RU2677831C1 - Optical radiation power measuring with metal bolometer method and device - Google Patents
Optical radiation power measuring with metal bolometer method and device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2677831C1 RU2677831C1 RU2018112890A RU2018112890A RU2677831C1 RU 2677831 C1 RU2677831 C1 RU 2677831C1 RU 2018112890 A RU2018112890 A RU 2018112890A RU 2018112890 A RU2018112890 A RU 2018112890A RU 2677831 C1 RU2677831 C1 RU 2677831C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- measuring
- value
- current
- temperature
- output
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 40
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 16
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 16
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 24
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 21
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 38
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 12
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 12
- 230000010365 information processing Effects 0.000 claims description 9
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 10
- 230000004044 response Effects 0.000 description 5
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 5
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 230000001447 compensatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения энергетических характеристик источников оптического излучения в широком диапазоне длин волн.The invention relates to measuring technique and can be used to determine the energy characteristics of optical radiation sources in a wide range of wavelengths.
Известен способ измерения мощности оптического излучения с помощью неохлаждаемых металлических болометров. Он заключается в размещении на пути измеряемого излучения резистивного элемента в виде металлической пленки, измерении изменения электрического сопротивления пленки, возникшего в результате ее разогрева (повышения температуры) под действием излучения, компенсации влияния изменения температуры окружающей среды на значение измеряемой величины с помощью второго идентичного первому элемента, и определении мощности излучения по изменению электрического сопротивления пленок, пропорциональному интенсивности потока [Ишанин Г.Г. Источники и приемники излучения. - СПб.: Политехника, 1991. стр. 219.] (аналог). Для регистрации мощности оптического излучения используют два резистивных элемента, включенных в разные плечи моста Уитстона. Один из элементов располагают на пути лучистого потока, тогда как второй является компенсационным. Измерительный мост подключают к источнику питания, что вызывает протекание тока (в литер, ток смещения) через элементы. В случае воздействия потоком излучения на один из элементов изменение его электрического сопротивления вызывает разбалансировку моста, что в результате приводит к появлению разности потенциалов между плечами схемы, пропорциональной интенсивности излучения.A known method of measuring the power of optical radiation using uncooled metal bolometers. It consists in placing a resistive element in the form of a metal film in the path of the measured radiation, measuring the change in the electrical resistance of the film resulting from its heating (temperature increase) under the influence of radiation, compensating for the effect of changes in the ambient temperature on the measured value using a second element identical to the first , and determining the radiation power by a change in the electrical resistance of the films, proportional to the intensity of the flow [Ishanin G.G. Sources and receivers of radiation. - St. Petersburg: Polytechnic, 1991. p. 219.] (analog). To register the power of optical radiation using two resistive elements included in different shoulders of the Wheatstone bridge. One of the elements is placed in the path of the radiant flux, while the second is compensatory. The measuring bridge is connected to a power source, which causes the flow of current (in letters, bias current) through the elements. In the event that a radiation flux affects one of the elements, a change in its electrical resistance causes the bridge to be unbalanced, which results in the appearance of a potential difference between the arms of the circuit, proportional to the radiation intensity.
Основным недостатком данного способа и устройства, реализующего способ, является низкая точность измерения мощности оптического излучения при малых значениях интенсивности лучистого потока, поскольку в данном случае разность потенциалов, возникающая между плечами моста, становится сопоставимой с уровнем шумов пленок или схемы регистрации. К недостаткам можно отнести также низкую пороговую чувствительность металлических болометров, ограниченную совокупностью определенных электрофизических свойств металлов.The main disadvantage of this method and the device that implements the method is the low accuracy of measuring the power of optical radiation at low values of the intensity of the radiant flux, since in this case the potential difference arising between the shoulders of the bridge becomes comparable with the noise level of the films or the registration circuit. The disadvantages include the low threshold sensitivity of metal bolometers, limited by the totality of certain electrophysical properties of metals.
