СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК G01N21/59 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения дальности видимости на взлетно-посадочной полосе аэродромов, дымности отработавших газов, качества оптических материалов и жидких сред.

Известен способ измерения показателя ослабления, заключающийся в освещении объекта и преобразовании оптического сигнала, прошедшего через объект, в электрический системой измерения, с дальнейшим определением показателя ослабления. При этом в качестве системы измерения используют прибор, в держателе которого устанавливают объект таким образом, чтобы прошедший через него световой поток полностью попадал на приемник излучения. Отсчет по шкале прибора осуществляют для двух положений объекта, расположенного сначала одной рабочей поверхностью к приемнику излучения, затем другой, при этом объект переустанавливают, вращая вокруг вертикальной оси. Показания по шкале прибора снимают не менее трех раз, принимая за окончательный результат среднее арифметическое полученных отсчетов (ГОСТ 3520-92 Материалы оптические. Методы определения показателей ослабления. - М.: Комитет стандартизации и метрологии СССР, 11-12 с.).

Недостатком описанного способа является ограниченная область применения вследствие возможности определения показателя ослабления для объектов с прозрачными и постоянными в течение времени оптическими свойствами.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ измерения показателя ослабления, заключающийся в освещении объекта и преобразовании оптического сигнала, прошедшего через объект, в электрический системой измерения, установленной по движению света после объекта, с дальнейшим определением показателя ослабления. Между объектом и системой измерения устанавливают линзу. Объект освещают параллельным световым потоком от источника света. Для преобразования оптического сигнала в электрический используют систему измерения в виде фотоэлектрического приемника, помещенного в главном фокусе линзы и соединенного с гальванометром, стрелка которого отмечает число делений шкалы, пропорциональное потоку излучения, падающему на поверхность приемника. Производят несколько измерений, поворачивая при этом одновременно линзу и фотоэлектрический приемник на определенный угол вокруг оси вращения, перпендикулярной плоскости чертежа и проходящей через середину объекта. Осуществляют построение графика линейной зависимости малоуглового рассеяния света от квадрата угла рассеяния. Определяют в дополнение к нескольким показаниям гальванометра ряд значений отклонения указателя, соответствующих случаям падения на фотоэлектрический приемник света, рассеянного мутным объектом, под углом, когда изображение источника на фотоэлемент уже не падает. Эти отклонения наносят на ранее построенный график. Затем с учетом полученного с помощью графика значения показания гальванометра при падении на фотоэлемент потока излучения, падающего на фотоэлектрический приемник без объекта, вычисляют коэффициент пропускания объекта. После чего определяют показатель ослабления с учетом показателей поглощения и рассеяния (Гуревич М.М. Фотометрия. Теория, методы и приборы. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 233-235 с.).

Недостатками описанного способа являются низкая производительность при возрастании значений показателя рассеяния объекта, обусловленная необходимостью проведения нескольких измерений с осуществлением поворотов линзы и фотоэлектрического приемника, построения графика и проведения расчета коэффициента пропускания объекта, визуальным наблюдением за показаниями гальванометра, а также низкая точность измерения показателя ослабления объекта с изменяющимися в течение времени оптическими свойствами за счет значительного увеличения погрешности коэффициента пропускания таких объектов вследствие изменения оптических свойств за время проведения измерений.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения производительности и точности измерения показателя ослабления и расширения области применения.

Для достижения данного технического результата в способе измерения показателя ослабления, заключающемся в освещении объекта и преобразовании оптического сигнала, прошедшего через объект, в электрический системой измерения, установленной по движению света после объекта, с дальнейшим определением показателя ослабления, со стороны объекта, противоположной расположению системы измерения, устанавливают с возможностью контакта с объектом тест-объект, выполненный из расположенных на темном фоне трех групп парных светлых штрихов с высокой, средней и низкой пространственными частотами, для преобразования оптического сигнала в электрический используют систему измерения в виде видеокамеры, подключенной к компьютеру и размещенной от тест-объекта на расстоянии, большем, чем фокусное расстояние объектива видеокамеры, а для определения показателя ослабления предварительно осуществляют настройку системы измерения, используя эталонный объект, при этом после освещения тест-объекта и прохождения света через эталонный объект на экране монитора компьютера системы измерения посредством увеличения объектива видеокамеры создают действительное изображение тест-объекта, на высокой пространственной частоте которого наблюдают нулевой контраст, после чего формируют для действительного изображения профиль оптического сигнала на высокой пространственной частоте с фиксацией наибольшего значения сигнала и профиль оптического сигнала на средней пространственной частоте с фиксацией наименьшего значения сигнала между двумя штрихами, по полученным значениям сигналов вычисляют начальный контраст, затем заменяют эталонный объект на исследуемый и формируют для полученного изображения профиль оптического сигнала на высокой пространственной частоте с фиксацией наибольшего значения сигнала и профиль оптического сигнала на средней пространственной частоте с фиксацией наименьшего значения сигнала между двумя штрихами, по полученным значениям сигналов вычисляют текущий контраст и определяют показатель ослабления по формуле:

