ИНФРАКРАСНЫЙ КОЛЛИМАТОР Российский патент 2007 года по МПК G02B27/30 G01M11/02 

Описание патента на изобретение RU2292067C2

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и предназначено для контроля параметров тепловизионных приборов (ТВП).

Известна лабораторная установка для измерения минимальной разрешаемой разности температур (см. Ллойд Д. Системы тепловидения. М., 1978 г., стр.392, 393), представляющая собой коллиматор, содержащий объектив, миру, излучатель, устройство поддержания разности температур между излучателем и мирой, имеющей температуру окружающей среды.

Недостатком данной установки является то, что для поддержания постоянного (заданного) уровня контрастного излучения при изменении температуры окружающей среды оператор должен соответствующим образом изменять разность температур между излучателем и мирой, что сложно, не позволяет оперативно отслеживать колебания температуры окружающей среды и может привести к ошибкам.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) по технической сущности и достигаемому эффекту является инфракрасный коллиматор (свидетельство на полезную модель № 29155, кл. G 02 В 27/30, 2002 г.), содержащий объектив, миру, размещенную в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора перед фоновым излучателем, снабженным нагревателем, устройство измерения температуры окружающей среды, корректор, предназначенный для изменения в соответствии с изменением температуры окружающей среды напряжения на входе устройства поддержания разности температур между фоновым излучателем и окружающей средой, вход которого подключен к выходу корректора, а выход - к нагревателю фонового излучателя. Устройство поддержания разности температур между фоновым излучателем и окружающей средой поддерживает разность температур между фоновым излучателем и окружающей средой, пропорциональную напряжению, подаваемому на вход данного устройства с выхода корректора. Это напряжение представляет собой кусочно-линейную аппроксимацию зависимости (номинальной зависимости) выходного напряжения корректора от температуры окружающей среды, при которой обеспечивается поддержание постоянного (заданного) уровня контрастного излучения. Эта зависимость снимается при калибровке инфракрасного коллиматора во всем рабочем диапазоне температур окружающей среды.

К недостатку данного инфракрасного коллиматора можно отнести сравнительно большую погрешность (до 0,3 К при уровне контрастного излучения 3 К) поддержания уровня контрастного излучения при изменении температуры окружающей среды, обусловленную значительным различием между ломаной линией, аппроксимирующей номинальную зависимость, и самой номинальной зависимостью (т.е. обусловленную погрешностью кусочно-линейной аппроксимации).

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности поддержания уровня контрастного излучения, в результате чего повышается точность контроля основных параметров тепловизионных приборов.

Указанная цель достигается тем, что в инфракрасный коллиматор, содержащий объектив, миру, размещенную в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора перед фоновым излучателем, снабженным нагревателем, датчик температуры окружающей среды, корректор, предназначенный для изменения в соответствии с изменением температуры окружающей среды напряжения на входе устройства поддержания разности температур между фоновым излучателем и окружающей средой, вход которого подключен к выходу корректора, а выход - к нагревателю фонового излучателя, дополнительно введены преобразователь, содержащий последовательно соединенные первый формирователь стабилизированного напряжения, первый элемент сопротивления и второй элемент сопротивления, при этом первый вывод второго элемента сопротивления соединен со вторым выводом первого элемента сопротивления, является первым входом преобразователя и подключен к первому выводу датчика температуры окружающей среды, второй вывод второго элемента сопротивления является вторым входом преобразователя и подключен ко второму выводу датчика температуры окружающей среды, а также второй формирователь стабилизированного напряжения, выход которого подключен к первому входу дифференциального усилителя, второй вход которого подключен к первому входу преобразователя, при этом выход дифференциального усилителя является выходом преобразователя и подключен к входу корректора, а датчик температуры окружающей среды имеет экспоненциальную зависимость сопротивления от температуры.

На фиг.1 представлена функциональная схема инфракрасного коллиматора, на фиг.2 - функциональная схема преобразователя, на фиг.3 - графики выходных напряжений преобразователя, на фиг.4 - графики выходных напряжений корректора и преобразователя.

Инфракрасный коллиматор (фиг.1) содержит объектив 1, миру 2, установленную в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора перед плоскостным фоновым излучателем 3, снабженным нагревателем 4, устройство 5 поддержания разности температур между фоновым излучателем 3 и окружающей средой, выход которого подключен к нагревателю 4, корректор 6, выход которого подключен к входу устройства 5 поддержания разности температур между фоновым излучателем и окружающей средой, преобразователь 7, выход которого подключен к входу корректора 6, датчик температуры окружающей среды 8, имеющий экспоненциальную зависимость сопротивления от температуры, первый вывод которого подключен к первому входу преобразователя 7, а второй вывод - ко второму входу преобразователя 7. На чертеже также показан контролируемый тепловизионный прибор 9.