Известен способ измерения мощности оптического излучения с помощью неохлаждаемых болометров на основе мартенситных сплавов. Он заключается в размещении на пути измеряемого излучения резистивного элемента в виде металлической пленки из сплава, имеющего обратимое полиморфное превращение в интервале температур измерения, измерение изменения электрического сопротивления элемента, возникшего после изменения его температуры под действием излучения, компенсацию влияния изменения температуры внешней среды на значение измеряемой величины при помощи второго элемента, идентичного первому и определение мощности излучения по значению изменения разности электрических сопротивлений элементов, пропорциональному интенсивности потока [Способ измерения мощности лазерного излучения: пат. 2345334 Рос. Федерация: МПК7 G01J 5/58 / Выборнов П.В., Ерофеев В.Я., заявитель и патентообладатель Томск, ИМКЭС СО РАН. - №2007133060/28. заявл. 03.09.2007, опубл. 27.01.2009, Бюл. №3] (прототип). Для регистрации мощности оптического излучения цепь рабочих сопротивлений из последовательно соединенных постоянного резистора и двух идентичных резистивных элемента, представляющих собой тонкие пленки из сплава, претерпевающего мартенситное превращение в заданном интервале температур измерения. Одним выводом данную цепь подключают к источнику постоянного тока, а другим - к общему проводу. Это вызывает протекание тока через элементы, величина которого определяется напряжением источника питания и суммарным сопротивлением цепи. Параллельно к каждому резистивному элементу подключены соответствующие блоки усиления и оцифровки, измеряющие падение напряжения на элементах. С выходов блоков усиления и оцифровки, соединенных с соответствующими входами блока обработки и вывода информации, поступают данные о соответствующих количественных измерениях электрических величин. При отсутствии воздействия лучистого потока на один из резистивных элементов, разность падения напряжения на обоих элементах равна нулю. В противном случае возникает разность падения напряжения на элементах, пропорциональная интенсивности лучистого потока. При этом блоки усиления и оцифровки, а также блок обработки и вывода информации подключают к тому же источнику питания, что и цепь рабочих сопротивлений [Выборнов П.В. Неохлаждаемый болометр на основе Ti50.5Ni49.5 для оптико-электронных измерительных систем: дис. канд. техн. наук (05.11.07 - оптические и оптико-электронные приборы и комплексы) / П.В. Выборнов; рук. работы Ю.М. Андреев. - Томск: ИМКЭС, 2017. - 132 с; https://postgraduate.tusur.ru/urls/8rala46i].A known method of measuring the power of optical radiation using uncooled bolometers based on martensitic alloys. It consists in placing a resistive element in the form of a metal film of an alloy having a reversible polymorphic transformation in the measurement temperature range on the path of the measured radiation, measuring the change in the electrical resistance of the element that arose after changing its temperature under the influence of radiation, compensating for the effect of changes in the ambient temperature on the value of the measured values using the second element identical to the first and determining the radiation power by the value of the change in the difference in electric resistance of elements proportional to the intensity of the stream [Method for measuring the power of laser radiation: US Pat. 2345334 Ros. Federation: IPC 7
Данный способ и устройство, реализующее способ, позволяет увеличить пороговую чувствительность болометра (до уровня полупроводниковых болометров) за счет лучшей совокупности определенных электрофизических свойств используемого сплава относительно металлов, обладая при этом высокими эксплуатационными характеристиками и простой конструкцией, присущими неохлаждаемым металлическим болометрам. Недостатком данного способа и устройства остается низкая точность измерения мощности оптического излучения при малых значениях интенсивности лучистого потока, поскольку в этом случае разность электрических сопротивлений пленок (разность падения напряжения) становится сопоставимой с уровнем шумов пленок или схемы регистрации.This method and device that implements the method allows to increase the threshold sensitivity of the bolometer (to the level of semiconductor bolometers) due to the best combination of certain electrophysical properties of the alloy used relative to metals, while having high performance and simple design inherent in uncooled metal bolometers. The disadvantage of this method and device is the low accuracy of measuring the power of optical radiation at low values of the intensity of the radiant flux, since in this case the difference in electrical resistance of the films (voltage drop difference) becomes comparable with the noise level of the films or registration circuit.
Целью, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение точности измерения мощности оптического излучения и отношения сигнал-шум неохлаждаемых металлических болометров при регистрации малых значений интенсивности лучистого потока.The aim of the invention is aimed at increasing the accuracy of measuring the power of optical radiation and the signal-to-noise ratio of uncooled metal bolometers when registering small values of the intensity of the radiant flux.