где µ - показатель ослабления объекта;

х - линейный размер объекта;

К₀ - начальный контраст;

К - текущий контраст.

Повышение производительности вследствие сокращения числа операций и точности измерения показателя ослабления за счет уменьшения времени проведения измерений, а также расширение области применения способа вследствие возможности измерения показателя ослабления объектов, характеризующихся постоянными и изменяющимися в течение времени оптическими свойствами, достигается тем, что со стороны объекта, противоположной расположению системы измерения, устанавливают с возможностью контакта с объектом тест-объект, выполненный из расположенных на темном фоне трех групп парных светлых штрихов с высокой, средней и низкой пространственными частотами, для преобразования оптического сигнала в электрический используют систему измерения в виде видеокамеры, подключенной к компьютеру и размещенной от тест-объекта на расстоянии, большем, чем фокусное расстояние объектива видеокамеры, а для определения показателя ослабления предварительно осуществляют настройку системы измерения, используя эталонный объект, при этом после освещения тест-объекта и прохождения света через эталонный объект на экране монитора компьютера системы измерения посредством увеличения объектива видеокамеры создают действительное изображение тест-объекта, на высокой пространственной частоте которого наблюдают нулевой контраст, после чего формируют для действительного изображения профиль оптического сигнала на высокой пространственной частоте с фиксацией наибольшего значения сигнала и профиль оптического сигнала на средней пространственной частоте с фиксацией наименьшего значения сигнала между двумя штрихами, по полученным значениям сигналов вычисляют начальный контраст, затем заменяют эталонный объект на исследуемый и формируют для полученного изображения профиль оптического сигнала на высокой пространственной частоте с фиксацией наибольшего значения сигнала и профиль оптического сигнала на средней пространственной частоте с фиксацией наименьшего значения сигнала между двумя штрихами, по полученным значениям сигналов вычисляют текущий контраст и определяют показатель ослабления по формуле:

где µ - показатель ослабления объекта;

х - линейный размер объекта;

К₀ - начальный контраст;

К - текущий контраст.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 - схема устройства измерения показателя ослабления, предназначенного для реализации предлагаемого способа;

на фиг.2 - оптический сигнал с программным выделением области штрихов с высокой пространственной частотой в изображении эталонного объекта, общий вид;

на фиг.3 - оптический сигнал с программным выделением области штрихов со средней пространственной частотой в изображении эталонного объекта, общий вид;

на фиг.4 - оптический сигнал с программным выделением области штрихов с высокой пространственной частотой в изображении исследуемого объекта, общий вид;

на фиг.5 - оптический сигнал с программным выделением области штрихов со средней пространственной частотой в изображении исследуемого объекта, общий вид;

на фиг.6 и 7 - профили оптических сигналов в виде графиков зависимости распределения сигнала от пространственных частот для изображения эталонного объекта;

на фиг.8 и 9 - профили оптических сигналов в виде графиков зависимости распределения сигнала от пространственных частот для изображения исследуемого объекта.

Кроме этого, на чертеже дополнительно изображено следующее:

на фиг.6, 7 цифры 0,63; 0,01 обозначают наибольшее и наименьшее значения сигналов для эталонного объекта; на фиг.8, 9 цифры 0,28; 0,04 обозначают соответственно наибольшее и наименьшее значения сигналов для исследуемого объекта.