Преобразователь 7 (фиг.2) содержит последовательно соединенные первый формирователь стабилизированного напряжения 10, первый элемент сопротивления 11 и второй элемент сопротивления 12, при этом первый вывод второго элемента сопротивления 12 соединен со вторым выводом первого элемента сопротивления 11 и является первым входом преобразователя 7, а второй вывод второго элемента сопротивления 12 является вторым входом преобразователя 7, а также второй формирователь стабилизированного напряжения 13, выход которого подключен к первому входу дифференциального усилителя 14, второй вход которого подключен к первому входу преобразователя 7, при этом выход дифференциального усилителя 14 является выходом преобразователя 7.

Работает инфракрасный коллиматор следующим образом. Участки в центральной части рабочей поверхности фонового излучателя 3, не закрытые мирой 2 (которая может быть выполнена, например, в виде зеркального покрытия, нанесенного на всю рабочую поверхность плоскостного фонового излучателя, за исключением нескольких участков в его центральной части, представляющих собой, например, параллельные друг другу полосы, см. вид А фиг.1), расположенной в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора, создают за счет определенного подогрева фонового излучателя 3 и того, что зеркальная мира 2 отражает падающий на нее поток инфракрасного излучения от внутренней поверхности корпуса инфракрасного коллиматора (имеющей температуру, практически равную температуре окружающей среды), контрастный (с определенным уровнем контрастного излучения) поток инфракрасного излучения, который формируется объективом 1 и направляется во входной зрачок исследуемого тепловизионного прибора 9. В тепловизионном приборе 9 контрастное ИК излучение преобразуется в яркостный контраст в видимой области, величина которого пропорциональна уровню контрастного излучения.

Поддержание постоянного уровня контрастного излучения обеспечивается автоматическим изменением в соответствии с изменением температуры окружающей среды напряжения, подаваемого на вход устройства 5 поддержания разности температур между фоновым излучателем и окружающей средой. Изменение этого напряжения осуществляется следующим образом.

Сигнал с датчика 8 температуры подается на вход преобразователя 7. Величина сигнала определяется сопротивлением датчика 8 температуры и протекающим через него током.

Зависимость сопротивления датчика 8 температуры от температуры - экспоненциальная. В качестве датчика 8 температуры может быть использован, например, полупроводниковый датчик типа СТ4-16 ОЖ0.468.169 ТУ. Его сопротивление при температуре Т Кельвина (К) равно

RT=Ro·eB(298-T)/298·T,

где В≈3600,

Rо - сопротивление датчика при 298 К,

е - основание натуральных логарифмов.

Напряжение на первом выводе датчика 8 температуры (без учета входного сопротивления дифференциального усилителя 14, которое у современных операционных усилителей очень велико и может быть больше 109 Ом) равно

причем I11=U10/(R11+R12·RT/(R12+RT)),

где I11 - ток, протекающий через первый элемент сопротивления 11;

R11 - сопротивление первого элемента сопротивления 11;

R12 - сопротивление второго элемента сопротивления 12.

Как видно из формулы 1, при R11≫RT (т.е. ток I11 практически не зависит от RT) и R12≫RT напряжение UT1≈KRT (где К - коэффициент пропорциональности), т.е. зависимость UT1=f1 (Т) будет иметь экспоненциальную форму.

При R11≈RT0 (в этом случае ток I11 будет уменьшаться при увеличении RT) и R12≈10 RT0 (при увеличении RT шунтирующее влияние R12 будет увеличиваться) зависимость UT2=f2 (Т), как показывают расчеты, будет близка к линейной (RT0 - сопротивление датчика 8 температуры при температуре окружающей среды Т0, где Т0 - температура в середине рабочего диапазона температур окружающей среды). Напряжение UT1 (UT2) поступает на второй вход дифференциального усилителя 14, с выхода которого усиленное и смещенное (за счет поступления на первый вход дифференциального усилителя 14 напряжения со второго формирователя стабилизированного напряжения 13) напряжение UП1 (UП2) поступает на вход корректора 6.

Номинальный закон изменения разности температур ΔТН между фоновым излучателем 3 и мирой 2 при изменении температуры окружающей среды Т (номинальный закон изменения напряжения на выходе корректора 6 UKH) индивидуален у каждого инфракрасного коллиматора, но характер зависимостей у всех инфракрасных коллиматоров схожий и в общем случае имеет вид

ΔTH=N/T3 (UKH=M/T3),

где N и М - коэффициенты пропорциональности (см. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов, 1983 г., стр.227, 228).