Технический результат достигается тем, что, как и в прототипе, на пути оптического излучения помещают измерительный резистивный элемент в виде пленки из сплава, имеющего обратимое полиморфное превращение в интервале температур измерения, компенсацию изменения температуры внешней среды при помощи элемента, идентичного первому. В отличие от прототипа ток, пропускаемый через оба элемента, дополнительно увеличивают от нуля до величины, при которой температура пленки компенсационного элемента будет соответствовать началу линейного участка двухфазной высокотемпературной области ее материала, регистрируют значение тока в цепи, продолжают увеличивать ток до величины, при которой температура пленки измерительного элемента будет соответствовать концу линейного участка двухфазной области ее материала, определяют мощность оптического излучения по значению тока и разности падения напряжения на элементах, прекращают пропускание тока через резистивные элементы для последующего повторения цикла измерений.The technical result is achieved by the fact that, as in the prototype, a measuring resistive element is placed in the form of a film of an alloy having a reversible polymorphic transformation in the temperature range of the measurement, compensating for changes in the ambient temperature using an element identical to the first, on the path of optical radiation. Unlike the prototype, the current passing through both elements is additionally increased from zero to a value at which the temperature of the film of the compensation element corresponds to the beginning of the linear portion of the two-phase high-temperature region of its material, the current value in the circuit is recorded, and the current continues to increase to the value at which the temperature the film of the measuring element will correspond to the end of the linear portion of the two-phase region of its material, determine the power of optical radiation from the current aznosti voltage drop across the cell cease current through the resistor elements for a subsequent measurement cycle repetition.
Предлагаемый способ измерения мощности оптического излучения основан на том, что поглощение лучистого потока пленкой резистивного элемента приводит к повышению ее температуры и как следствие к изменению ее сопротивления (благодаря изменению удельного электросопротивления материала пленки). Согласно закону Ома, на элементе, вследствие пропускания через него тока, будет падать напряжение, изменение которого при поглощении лучистого потока будет пропорционально мощности измеряемого оптического излучения. Изменение температуры окружающей среды также влечет за собой изменение сопротивления пленки, а, следовательно, падения напряжения на элементе. Это негативное явление при измерении мощности оптического излучения компенсируется путем использования второго идентичного резистивного элемента, пленка которого не находится под воздействием излучения. Температурная зависимость удельного сопротивления сплавов (имеющих обратимое полиморфное превращение в интервале температур измерения), из которых изготавливают пленки резистивных элементов, характеризуется двумя температурными областями, представленными на фиг. 1: однофазной и двухфазной. Такие сплавы хорошо известны, например, мартенситные составы на основе никелида титана. Подобные сплавы отличаются высокой технологичностью, позволяющей получать тонкие пленки. Температурный интервал двухфазной области подобных сплавов может быть легко смещен в ту или иную сторону путем изменения соотношения концентраций компонент. Преимуществами этих сплавов является отсутствие влияния числа рабочих циклов (измерений) на вид функции электросопротивления от температуры, высокая стойкость к агрессивным средам и механическая прочность.The proposed method for measuring the power of optical radiation is based on the fact that the absorption of the radiant flux by the film of the resistive element leads to an increase in its temperature and, as a consequence, to a change in its resistance (due to a change in the electrical resistivity of the film material). According to Ohm's law, a voltage will fall on an element due to the passage of current through it, the change of which upon absorption of the radiant flux will be proportional to the power of the measured optical radiation. A change in the ambient temperature also entails a change in the resistance of the film, and, consequently, a voltage drop on the element. This negative phenomenon in measuring the power of optical radiation is compensated by using a second identical resistive element, the film of which is not under the influence of radiation. The temperature dependence of the resistivity of the alloys (having a reversible polymorphic transformation in the measurement temperature range) of which the films of resistive elements are made is characterized by two temperature regions shown in FIG. 1: single phase and two phase. Such alloys are well known, for example, martensitic compositions based on titanium nickelide. Such alloys are highly technological, allowing to obtain thin films. The temperature interval of the two-phase region of such alloys can be easily shifted in one direction or another by changing the concentration ratio of the components. The advantages of these alloys are the absence of the influence of the number of duty cycles (measurements) on the type of function of electrical resistance from temperature, high resistance to aggressive environments and mechanical strength.