Устройство для измерения показателя ослабления (фиг.1) содержит объект 1, в качестве которого могут быть использованы: воздушная среда, например атмосферный или чистый воздух, жидкости, например морская или водопроводная вода, твердые тела, например кристаллы, оптическое стекло, прозрачная пластмасса, а также систему измерения в виде видеокамеры 2, подключенной к компьютеру, который состоит, в частности, из системного блока 3 и монитора 4. Со стороны объекта 1, противоположной расположению системы измерения, устанавливают тест-объект 5, выполненный из расположенных на темном фоне трех групп парных светлых штрихов с высокой, средней и низкой пространственными частотами. При этом коэффициент заполнения для трех групп парных светлых штрихов должен быть одинаковым и иметь значение не менее 0,7. Коэффициент заполнения определяется как отношение ширины штриха к расстоянию между центрами штрихов. Ширина каждого штриха a₁ (не показаны) в группе парных штрихов с высокой пространственной частотой так соотносится с шириной каждого штриха а₂ в группе парных штрихов со средней пространственной частотой и с шириной каждого штриха а₃ в группе парных штрихов с низкой пространственной частотой, как

Указанные условия обеспечивают высокую чувствительность системы измерения. При этом для измерения показателя ослабления при формировании светового потока от источника света светлые штрихи тест-объекта 5 могут быть выполнены в виде прорезей, а при использовании естественного освещения - нанесены белой краской на черную поверхность тест-объекта. Видеокамеру 2 размещают от тест-объекта 5 на расстоянии (х), большем, чем фокусное расстояние ее объектива, что позволяет получить действительное изображение тест-объекта.

Способ измерения показателя ослабления осуществляется следующим образом.

Световой поток от источника света (не показан), проходя через тест-объект 5 или отражаясь от него естественным дневным светом, освещает объект 1, в качестве которого может быть использована воздушная среда, находящаяся в стеклянной кювете, длина которой равна (х).

Преобразование оптического сигнала в электрический осуществляют посредством системы измерения.

Для определения показателя ослабления предварительно осуществляют настройку системы измерения. Для этого в качестве объекта 1 используют эталонный объект, например чистый атмосферный воздух в стеклянной кювете. После освещения тест-объекта 5 и прохождения света через объект 1 объектив видеокамеры 2 формирует на поверхности ПЗС-фотоприемника видеокамеры 2 действительное изображение тест-объекта 5. ПЗС-фотоприемник видеокамеры 2 преобразует оптический сигнал в электрический и посредством системного блока 3 компьютера передает его на экран монитора 4, который в свою очередь преобразует электрический сигнал в оптический в виде изображения тест-объекта 5. При этом на экране монитора 4 компьютера посредством увеличения в ручном режиме объектива видеокамеры 2 создают действительное изображение тест-объекта 5, на высокой пространственной частоте которого наблюдают нулевой контраст (не показан). Нулевой контраст характеризует такое изображение, при котором два светлых штриха сливаются и между ними пропадает темный промежуток. Измерения производят при нормальных условиях согласно (ГОСТ 8.395-80 Государственная система обеспечения единства измерений. Нормальные условия измерений и ГОСТ 12997-84. Изделие ГСП. Общие технические условия).

После чего с помощью программного обеспечения формируют для действительного изображения (фиг.2, 3) профиль оптического сигнала на высокой пространственной частоте с фиксацией наибольшего значения сигнала S_{0 max} (фиг.6) и профиль оптического сигнала на средней пространственной частоте с фиксацией наименьшего значения сигнала S_{0 min} между двумя штрихами (фиг.7).

По полученным значениям сигналов вычисляют начальный контраст К₀ (ГОСТ 21815.-90 Преобразователи электронно-оптические. Метод измерения пространственной частотно-контрастной характеристики, 3 с.) по формуле:

Значение начального контраста К₀ является эталонным и сохраняется в памяти компьютера.

Затем заменяют эталонный объект 1 на исследуемый. В частности, стеклянную кювету заполняют исследуемой воздушной средой, которая может находиться как в стационарном состоянии, представляя собой объект 1 с постоянными оптическими свойствами, так и в движении, когда объект 1 характеризуется изменяющимися в течение времени свойствами, и проводят аналогичные измерения. Формируют для полученного изображения (фиг.4, 5) профиль оптического сигнала на высокой пространственной частоте с фиксацией наибольшего значения сигнала S_{т max} (фиг.8) и профиль оптического сигнала на средней пространственной частоте с фиксацией наименьшего значения сигнала S_{т min} (фиг.9). По полученным значениям сигналов определяют текущий контраст К:

Определяют показатель ослабления µ исследуемой воздушной среды в стеклянной кювете по формуле:

Предлагаемым способом просто, удобно и с высокой производительностью можно проводить измерение показателя ослабления объектов с постоянными и изменяющимися во времени свойствами, причем время измерения зависит от мощности применяемого компьютера и может составлять микросекунды.

