ИНФРАКРАСНЫЙ КОЛЛИМАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС Российский патент 2015 года по МПК G02B27/30 G01M11/02 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и предназначено для контроля и измерения параметров тепловизионных приборов.

Известен инфракрасный коллиматорный комплекс (Патент РФ №2244950, МПК G02B 27/30, опубликован 20.01.2005 г.), содержащий объектив, сменную миру, расположенную в фокальной плоскости объектива, фоновый излучатель, расположенный за мирой и снабженный исполнительным элементом, устройство управления, устройство измерения температуры миры и устройство измерения разности температур между фоновым излучателем и мирой.

Недостаток этого инфракрасного коллиматорного комплекса заключается в том, что при изменении температуры миры автоматическое изменение разности температур между фоновым излучателем и мирой по закону, полученному при калибровке инфракрасного коллиматорного комплекса, не обеспечивает высокую точность поддержания уровня контрастного излучения при длительной непрерывной работе, когда происходит постепенный нагрев или охлаждение миры за счет передачи ей тепла или холода от расположенного рядом с ней фонового излучателя, и появляется разность температур между мирой и окружающей средой, влияющая на уровень контрастного излучения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является инфракрасный коллиматорный комплекс (Патент РФ №2305305 МПК G02B 27/30, МПК G01M 11/02 опубликован 27.08.2007 г.), содержащий объектив, сменную миру, расположенную в фокальной плоскости объектива, фоновый излучатель, расположенный за мирой и снабженный исполнительным элементом, устройство управления, выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя, процессор температурный, выход которого подключен к входу устройства управления, устройство измерения температуры миры, выход которого подключен к первому входу процессора температурного.

Подобный инфракрасный коллиматорный комплекс автоматически учитывает помимо разности температур между фоновым излучателем и мирой и температуры миры еще и разность температур между мирой и окружающей средой.

Недостатком данного инфракрасного коллиматорного комплекса является наличие остаточной некомпенсируемой погрешности поддержания заданного уровня контрастного излучения, связанной с тепловым воздействием на миру фонового излучателя. Данная остаточная погрешность не может быть скомпенсирована коррекцией величины разности температур между фоновым излучателем и мирой и вызвана в основном неравномерностью нагрева или охлаждения различных участков миры, обусловленной конструктивными особенностями миры (различной величиной теплоотдачи участков, например, в центре и по краям миры и т.д.). Данная остаточная погрешность в процессе теплового воздействия фонового излучателя на миру будет изменяться и при длительной непрерывной работе, может достигать величины порядка 8…15 мК, что в ряде случаев неприемлемо.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности поддержания уровня контрастного излучения.

Указанная задача решается тем, что в инфракрасном коллиматорном комплексе, содержащем объектив, сменную миру, расположенную в фокальной плоскости объектива, фоновый излучатель, расположенный за мирой и снабженный исполнительным элементом, устройство управления, выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя, процессор температурный, выход которого подключен к входу устройства управления, устройство измерения температуры миры, выход которого подключен к первому входу процессора температурного, сменная мира выполнена зеркальной и установлена под углом к оси объектива, обеспечивающим отражение вдоль оси объектива потока инфракрасного излучения, поступающего на миру от дополнительно введенного опорного излучателя, снабженного устройством измерения температуры опорного излучателя, выход которого подключен ко второму входу процессора температурного, а также введены первое и второе устройства измерения температуры фонового излучателя, выходы которых подключены соответственно к третьему и четвертому входам процессора температурного.

А также тем, что процессор температурный содержит устройство сопряжения, первый, второй и третий входы которого являются соответственно первым, вторым и третьим входами процессора температурного, компьютер, шина ввода-вывода которого соединена с шиной ввода-вывода устройства сопряжения, цифроаналоговый преобразователь, вход которого соединен с выходом устройства сопряжения, а выход подключен к первому входу дифференциального усилителя, второй вход которого является четвертым входом, а выход является выходом процессора температурного.

На рисунке представлена функциональная схема инфракрасного коллиматорного комплекса.

Инфракрасный коллиматорный комплекс содержит объектив 1, сменную миру 2, расположенную в фокальной плоскости объектива 1, фоновый излучатель 3, расположенный за мирой 2 и снабженный исполнительным элементом 4, устройство управления 5, выход которого подключен к исполнительному элементу 4 фонового излучателя 3, процессор температурный 6, выход которого подключен к входу устройства управления 5, устройство 7 измерения температуры миры 2, выход которого подключен к первому входу процессора температурного 6, при этом мира выполнена зеркальной и установлена под углом к оси объектива 1, обеспечивающим отражение вдоль оси объектива 1 потока инфракрасного излучения, поступающего от опорного излучателя 8, устройство 9 измерения температуры опорного излучателя 8, выход которого подключен ко второму входу процессора температурного 6, первое устройство 10 и второе устройство 11 измерения температуры фонового излучателя 3, выходы которых подключены соответственно к третьему и четвертому входам процессора температурного 6.