Измерение мощности лучистого потока в предлагаемом способе осуществляются, когда температура пленок резистивных элементов находится в пределах линейного участка двухфазной области температурной зависимости удельного сопротивления их материала ρ(Т) (фиг. 1). Первоначально обе пленки находятся в одинаковых (термодинамических) условиях окружающей среды, их сопротивления равны и соответствуют точке «A1» (участок однофазной низкотемпературной области) на условном графике ρ(Т) (фиг. 1). В этом случае разность падения напряжения на резистивных элементах отсутствует. Затем пленку измерительного элемента облучают лучистым потоком, что приводит к повышению ее сопротивления (следовательно, повышению величины падения напряжения на элементе), соответствующему точке «А2» на графике ρ(Т). Далее через элементы начинают пропускать ток. Причем последовательность пропускания тока через элементы или воздействия потоком излучения на пленку измерительного элемента непринципиальна. Увеличение тока через элементы происходит от нулевого значения до величины, при которой температура пленки компенсационного элемента будет соответствовать началу линейного участка двухфазной высокотемпературной области ее материала, т.е. точке «B1» на графике ρ(Т). Получившееся в данном случае значение тока фиксируют, а затем продолжают увеличение тока до величины, при которой температура пленки измерительного элемента будет соответствовать концу линейного участка двухфазной области ее материала, т.е. точке «С2» на графике ρ(Т). Только при таком режиме работы, линейный участок двухфазной высокотемпературной области материала пленок задействован полностью, а эффект достижения цели, на решение которой направлено заявленное изобретение, максимален. В этом случае для малых значений интенсивности лучистого потока разность падения напряжения на резистивных элементах за счет увеличения их вольт-ваттного отклика вследствие увеличения тока через элементы становится существенно выше уровня шумового напряжения самих элементов или схемы регистрации. Следует отметить, что величиной, характеризующей температуру пленок компенсационного и измерительного элементов в заявленном изобретении, является падение напряжения на соответствующем элементе:Measurement of the radiant flux power in the proposed method is carried out when the temperature of the films of the resistive elements is within the linear region of the two-phase region of the temperature dependence of the specific resistance of their material ρ (T) (Fig. 1). Initially, both films are in the same (thermodynamic) environmental conditions, their resistances are equal and correspond to the point “A 1 ” (portion of the single-phase low-temperature region) on the conditional graph ρ (Т) (Fig. 1). In this case, there is no difference in voltage drop across the resistive elements. Then, the film of the measuring element is irradiated with a radiant flux, which leads to an increase in its resistance (hence, an increase in the voltage drop across the element) corresponding to the point “A 2 ” on the graph ρ (Т). Further, current flows through the elements. Moreover, the sequence of transmission of current through the elements or exposure to a film of the measuring element by a stream of radiation is unprincipled. An increase in the current through the elements occurs from zero to a value at which the temperature of the film of the compensation element corresponds to the beginning of the linear portion of the two-phase high-temperature region of its material, i.e. point “B 1 ” on the graph ρ (Т). The current value obtained in this case is fixed, and then the current continues to increase to a value at which the temperature of the film of the measuring element corresponds to the end of the linear section of the two-phase region of its material, i.e. point “C 2 ” on the graph ρ (Т). Only with this mode of operation, the linear portion of the two-phase high-temperature region of the film material is fully involved, and the effect of achieving the goal to be solved by the claimed invention is maximized. In this case, for small values of the radiant flux intensity, the difference in the voltage drop across the resistive elements due to an increase in their volt-watt response due to an increase in the current through the elements becomes significantly higher than the noise voltage level of the elements themselves or the registration circuit. It should be noted that the value characterizing the temperature of the films of the compensation and measuring elements in the claimed invention is the voltage drop across the corresponding element:
которое получено для пленок с установленной зависимостью ρ(Т) их материала и известных габаритов: 
Согласно выражению 2.20 из [диссертация Выборнова П.В.], разность падения напряжения на резистивных элементов, после воздействия лучистого потока на пленку измерительного элемента, рассчитывается по следующей формуле:According to expression 2.20 from [P. Vybornov's dissertation], the difference in voltage drop across resistive elements, after the action of the radiant flux on the film of the measuring element, is calculated by the following formula:
