SU1198387A1 - Способ измерений оптических характеристик объектов - Google Patents

Abstract

1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЙ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЪЕКТОВ, заключающийс  в том, что световой поток формируют в опорный и измерительный каналы , помещают исследуемый объект в измерительный канал, измер ют разность интенсивностей излучени  на выходе обоих каналов и рассчитывают оптические характеристики объекта, отличающийс   тем, что, с целью повьгщени  точности измерений, дополнительно регистрируют интенсивность излучени  в опорном канале, разность интенсивностей в каналах нормируют на интенсивность в опорном канале , повтор ют все измерени  в отсутствие исследуемого объекта в измерительном канале, а величину А относительного ослаблени  света o6bekTOM определ ют по формуле b(J/U, ,/и,, где д Ug Ни и о, - соответственно разность интенсивностей в каналах и велшшна интенсивности в опорном канале без объекта в измерительном канапе; uU и О, - соответствующие величины с объектом в измерительном канале. 2. Способ поп. l,oтл.ичaющ и и с   тем, что, с целью получени  максимальной точности, перед проведением измерений величин дУ, , U,, Uo определ ют наименьшее врем  ut нечувствительности величины л и к дрейфу, при этом измерени  начинают после того, как в результате дрейфа последовательно измен етс  регистрируема  величина интенсивности излучени  в опорном канале и регистрируема  величина разности интенсивностей излучени , измерени  провод т в течение времени , не превышающего fli , а интенсивность светового потока выбирают не более величины Alal-D/SuA , 00 где D динамический диапазон изменесо ний интенсивности светового по00 тока за врем  Д ; 1 и 5 дА соответственно щумовой ток и чувствительность примен емого регистратора; требуема  погрещность измерений величины А

Description

1 Изобретение относитс  к технике фотометрии и может найти применение дл  измерений характеристик поглощени , отражени  и рассе ни  света. Цель изобретени  - повышение точности измерений. На чертеже изображено устройство, реали зующее прешагаемый способ при измерени х пропускани  образцов. Устройство состоит из блока 1 питани , источника 2 света, системы 3 формировани  излучени , светоделител  4, фотодиодов 5 и 6 (например, кремниевые фотодиоды SP-103), операционных усилителей 7 и 8 (например, операционные усилители К 544 УД1), .вольтметров 9 и 10 (например , В7-23), сопротивлений И и 12 обрат ной св зи операционного усилител  (например , R 9 МОм), а между светоделителем 4 и фотодиодом 5 помещаетс  исследуемый объект 13. Способ осуществл етс  следующим образом . Излучение источника 2 света, питаемого блоком 1, формируетс  системой 3 и разд л етс  светоделителем 4 на измерительньп и опорный каналы, пртем излучение в измерительном канале детектируетс  фотодиодом 5, излучение в опорном канале - фотодиодом 6. Сигналы с выходов обоих фотодиодов усиливаютс  идентичными операционными усилител ми 7 и 8, имеющими одинаковые сопротивлени  обратной св  зи, и поступают на два входа измерител  9 разности сигналов, причем сигнал фотодетектора опорного канала поступает также на вход другого измерител  10. Оба измерени  начинают и заканчивают одновременн Измер ютс  одновременно разность AUp интенсивно интенсивностеи и величина ти без объекта в измерительном канале. Затем в измерительный канал помещаетс  объект 13 измерений и фиксируютс  соответствующие величины Л и и и, . Все измерени  прово;д тс  за врем  й нечувствительности величины U U к дрейфу, которое определ етс  предварительно. Так, при U,- 10,380 В интервал времени ut нечувствительности разности сигналов к дрейфу составл л не менее 45 с, а интервал .времени Л нечувствительности оп ного сигнала к дрейфу - не менее 130 с При этом интервал времени ui посто нства величины А зависит от совместного вли ни  двух дискретных сигналов U, и д U , Д - U i , за исключением случаев, когда увеличение U, и л U в результате дрейфа на одну единицу младшего разр да происходит неодновременно. 7 Дл  обеспечени  минимальной погрешности определени  А измерени  следует начинать сразу же после того, как измен ютс  последовательно цифры (J о и л и , и проводить их в течение времени и { 45 с. В этом случае погрешность измерений А равна J А :5ЧО. Поскольку система регистрации обеспечивает п ть измерений в секунду, то при л{ 40 с можно определить А в двухстах точках спектра. Если йЧ 45 с, возникает дополнительна  погрешность за счет дрейфа, растуща  с увеличением времени измерений. Дрейф можно частично скомпенсировать либо по аналоговому, либо по цифровому сигналу, либо по интенсивности света посредством оптического клина. Компенсацию проводили с помощью средней скорости дрейфа (0, ) путем уменьшени  цифры Л на единицу младшего разр да через 80 с. При этом отклонение А от нул  при максимальной и минимальной скорост х дрейфа не превышает ±2-10 в любой момент времени в гече- . ние 7 мин т.е. с учетом ошибки дискретизации J Д - t2,5 . Когда дрейф не . учитываетс , за 7 мин, а процесс измерений  вл етс  наиболее простым. Дл  по снени  сути способа покажем, что операци  выбора наименьшего времени Jit нечувствительности разностного сигнала к дрейфу  вл етс  характерной дл  предлагаемого способа, а не определ етс  примен емой системой регистрации света . Из проведенных измерений, следует, что наблюдаемый дрейф пропорционален величине протекающего через фотодиод (ФД) фототока. Так, при отключении ФД и подаче на вход операционного усилител  (ОУ) стабилизированного напр жени  дрейф в пределах погрешности измерений JA 10 отсутствовал, при подключении защищенного от воздействи  света ФД с темновым фототоком А дрейф составил 2 10, при засветке ФД, обеспечивающей фото ток. 10 А, дрейф составил 6010 (измерени  дрейфа во всех случа х проводились в течение 1 ч через 2 ч после включени  аппаратуры). Эту особенность обнаруженного дрейфа можно объ снить следующим образом. Поскольку спектральна  плотность шума вида 1/1 растет с уменьшением частоты, -дрейф можно рассматривать как шум ввда 1/ на очень низких частотах (i & 0,0J Гц). Известно, что величина этого шума пропорциональна  величине протекающего через элемент тока. Таким образом, характеристики дрейфа

определ ютс  интенсивностью источника

света, а не примен емой аппаратурой. I . ,

Измер ема  по способу величина .А определ етс  двум  сигналами с различными характеристиками дрейфа (если бы измер емой величиной была разность сигналов.