Сменная мира может представлять собой, например, непрозрачную пластину, имеющую зеркальное покрытие рабочей, обращенной к объективу 1 поверхности, в центральной части которой есть ряд параллельных друг другу сквозных прорезей, ширина которых и интервал между которыми равны и у каждой из мир имеют свою величину (см. вид А).

Процессор температурный 6 содержит устройство 12 сопряжения, первый, второй и третий входы которого являются первым, вторым и третьим входами процессора температурного 6, компьютер 13, в память которого занесены зависимости уровня контрастного излучения от разности температур между фоновым излучателем 3 и опорным излучателем 8 и температуры опорного излучателя 8, полученные при калибровке инфракрасного коллиматорного комплекса, шина ввода-вывода которого соединена с шиной ввода-вывода устройства 12 сопряжения, цифроаналоговый преобразователь 14, вход которого соединен с выходом устройства сопряжения 12, а выход подключен к первому входу дифференциального усилителя 15, второй вход которого является четвертым входом, а выход является выходом процессора температурного 6.

Перед объективом 1 располагают контролируемый тепловизионный прибор 16.

Работает инфракрасный коллиматорный комплекс следующим образом.

Участки в центральной части рабочей поверхности фонового излучателя 3, не закрытые сменной мирой 2, расположенной в фокальной плоскости объектива 1, создают за счет определенного нагрева или охлаждения фонового излучателя 3 и того, что опорный излучатель 8, поток излучения которого отражается зеркальной поверхностью миры 2, имеет температуру, практически равную температуре окружающей среды, контрастный поток инфракрасного излучения, который формируется объективом 1 и в виде контрастного коллимированного потока инфракрасного излучения поступает во входной зрачок контролируемого тепловизионного прибора 16. Для выхода на требуемый уровень контрастного излучения и его поддержания процессор температурный 6 по сигналам, поступающим на его второй и третий входы соответственно с устройства 9 измерения температуры опорного излучателя 8 и первого устройства 10 измерения температуры фонового излучателя 3, периодически определяет температуру опорного излучателя 8 и фонового излучателя 3 и рассчитывает разность между ними. Непосредственное точное измерение разности температур между фоновым излучателем 3 и опорным излучателем 8 сложно ввиду большого расстояния между ними (до 2... 3 метров) и связанными с этим значительными помехами и погрешностями из-за большой длины проводов от датчика температуры фонового излучателя 3 и датчика температуры опорного излучателя 8 (датчики температуры на рисунке не показаны). Температура опорного излучателя 8 равна температуре окружающей среды и практически не изменяется в процессе работы инфракрасного коллиматорного комплекса ввиду отсутствия влияния на него фонового излучателя 3 из-за значительного расстояния между ними. По заданному оператором требуемому уровню контрастного излучения и измеренному значению температуры опорного излучателя 8 процессор температурный 6 периодически вычисляет соответствующее им текущее начальное требуемое значение разности температур между фоновым излучателем 3 и опорным излучателем 8 и, учитывая измеренное значение температуры опорного излучателя 8, требуемое начальное значение температуры фонового излучателя 3 при текущем значении температуры опорного излучателя 8, обеспечивающее требуемый уровень контрастного излучения для случая равенства температур миры 2 и опорного излучателя 8.

Для поддержания требуемого уровня контрастного излучения при длительной непрерывной работе, когда происходит нагрев или охлаждение миры 2, за счет влияния на нее расположенного рядом с ней фонового излучателя 3, необходимо в процессе работы периодически корректировать величину разности температур между фоновым излучателем 3 и опорным излучателем 8 путем изменения температуры фонового излучателя 3. Осуществляется это следующим образом.

Процессор температурный 6 по сигналам, поступающим на его первый вход с устройства 7 измерения температуры миры 2 и его второй вход с устройства 9 измерения температуры опорного излучателя 8, вычисляет текущую разность температур миры 2 и опорного излучателя 8. Затем по предварительно заложенной в процессор температурный 6 зависимости корректирующего смещения разности температур между фоновым излучателем 3 и опорным излучателем 8 от величины разности температур миры 2 и опорного излучателя 8, а также абсолютного значения температуры опорного излучателя 8 процессор температурный 6 периодически вычисляет текущую величину необходимого корректирующего смещения, соответствующего текущей разности температур между мирой 2 и опорным излучателем 8 при текущем значении температуры опорного излучателя 8. Зависимость корректирующего смещения от разности температур миры 2 и опорного излучателя 8 и от абсолютного значения температуры фонового излучателя 8 определяется расчетным путем или эмпирически, отдельно для каждой из сменных мир 2, т.к. оптические характеристики мир 2, например коэффициент отражения, могут быть различными. Выбор нужной зависимости осуществляется процессором температурным 6 автоматически по номеру установленной им в рабочее положение миры 2.