где Р - мощность оптического излучения; I - ток через элементы (для заявленного изобретения ток измеренный в момент, когда температура пленки компенсационного элемента будет соответствовать точке «B1» на графике ρ(Т)); S - вольт-ваттная чувствительность элементов при токе I. Разность падения напряжения ΔUB при измерении малых значений мощности излучения, определяющаяся падением напряжения на компенсационном и измерительном элементах в точках «B1» и «В2», соответственно, характерна для прототипа. Разность падения напряжения ΔUC при измерении малых значений мощности излучения, определяющаяся падением напряжения на компенсационном и измерительном элементах в точках «С1» и «С2», соответственно, когда ток I (следовательно, S), увеличивают, к примеру, в β раз, до величины, при которой температура пленки измерительного элемента будет соответствовать точке «С2» на графике ρ(Т), характерна для заявленного изобретения. Таким образом, отношение разности падения напряжения в случае прототипа и заявленного изобретения можно оценить по формуле:where P is the power of optical radiation; I - current through the elements (for the claimed invention, the current measured at the moment when the temperature of the film of the compensation element will correspond to the point "B 1 " on the graph ρ (Т)); S is the volt-watt sensitivity of the elements at current I. The difference in voltage drop ΔU B when measuring small values of radiation power, determined by the voltage drop across the compensation and measuring elements at points "B 1 " and "B 2 ", respectively, is typical for the prototype. The difference in voltage drop ΔU C when measuring small values of radiation power, determined by the voltage drop at the compensation and measuring elements at points "C 1 " and "C 2 ", respectively, when the current I (therefore, S) is increased, for example, in β times, to the value at which the temperature of the film of the measuring element will correspond to the point "C 2 " on the graph ρ (T), characteristic of the claimed invention. Thus, the ratio of the difference in voltage drop in the case of the prototype and the claimed invention can be estimated by the formula:
Вольт-ваттный отклик подобных резистивных элементов зависит от свойств материала и габаритных размеров пленок, поэтому I и S для аналитической оценки не могут быть взяты произвольно. На фиг. 2 представлен график зависимости k(β)=ƒ(β) для резистивных элементов из сплава Ti50.5Ni49.5, описанного в [диссертация Выборнова П.В.], с вольт-ваттным откликом S=0,02 мВ/Вт при токе I=0,25 А. Как видно (фиг. 2), увеличение тока через элементы при измерении малых значений интенсивности лучистого потока ведет к увеличению разности падения напряжения на элементах (за счет соответствующего увеличения S элементов). При этом увеличение шумового напряжения элементов (определяющегося в основном тепловыми шумами элементов с ростом их рабочей температуры, как будет показано ниже) существенным образом будет уступать увеличению S элементов. В этом случае отношение сигнал-шум резистивных элементов на основе мартенситных сплавов при использовании заявленного способа увеличивается, а точность измерений повышается.The volt-watt response of such resistive elements depends on the material properties and the overall dimensions of the films; therefore, I and S cannot be taken arbitrarily for analytical evaluation. In FIG. Figure 2 shows a graph of the dependence k (β) = ƒ (β) for resistive elements made of an alloy Ti 50.5 Ni 49.5 described in [the dissertation of Vybornov P.V.], with a volt-watt response S = 0.02 mV / W at current I = 0.25 A. As can be seen (Fig. 2), an increase in the current through the elements when measuring small values of the intensity of the radiant flux leads to an increase in the difference in the voltage drop across the elements (due to a corresponding increase in S elements). Moreover, an increase in the noise voltage of the elements (determined mainly by the thermal noise of the elements with an increase in their operating temperature, as will be shown below) will substantially yield to an increase in S elements. In this case, the signal-to-noise ratio of resistive elements based on martensitic alloys increases when using the claimed method, and the measurement accuracy increases.
Способ измерения мощности оптического излучения металлическим болометром сводится к контролю мгновенных значений падения напряжения на постоянном резисторе и резистивных элементах, определению разности падения напряжения на элементах, а также процессу периодического изменения напряжения питания цепи сопротивлений, поэтому он может быть реализован посредством использования операционных усилителей, аналого-цифровых преобразователей, цифро-аналогового преобразователя (или цифрового потенциометра) и микропроцессорного блока (микроконтроллера или ЭВМ). Функциональной задачей последнего является прием и обработка результатов измерения, управление процессом измерения электрических величин (в том числе формирования сигналов управления напряжением питания цепи сопротивлений), а также учет дополнительно введенной информации об измерениях и вывод на исполнительное устройство (дисплей и т.д.) данных о мощности оптического излучения.The method of measuring the power of optical radiation with a metal bolometer is reduced to monitoring the instantaneous values of the voltage drop across the constant resistor and resistive elements, determining the difference in voltage drop across the elements, as well as to the process of periodically changing the supply voltage of the resistance circuit, so it can be implemented using operational amplifiers, similar digital converters, digital-to-analog converter (or digital potentiometer) and microprocessor unit (micro controller or computer). The functional task of the latter is to receive and process the measurement results, control the process of measuring electrical quantities (including generating control signals for the supply voltage of the resistance circuit), as well as taking into account additionally entered measurement information and outputting data to the actuator (display, etc.) about the power of optical radiation.
