131162A2 (en) * 2006-05-05 2007-11-15 Agc Flat Glass North America, Inc. Apparatus and method for angular colorimetry
US20110108741A1 (en) * 2009-11-12 2011-05-12 Vela Technologies, Inc. Integrating Optical System and Methods

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4360275A (en) * 1980-08-11 1982-11-23 Litton Systems Inc. Device for measurement of optical scattering
SU1693486A2 (ru) * 1988-11-21 1991-11-23 Предприятие П/Я Г-4149 Устройство дл измерени пропускани и рассе ни оптических элементов
US5659397A (en) * 1995-06-08 1997-08-19 Az Technology Method and apparatus for measuring total specular and diffuse optical properties from the surface of an object
WO2007131162A2 (en) * 2006-05-05 2007-11-15 Agc Flat Glass North America, Inc. Apparatus and method for angular colorimetry
US20110108741A1 (en) * 2009-11-12 2011-05-12 Vela Technologies, Inc. Integrating Optical System and Methods

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU211394U1 (ru) * 2021-09-09 2022-06-02 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН) Стенд для измерения коэффициентов диффузного и зеркального отражений

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4184768A (en) Self-calibrating photoacoustic apparatus for measuring light intensity and light absorption
Mouza et al. Measurement of liquid film thickness using a laser light absorption method
KR101698022B1 (ko) 무색수차 광소자-회전형 타원계측기 및 이를 이용한 시편의 뮬러-행렬 측정 방법
TWI297767B (en) Measuring apparatus and method using surface plasmon resonance
US20060067376A1 (en) Emissivity measuring device
CN105352583B (zh) 一种测量超声波声压和声强的光学方法和装置及其应用
Adibekyan et al. Emissivity Measurement Under Vacuum from 4\,\upmu m 4 μ m to 100\,\upmu m 100 μ m and from-40\,^ ∘ C-40∘ C to 450\,^ ∘ C 450∘ C at PTB
US3245306A (en) Photometer and method
Underwood et al. An improved non-contact thermometer and hygrometer with rapid response
CN113324663B (zh) 一种外场目标发射率的测量方法及系统
RU2663301C1 (ru) Устройство для измерения коэффициентов отражения и излучения материалов и покрытий
US3400266A (en) Infrared radiometric microscope
Peest et al. Instrumentation-related uncertainty of reflectance and transmittance measurements with a two-channel spectrophotometer
RU2660765C1 (ru) Способ бесконтактного измерения температуры in situ
JP3689276B2 (ja) 粒径分布測定装置および粒径分布測定方法
Firago et al. Radiometric calibration of fiber optic spectrophotometers
US3424912A (en) Optical instrument for character print quality analysis
RU2491533C1 (ru) Способ определения глубины проникновения поля терагерцовых поверхностных плазмонов в окружающую среду
Wabnitz et al. Characterization of homogeneous tissue phantoms for performance tests in diffuse optics
Saunders et al. A compact combinatorial device for measurement of nonlinearity of radiation detectors
Makino et al. A new spectrophotometer system for measuring hemispherical reflectance and normal emittance of real surfaces simultaneously
KR100732118B1 (ko) 회전 보상기형 외축 타원 해석기
RU2629909C1 (ru) Статическое устройство для определения распределения интенсивности поля инфракрасной поверхностной электромагнитной волны вдоль её трека
Sánchez-Pérez et al. Spectroscopic refractometer for transparent and absorbing liquids by reflection of white light near the critical angle
RU2196306C2 (ru) Оптический пирометр