MJ , то измерени  следовало бы начинать сразу после того, как изменитс  показание измерител  разности на 1 ЕМР (единица младшего разр да), и указанные операции были бы тривиальными), вследствие чего необходимо определ ть: дрейф какого из двух измер емых сигналов определ ет дрейф величины их отношени ; врем  начала и конца измерений; продолжительность измерений . Кроме того, ввести пон тие врем 

At нечувствительности измер емой величины к дрейфу можно лишь дл  дрейфа с высоким посто нством, что имеет место , дл  дрейфа, определ емого велшшной сигнала.

(при наличии дрейфа в системе регистрациисвета h. - О, так как причины дрейфа и степень их вли ни  на прибор измен ютс  со временем, иначе их компенсацию можно было бы осуществить в самой аппаратуре в процессе ее разработки).

Таким образом, вводить минимальное врем  &t нечувствительности измер емой величины к дрейфу оказалось необходимым и- возможным лишь в предлагаемом способе , в котором в отличие от известных способов ограничивающим фактором  вл етс  дрейф, завис щий от величины сигнала. Кроме того, необходимость определени  времени начала; измерений и их продолжительности обусловлена тем, что определ ема  величина рассчитываетс  на основазши двух измеренных сигналов с различными характеристиками дрейфа. То, что u-t представл ет собой врем  нечувствительности разностного сигнала к дрейфу, обусловлено примен емым способом регистрации А . Кроме того, скорость дрейфа зависит от интенсивности излучател .

Пункт 2 формулы представл ет собой способ получени  максимального времени измерений с минимальной погрешностью, которую можно получить в зависимости от необходимой погрешности измерений JA , Зфови  компенсации фототоков Н , шумового тока фотоприемника 1ц, . чувствительности фотоприемника 5 и динамического

11983874

диапазона иитенсивностей 3 . Поскольку

A«t-k(l-4U/U,,

гДе (i-uUjU,,).i/(,-v)

(обычно N ;ё 0,1 И представл ет собой посто нную аппаратуры),

то

jA.

L ли. и, J

15 Счита  чувствительности обоих измерителей одинаковыми, получим

&U/U,M/I,,

- где А и I, - соответственно разность фототоков и фототок в опорном канале. Анапогич1ю

clU,/U, cJI,/I,,j(bU)(6l)/Al.

25

Считаем, что фототоки обоих детекторов близки: Т, « Гг Т. Тогда дл  уменьшеНИН дрейфа I должен быть минимален, а следовательно, должн быть минимальной интенсивность излучахел 

Р 8т -1 А /5 А/вт1,

т.е. За минимальное значение V . ,примем такую его величину Рмин. Р которой погрешность измерений определ етс  ш)мовым токов детектора 1 , т.е. ,1ш,(Ы) -Ii, (в размоет40 ном сигнале шумы обоих детекторов складьт ваютс  по квадратичному закону). Тогда

1ы Ja-Iu, -wи7Г Г)(7:)ф:5

45Т Т

. Ми J-U) ,.

так как i (.М). . Учтем, что

интенсивность излу1ател  за врем  измсре- , .НИИ может измен тьс  вВ Р ддцс/Рмии Р) г 50 :тогда

4.Iy.I)

{l-N)5-dA

tia

Claims (2)

1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЙ ОПТИ-

ЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЪЕКТОВ, заключающийся в том, что световой поток формируют в опорный и измерительный каналы, помещают исследуемый объект в измерительный канал, измеряют разность интенсивностей излучения на выходе обоих каналов и рассчитывают оптические характеристики объекта, отличающийс я тем, чго, с целью повышения точности измерений, дополнительно регистрируют интенсивность излучения в опорном канале, разность интенсивностей в каналах нормируют на интенсивность в опорном канале, повторяют все измерения в отсутствие исследуемого объекта в измерительном канале, а величину А относительного ослабления света объектом определяют по формуле ' _{k t} 1-bU/U, ^Ae'aU_o/U_0i ’ где Δ U_o и a U _ot - соответственно разность интенсивностей в каналах и величина интенсивности в опорном канале без объекта в измерительном канале;

Λ И и Щ — соответствующие величины с объектом в измерительном канале.

2. Способ по π. 1, о т л. и чающийся тем, что, с целью получения максимальной точности, перед проведением измерений величин дЦ, δΗ_Οι (j_}) Ц₀₁ определяют наименьшее время л! нечувствительности величины к дрейфу, при этом измерения начинают после того, как в результате дрейфа последовательно изменяется регистрируемая величина интенсивности излучения в опорном канале и регистрируемая величина разности интенсивностей излучения, измерения проводят в течение времени, не превышающего Δί , а интенсивность светового потока выбирают не более величины <2l D/5aA , где Л - динамический диапазон изменений интенсивности светового потока за время ;

1 и 5 - соответственно шумовой ток и чувствительность применяемого регистратора;

дА — требуемая погрешность измерений величины А

Л98387

1198387 2