На фиг. 3 представлена функциональная схема предлагаемого устройства, реализующего заявленный способ. Она состоит из цифро-аналогового преобразователя 1 (или цифрового потенциометра), выход которого соединен с входом повторителя напряжения 2. К выходу повторителя напряжения 2 одним своим выводом подключена рабочая цепь сопротивлений, состоящая из последовательно соединенных компенсационного и измерительного резистивных элементов (терморезисторов) 3 и 4, соответственно, и резистора 5. Другим выводом данная цепь подключена к общему проводу. Параллельно терморезисторам 3, 4 (облучаемого лучистым потоком), и резистору 5 подключены, соответственно, блоки 6-8, выходы которых подключены, соответственно, к первому, второму и третьему входу блока обработки и вывода информации 9. Блоки 1, 2, 6-9 запитывается от источника питания постоянного тока.In FIG. 3 presents a functional diagram of the proposed device that implements the claimed method. It consists of a digital-to-analog converter 1 (or a digital potentiometer), the output of which is connected to the input of the
Устройство работает следующим образом. После подачи питания на блоки 1, 2, 6-9, блок обработки и вывода информации 9 подает последовательность цифровых сигналов на цифро-аналоговый преобразователь 1 (или цифровой потенциометр), в результате чего на выходе преобразователя 1 происходит нарастание напряжения, которое поступает на вход повторителя напряжения 2. В результате постоянное напряжение с цифро-аналогового преобразователя 1, усиленное по току повторителем напряжения 2, прикладывается к последовательной цепи терморезисторов 3, 4 и резистора 5. Таким образом, ток в рабочей цепи сопротивлений будет определяться величиной напряжения с преобразователя 1 и суммой сопротивлений резистора 5 и терморезисторов 3 и 4. Значение напряжения, падающего на терморезисторах 3, 4 и резисторе 5 (которое эквивалентно величине тока в цепи), регистрируется блоками усиления и оцифровки 6-8, соответственно. По достижению напряжения на терморезисторе 3, соответствующему его температуре в точке «B1» на графике ρ(Т) (фиг. 1), блок обработки и вывода информации 9 по средствам блока усиления и оцифровки 8 производит регистрацию и запоминание значения напряжения на резисторе 5. При этом, если необходимо, во время измерения напряжения на резисторе 5, блок обработки и вывода информации 9 может подавать сигнал на цифро-аналоговый преобразователь 1, который бы удерживал постоянный уровень выходного напряжения с повторителя 2, а, следовательно, и тока в цепи сопротивлений. В этот момент температура пленок резистивных элементов 3 и 4, соответствует началу линейного участка двухфазной высокотемпературной области сплава, из которого они изготовлены. В отсутствии воздействия лучистого потока на резистивный элемент 4, значения напряжений, падающих на терморезисторах 3 и 4, которые через блоки усиления и оцифровки 6 и 7, соответственно, контролируются блоком обработки и вывода информации 9, будут одинаковыми. Под воздействием лучистого потока на резистивный элемент 4, температура его пленки, а, следовательно, и падение напряжения, становятся больше соответствующих параметров пленки компенсационного резистивного элемента 3, что приводит к возникновению разности напряжений, падающих на терморезисторе 3 и 4. После измерения напряжения на резисторе 5, блок обработки и вывода информации 9 подает сигналы на цифро-аналоговый преобразователь 1, которые позволяют продолжить увеличение напряжения на выходе повторителя 2, а, следовательно, и тока в рабочей цепи сопротивлений, до значения, при котором напряжение на терморезисторе 4 будет соответствовать его температуре в точке «С2» на графике ρ(Т) (фиг. 1). Таким образом, вольт-ваттная чувствительность терморезисторов 3 и 4 увеличивается пропорционально увеличению величины тока в цепи сопротивлений. Скорость нарастания тока определяется временем теплового отклика терморезисторов и временем воздействия лучистого потока. После этого блок обработки и вывода информации 9 по средствам блоков усиления и оцифровки 6-8 производит регистрацию и запоминание значения напряжений на терморезисторах 3, 4 и резисторе 5, а затем осуществляет сброс напряжения на выходе цифро-аналогового преобразователя 1 до нулевого значения для возможности последующего повторения цикла измерений. В итоге, согласно выражению 2.20 из [диссертация Выборнова П.В.], мощность оптического излучения, воздействующего на резистивный элемент 4, будет рассчитываться по формуле:The device operates as follows. After applying power to the