Зависимость UKH приведена на фиг.3 (график 1). На фиг.3 приведены также зависимости UП1=F1 (Т) и UП2=F2 (Т) (графики соответственно 2 и 3), причем для удобства сравнения они нормализованы, т.е. усилены и смещены так, чтобы они совпадали в точках А и В (т.е. при соответственно минимальном Тmin и максимальном Тmax значении рабочего диапазона температур окружающей среды) с зависимостью UKH.

График 1 фиг.3 находится между графиками 2 и 3, т.е., установив соответствующие значения сопротивлений R11 и R12, коэффициента усиления дифференциального усилителя 14 и выходного напряжения второго формирователя стабилизированного напряжения 13, можно получить реальную зависимость напряжения на выходе преобразователя 7 UПР, близкую к номинальной (требуемой) зависимости UKH.

Напряжение UПР (см. график 1 фиг.4) поступает на вход корректора 6, который обеспечивает повышение точности аппроксимации зависимости UKH (см. график 4 фиг.4) суммированием UПР с корректирующим напряжением Uкорр. (или, при необходимости, суммированием с несколькими корректирующими напряжениями).

Напряжение Uкорр. (см. график 2 фиг.4) получается путем смещения напряжения UПР на величину Uсм. (напряжения, соответствующего температуре окружающей среды Тсм., при которой ошибка аппроксимации Δа=|ТПРКН| становится равной или близкой к максимально допустимому значению ошибки аппроксимации Δад), усиления полученного напряжения UПР (коэффициент усиления, как правило, меньше 1) и детектирования полученной зависимости (обеспечения равенства нулю корректирующего напряжения при температурах окружающей среды, больших Тсм.).

Полученная при суммировании UПР и Uкорр. результирующая зависимость на выходе корректора 6 от температуры окружающей среды UKP (график 3 фиг.4) обеспечивает в случае, приведенном на фиг.4, аппроксимацию зависимости UKH с требуемой точностью во всем рабочем диапазоне температур окружающей среды (Δа≤Δад).

В общем случае формируется и суммируется с UПР такое количество корректирующих напряжений, которое обеспечивает требуемую точность аппроксимации.

На фиг.4 приведена для сравнения зависимость UКЛ (график 5), представляющая собой кусочно-линейную аппроксимацию зависимости UKH (зависимость UKH формируется устройством, не имеющим преобразователь 7, т.е. прототипом рассматриваемого устройства). Погрешность аппроксимации в этом случае (как видно на фиг.4) Δакл значительно больше Δа.

Похожие патенты RU2292067C2

название год авторы номер документа
ИНФРАКРАСНЫЙ КОЛЛИМАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС 2003
  • Бугаенко А.Г.
  • Дедюхин Е.Ф.
  • Зарипов Р.И.
  • Иванов В.П.
  • Кадыров Н.И.
RU2244950C1
ИНФРАКРАСНЫЙ КОЛЛИМАТОР 2011
  • Балоев Виллен Арнольдович
  • Денисов Игорь Геннадьевич
  • Зарипов Ренат Исламович
  • Иванов Владимир Петрович
RU2470335C1
ИНФРАКРАСНЫЙ КОЛЛИМАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС 2013
  • Елагин Николай Игоревич
  • Зарипов Ренат Исламович
  • Курт Виктор Иванович
  • Маркузова Венера Шайхулловна
  • Мирханов Наиль Гакифович
RU2549331C1
ИНФРАКРАСНЫЙ ИМИТАТОР ДВИЖУЩЕЙСЯ ЦЕЛИ 2023
  • Балоев Виллен Арнольдович
  • Иванов Владимир Петрович
  • Денисов Игорь Геннадьевич
  • Зарипов Ренат Исламович
RU2816566C1
ИНФРАКРАСНЫЙ КОЛЛИМАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС 2005
  • Бугаенко Адольф Георгиевич
  • Зарипов Ренат Исламович
  • Иванов Владимир Петрович
  • Курт Виктор Иванович
RU2305305C2
ИНФРАКРАСНЫЙ КОЛЛИМАТОР 2021
  • Балоев Виллен Арнольдович
  • Иванов Владимир Петрович
  • Денисов Игорь Геннадьевич
  • Зарипов Ренат Исламович
RU2779741C1
УСТРОЙСТВО КОНТРАСТНОГО ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 1988
  • Зарипов Ренат Исламович
  • Никитин Юрий Петрович
  • Стрельников Сергей Альбертович
SU1840307A1
УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВИЗИОННЫМИ КАНАЛАМИ 2015
  • Иванов Владимир Петрович
  • Балоев Виллен Арнольдович
  • Денисов Игорь Генадьевич
  • Зарипов Ренат Исламович
RU2605934C1
ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ КАНАЛ 2010
  • Балоев Виллен Арнольдович
  • Денисов Игорь Геннадьевич
  • Зарипов Ренат Исламович
  • Иванов Владимир Петрович
  • Фаткуллин Артур Эдуардович
RU2425463C1
ФОТОМЕТР 1990
  • Терещенко А.Ф.
  • Князев В.А.
RU2007050C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 292 067 C2