При этом в предлагаемом способе уменьшение значения сигнала в изображении тест-объекта на высокой и средней пространственных частотах происходит за счет поглощающих свойств исследуемого объекта. Увеличение значения сигнала между двумя штрихами на средней пространственной частоте происходит за счет рассеивающих свойств объекта. В совокупности оба значения сигнала полностью характеризуют показатель ослабления. Фиксация наибольшего значения сигнала на высокой пространственной частоте, а наименьшего значения - на средней пространственной частоте позволяет повысит чувствительность предлагаемого способа измерения показателя ослабления.

Третья группа парных светлых штрихов с низкой пространственной частотой тест-объекта необходима для увеличения диапазона измерения показателя ослабления. При высоком показателе ослабления среды уровень наибольшего значения сигнала на высокой пространственной частоте может оказаться очень низким. В этом случае процесс измерения выполняется аналогично, но с использованием групп парных светлых штрихов со средней и низкой пространственными частотами. Это увеличивает точность измерения показателя ослабления и позволяет использовать способ в различных условиях.

Таким образом, предлагаемый способ измерения показателя ослабления прост и удобен в применении, обеспечивает повышение производительности и точности измерения и позволяет расширить область применения.

Способ измерения показателя ослабления, заключающийся в освещении объекта и преобразовании оптического сигнала, прошедшего через объект, в электрический системой измерения. Со стороны объекта, противоположной расположению системы измерения, устанавливают с возможностью контакта с объектом тест-объект, выполненный из расположенных на темном фоне трех групп парных светлых штрихов с высокой, средней и низкой пространственными частотами. Для преобразования оптического сигнала в электрический используют систему измерения в виде видеокамеры, подключенной к компьютеру и размещенной от тест-объекта на расстоянии, большем фокусного расстояния объектива видеокамеры. Осуществляют настройку системы измерения, используя эталонный объект, при этом после освещения тест-объекта и прохождения света через эталонный объект на экране монитора создают действительное изображение тест-объекта, на высокой пространственной частоте которого наблюдают нулевой контраст. Формируют для действительного изображения профиль сигнала на высокой пространственной частоте с фиксацией наибольшего значения сигнала и на средней частоте с фиксацией наименьшего значения сигнала между двумя штрихами. По полученным значениям сигналов вычисляют начальный контраст. Заменяют эталонный объект на исследуемый и проводят аналогичные измерения, по данным которых определяют показатель ослабления по формуле:

где µ - показатель ослабления объекта; х - линейный размер объекта; К₀ - начальный контраст; К - текущий контраст. Технический результат - повышение производительности и точности измерений, расширение области применения. 9 ил.

Способ измерения показателя ослабления, заключающийся в освещении объекта и преобразовании оптического сигнала, прошедшего через объект, в электрический системой измерения, установленной по движению света после объекта, с дальнейшим определением показателя ослабления, отличающийся тем, что со стороны объекта, противоположной расположению системы измерения, устанавливают с возможностью контакта с объектом тест-объект, выполненный из расположенных на темном фоне трех групп парных светлых штрихов с высокой, средней и низкой пространственными частотами, для преобразования оптического сигнала в электрический используют систему измерения в виде видеокамеры, подключенной к компьютеру и размещенной от тест-объекта на расстоянии, большем, чем фокусное расстояние объектива видеокамеры, а для определения показателя ослабления предварительно осуществляют настройку системы измерения, используя эталонный объект, при этом после освещения тест-объекта и прохождения света через эталонный объект на экране монитора компьютера системы измерения посредством увеличения объектива видеокамеры создают действительное изображение тест-объекта, на высокой пространственной частоте которого наблюдают нулевой контраст, после чего формируют для действительного изображения профиль оптического сигнала на высокой пространственной частоте с фиксацией наибольшего значения сигнала и профиль оптического сигнала на средней пространственной частоте фиксацией наименьшего значения сигнала между двумя штрихами, по полученным значениям сигналов вычисляют начальный контраст, затем заменяют эталонный объект на исследуемый и формируют для полученного изображения профиль оптического сигнала на высокой пространственной частоте с фиксацией наибольшего значения сигнала и профиль оптического сигнала на средней пространственной частоте с фиксацией наименьшего значения сигнала между двумя штрихами, по полученным значениям сигналов вычисляют текущий контраст и определяют показатель ослабления по формуле:

где µ - показатель ослабления объекта;
х - линейный размер объекта;
К₀ - начальный контраст;
К - текущий контраст.