где U3 и U4 - значения напряжений, падающих на терморезисторах 3 и 4; 
На фиг. 4 представлены модельные оценки зависимости погрешности измерения предлагаемым устройством мощности оптического излучения от величины мощности лучистого потока δРизл.=ƒ(Ризл.) при фиксированной (график 1) и переменной (график 2) вольт-ваттной чувствительности пленок резистивных элементов 3 и 4. Зависимость приведена, когда блок усиления и оцифровки собран на операционном усилителе ОРА211 (Texas Instruments, США) и мультиметре UT71C (Uni-Trend Technology, КНДР), работающим на минимальном пределе измерения постоянного напряжения, а в качестве терморезистора 3 и 4 используется резистивный элемент на основе сплава Ti50.5Ni49.5 с характеристиками, описанными в [диссертация Выборнова П.В.]. Для графика 2 вольт-ваттная чувствительность S терморезистора 3 и 4 изменяется в пределах от S до 4⋅S. Как видно из фиг. 4, реализация заявленного способа и устройства, реализующего способ, позволит повысить точность измерения мощности оптического излучения для малых значений интенсивности лучистого потока при прочих равных условиях измерения.In FIG. 4 presents model estimates of the dependence of the measurement error of the proposed device the power of optical radiation from the magnitude of the power of the radiant flux δP rad . = ƒ (P rad. ) for a fixed (graph 1) and variable (graph 2) volt-watt sensitivity of the films of
Известно, что отношение сигнал-шум для неохлаждаемых болометров рассчитывается следующим выражением:It is known that the signal-to-noise ratio for uncooled bolometers is calculated by the following expression:
Как было показано в [диссертация Выборнова П.В.], шумовое напряжение неохлаждаемых металлических болометров с резистивными элементами сопротивлением менее 10 Ом определяется шумовыми характеристиками усилительного каскада. В этом случае отношение сигнал-шум SNR будет увеличиваться пропорционально увеличению вольт-ваттной чувствительности болометров S. Если же сопротивление резистивного элемента составляет более 10 Ом, то наименьшее шумовое напряжение данных детекторов при оптимальной для этого рабочей частоте определяется тепловым шумом (шумом Найквиста):As was shown in [P. Vybornov’s dissertation], the noise voltage of uncooled metal bolometers with resistive elements with a resistance of less than 10 Ohms is determined by the noise characteristics of the amplifier stage. In this case, the signal-to-noise ratio SNR will increase in proportion to the increase in the volt-watt sensitivity of the bolometers S. If the resistance of the resistive element is more than 10 Ohms, then the lowest noise voltage of these detectors at the optimum operating frequency for this is determined by thermal noise (Nyquist noise):
где k - постоянная Больцмана; Т - рабочая температура элемента; R - его сопротивление при рабочей температуре; Δƒ - шумовая полоса. Расчет показывает, что при увеличении вольт-ваттной чувствительности резистивного элемент на основе сплава Ti50.5Ni49.5 с характеристиками, описанными в [диссертация Выборнова П.В.], в пределах от S до 4⋅S, его тепловой шум увеличиться не более чем на 30%. Таким образом, реализация заявленного способа и устройства позволит повысить отношение сигнал-шум металлических болометров при измерении малых значений интенсивности лучистого потока.where k is the Boltzmann constant; T is the operating temperature of the element; R is its resistance at operating temperature; Δƒ is the noise band. The calculation shows that with an increase in the volt-watt sensitivity of a resistive element based on a Ti 50.5 Ni 49.5 alloy with the characteristics described in [Vybornov P.V. dissertation], ranging from S to 4⋅S, its thermal noise will increase by no more than thirty%. Thus, the implementation of the claimed method and device will improve the signal-to-noise ratio of metal bolometers when measuring small values of the intensity of the radiant flux.