Далее процессор температурный 6 вычисляет текущее результирующее требуемое значение разности температур между фоновым излучателем 3 и опорным излучателем 8 как сумму текущего начального требуемого значения разности температур между фоновым излучателем 3 и опорным излучателем 8 и текущего корректирующего смещения, затем по вычисленному результирующему требуемому значению разности температур между фоновым излучателем 3 и опорным излучателем 8 рассчитывает результирующее требуемое значение температуры фонового излучателя 3. Это значение процессор температурный 6 сравнивает с помощью входящего в его состав цифроаналогового преобразователя 14 и дифференциального усилителя 15 с фактическим значением температуры фонового излучателя 3, соответствующее которому напряжение поступает на четвертый вход процессора температурного 6 с выхода второго устройства 11 измерения температуры фонового излучателя 3. С выхода дифференциального усилителя 15 сигнал поступает на вход устройства 5 управления и после соответствующего преобразования с его выхода подается в виде соответствующего напряжения на исполнительный элемент 4 фонового излучателя 3, чем обеспечивается поддержание температуры фонового излучателя 3, равной требуемому результирующему значению, что обеспечивает с определенной погрешностью поддержание требуемого уровня контрастного излучения.

Погрешность поддержания требуемого значения уровня контрастного излучения в рассматриваемых высокоточных инфракрасных коллиматорных комплексах в значительной степени зависит от степени компенсации влияния разности температур миры 2 и окружающей среды (температуры опорного излучателя 8).

В рассматриваемом инфракрасном коллиматорном комплексе и комплексе по патенту №2305305 сменные миры 2 располагаются рядом с фоновым излучателем 3, и их нагрев (охлаждение) за счет теплового влияния фоновых излучателей 3 примерно одинаков. Однако в рассматриваемом инфракрасном коллиматорном комплексе мира имеет зеркальное покрытие, коэффициент отражения которого практически всегда выше, чем степень черноты зачерненной миры инфракрасного коллиматорного комплекса по патенту №2305305. Например, покрытие золотом обеспечивает коэффициент отражения порядка 0,99, а покрытие одной из лучших практически используемых черных эмалей ВМС-278 обеспечивает степень черноты не более 0,93.

В связи с этим влияние перегрева (переохлаждения) миры 2 на излучаемый ею поток инфракрасного излучения и в итоге влияние на уровень контрастного излучения на оптическом выходе рассматриваемого инфракрасного коллиматорного комплекса с мирой 2, имеющей зеркальное покрытие, будет значительно (до 7 раз) ниже, чем у инфракрасного коллиматорного комплекса по патенту №2305305, имеющего черную незеркальную миру.

Это позволяет более точно скомпенсировать погрешность, связанную с общим перегревом или переохлаждением миры 2 в целом относительно окружающей среды, т.е. опорного излучателя 8 и значительно (до 7 раз) снижает остаточную некомпенсируемую погрешность, вызванную неравномерностью нагрева отдельных участков миры, а в итоге позволяет снизить погрешность поддержания уровня контрастного излучения инфракрасного коллиматорного комплекса до величины порядка 2 мК.

Комплекс предназначен для контроля и измерения параметров тепловизионных приборов. Комплекс содержит объектив, сменную миру, расположенную в фокальной плоскости объектива, фоновый излучатель, расположенный за мирой и снабженный исполнительным элементом, устройство управления, выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя, процессор температурный, выход которого подключен к входу устройства управления, устройство измерения температуры миры, выход которого подключен к первому входу процессора температурного. Сменная мира выполнена зеркальной и установлена под углом к оси объектива, обеспечивающим отражение вдоль оси объектива потока инфракрасного излучения, поступающего на миру от дополнительно введенного опорного излучателя, снабженного устройством измерения температуры опорного излучателя, выход которого подключен ко второму входу процессора температурного. Дополнительно введены первое и второе устройства измерения температуры фонового излучателя, выходы которых подключены соответственно к третьему и четвертому входам процессора температурного. Технический результат - повышение точности поддержания уровня контрастного излучения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Инфракрасный коллиматорный комплекс, содержащий объектив, сменную миру, расположенную в фокальной плоскости объектива, фоновый излучатель, расположенный за мирой и снабженный исполнительным элементом, устройство управления, выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя, процессор температурный, выход которого подключен к входу устройства управления, устройство измерения температуры миры, выход которого подключен к первому входу процессора температурного, отличающийся тем, что сменная мира выполнена зеркальной и установлена под углом к оси объектива, обеспечивающим отражение вдоль оси объектива потока инфракрасного излучения, поступающего на миру от дополнительно введенного опорного излучателя, снабженного устройством измерения температуры опорного излучателя, выход которого подключен ко второму входу процессора температурного, а также введены первое и второе устройства измерения температуры фонового излучателя, выходы которых подключены соответственно к третьему и четвертому входам процессора температурного.

2. Инфракрасный коллиматорный комплекс по п.1, отличающийся тем, что процессор температурный содержит устройство сопряжения, первый, второй и третий входы которого являются соответственно первым, вторым и третьим входами процессора температурного, компьютер, шина ввода-вывода которого соединена с шиной ввода-вывода устройства сопряжения, цифроаналоговый преобразователь, вход которого соединен с выходом устройства сопряжения, а выход подключен к первому входу дифференциального усилителя, второй вход которого является четвертым входом, а выход является выходом процессора температурного.