Реферат патента 2007 года ИНФРАКРАСНЫЙ КОЛЛИМАТОР

Изобретение может быть использовано для контроля параметров тепловизионных приборов. Инфракрасный коллиматор содержит объектив, миру, размещенную в фокальной плоскости перед фоновым излучателем, датчик температуры окружающей среды, корректор, предназначенный для изменения в соответствии с изменением температуры окружающей среды напряжения на входе устройства поддержания разности температур между фоновым излучателем и окружающей средой, вход которого подключен к выходу корректора, а выход - к нагревателю фонового излучателя. Введен преобразователь, содержащий последовательно соединенные первый формирователь стабилизированного напряжения, первый и второй элементы сопротивления, при этом первый вывод второго элемента сопротивления соединен со вторым выводом первого элемента сопротивления, является первым входом преобразователя и подключен к первому выводу датчика температуры окружающей среды, второй вывод второго элемента сопротивления является вторым входом преобразователя и подключен ко второму выводу датчика температуры окружающей среды, а также второй формирователь стабилизированного напряжения, выход которого подключен к первому входу дифференциального усилителя, второй вход которого подключен к первому входу преобразователя, при этом выход дифференциального усилителя является выходом преобразователя и подключен к входу корректора, а датчик температуры окружающей среды имеет экспоненциальную зависимость сопротивления от температуры. Обеспечивается повышение точности контроля основных параметров тепловизионных приборов за счет повышения точности поддержания уровня контрастного излучения. 4 ил.

Формула изобретения RU 2 292 067 C2

Инфракрасный коллиматор, содержащий объектив, миру, размещенную в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора перед фоновым излучателем, снабженным нагревателем, датчик температуры окружающей среды, корректор, предназначенный для изменения в соответствии с изменением температуры окружающей среды напряжения на входе устройства поддержания разности температур между фоновым излучателем и окружающей средой, вход которого подключен к выходу корректора, а выход - к нагревателю фонового излучателя, отличающийся тем, что в него дополнительно введен преобразователь, содержащий последовательно соединенные первый формирователь стабилизированного напряжения, первый элемент сопротивления и второй элемент сопротивления, при этом первый вывод второго элемента сопротивления соединен со вторым выводом первого элемента сопротивления, является первым входом преобразователя и подключен к первому выводу датчика температуры окружающей среды, второй вывод второго элемента сопротивления является вторым входом преобразователя и подключен ко второму выводу датчика температуры окружающей среды, а также второй формирователь стабилизированного напряжения, выход которого подключен к первому входу дифференциального усилителя, второй вход которого подключен к первому входу преобразователя, при этом выход дифференциального усилителя является выходом преобразователя и подключен к входу корректора, а датчик температуры окружающей среды имеет экспоненциальную зависимость сопротивления от температуры.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2007 года RU2292067C2

Предохранительное приспособление к вертикальным ветряным двигателям с боковою осью их поворота и с боковым поворотным пружинным рулем 1931
  • Попов-Платонов М.М.
SU29155A1
Способ получения медно-графитовой массы для изготовления щеток электрических машин и т.п. изделий 1932
  • Вирник И.Ш.
SU32614A1
Устройство автоматического контроля температуры металла в конвертере 1976
  • Богушевский Владимир Святославович
  • Гончаров Артур Николаевич
  • Сорокин Николай Александрович
  • Соболев Сергей Кузьмич
  • Сердюк Сергей Мусиевич
SU603856A1
US 4588253 A, 13.05.1986.

RU 2 292 067 C2

Авторы

Белозеров Альберт Федорович

Бугаенко Адольф Георгиевич

Зарипов Ренат Исламович

Иванов Владимир Петрович

Кадыров Наиль Ильгизович

Курт Виктор Иванович

Даты

2007-01-20Публикация

2005-03-15Подача