В итоге, заявленный технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, вольт-ваттный оклик (чувствительность) обоих резистивных элементов увеличивают путем изменения напряжения питания (тока) цепи сопротивлений, что приводит к большей величине разности падения напряжения на резистивных элементах. В заявленном устройстве, реализующем способ, информация о мощности измеряемого оптического излучения содержится в аналитической связи величины падения напряжения на постоянном резисторе и разности напряжений, падающих на резистивных элементах. Современные приборы позволяют измерять напряжение с высокой точностью в широких диапазоне, что является необходимым и достаточным условием для реализации цели заявленного изобретения по регистрации малых значений интенсивности лучистого потока металлическими болометрами.As a result, the claimed technical result is ensured by the fact that, in contrast to the prototype, the volt-watt response (sensitivity) of both resistive elements is increased by changing the supply voltage (current) of the resistance circuit, which leads to a larger difference in the voltage drop across the resistive elements. In the claimed device that implements the method, information about the power of the measured optical radiation is contained in the analytical connection of the magnitude of the voltage drop across the constant resistor and the voltage difference incident on the resistive elements. Modern instruments make it possible to measure voltage with high accuracy over a wide range, which is a necessary and sufficient condition for realizing the purpose of the claimed invention for recording small values of the intensity of the radiant flux by metal bolometers.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018112890A RU2677831C1 (en) | 2018-04-09 | 2018-04-09 | Optical radiation power measuring with metal bolometer method and device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018112890A RU2677831C1 (en) | 2018-04-09 | 2018-04-09 | Optical radiation power measuring with metal bolometer method and device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2677831C1 true RU2677831C1 (en) | 2019-01-21 |
Family
ID=65085165
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018112890A RU2677831C1 (en) | 2018-04-09 | 2018-04-09 | Optical radiation power measuring with metal bolometer method and device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2677831C1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5952659A (en) * | 1996-10-22 | 1999-09-14 | Nikon Corporation | Thermal infrared image sensor |
| RU2345334C1 (en) * | 2007-09-03 | 2009-01-27 | Институт мониторинга климатических и экологических систем | Method of measuring of power of laser radiation |
| RU2456559C1 (en) * | 2011-02-09 | 2012-07-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) | Thermal radiation receiver |
-
2018
- 2018-04-09 RU RU2018112890A patent/RU2677831C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5952659A (en) * | 1996-10-22 | 1999-09-14 | Nikon Corporation | Thermal infrared image sensor |
| RU2345334C1 (en) * | 2007-09-03 | 2009-01-27 | Институт мониторинга климатических и экологических систем | Method of measuring of power of laser radiation |
| RU2456559C1 (en) * | 2011-02-09 | 2012-07-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) | Thermal radiation receiver |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Выборнов П.В. Неохлаждаемый болометр на основе Ti50.5Ni49.5 для оптико-электронных измерительных систем, Диссертация на соискание ученной степени кандидата технических наук, Томск, 2017 г. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8499786B2 (en) | Mass flow controller with enhanced operating range | |
| US8504311B2 (en) | Method and mass flow controller for enhanced operating range | |
| CN106289559B (en) | Method for using the temperature drift compensation of the temperature measuring device of thermocouple | |
| EP2154489A1 (en) | Heat flowmeter | |
| US2857569A (en) | Thermal converter | |
| RU2677831C1 (en) | Optical radiation power measuring with metal bolometer method and device | |
| Ligęza | Method of testing fast-changing and pulsating flows by means of a hot-wire anemometer with simultaneous measurement of voltage and current of the sensor | |
| EP3795964B1 (en) | Offset nulling for optical power meters | |
| Brixy | Temperature measurement in nuclear reactors by noise thermometry | |
| JP5057950B2 (en) | Insulation resistance tester | |
| US11340272B2 (en) | Apparatus and method for determining a power value of a target | |
| JPS5852529A (en) | Temperature compensating method of thermopile | |
| JPS61210965A (en) | Measuring equipment for low resistance | |
| Miller | A simple linearized hot-wire anemometer | |
| RU2707757C1 (en) | Method of reducing measurement error of temperature with electric bridge | |
| RU2311621C1 (en) | Device for measuring temperature difference | |
| Richman | A new wideband true rms-to-dc converter | |
| CN111089609A (en) | Sensor circuit with offset compensation | |
| NL8005484A (en) | MAGNETIC FLOW METER WITH AUTOMATICALLY ADJUSTABLE MEASURING RANGE. | |
| RU2251129C2 (en) | Instrument for measuring air humidity | |
| RU2255313C1 (en) | Mode of measuring of temperature and an arrangement to execute it | |
| KR102668952B1 (en) | Device and method for determining the power value of a target | |
| RU2639622C2 (en) | Weber-ampere characteristics measuring device for electrical devices | |
| Yang et al. | Design of a high-precision, high environmental adaptability temperature measurement system for environments with large temperature variations | |
| Nascimento et al. | Output dynamic range of radiometers based on thermoresistive sensors |