Способ измерения цветовой температуры Советский патент 1983 года по МПК G01J5/60 

Изобретение относится к средствам измерения температуры и может исполь зоваться в измерительной технике, метрологии, в управлении технологи ческими процессами, для контроля температурных полей, в медицине, экспериментальной технике. Известен способ измерения цветовой температуры, основанный на зако.не смещения Вина, согласно которому спектр излучения исследуемого объекта разлагают на монохроматические компоненты посредством пропускания через материал, обладающий дисперсией, например сквозь призму, направ ляют эти компоненты на приемник излучения, перемещая приемник относительно спектра, компоненты которого разнесены на разные углы относительно . призмы, измеряют интенсивность компонент, определяют положение максимума спектральной интенсивности в пространстве и по угловому положению максимума судят о температуре тела 1. Такой способ вследствие пространственной растянутости максимума спектра и трудности определения его положения не обеспечивает достаточной точности измерений, кроме того, мала скорость измерений. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности явлдется способ измерения цветовой температуры, включающий выделение из спектра излучения объекта монохроматических компонент путем пропускания излучения через диспергирующий материал, упр1авляющее воздействие на диспергирующий материал, последовательное измерение интенсивности монохроматических компонент приемником излучения и измере1:ие параметра управляющего воздействия, соответствующего максимальной интенсивности монохром тических компонент. Диспергирующий материал имеет форму г1ризмы, которую поворачивают, в результате на прием ник излучения последовательно попадают различные монохроматические ко поненты, измеряют их интенсивности, определяют время поворота до достижения максимальной интенсивности и по этому параметру судят о цветовой температуре объекта ,2. Недостатками известного способа являются большая погрешность-измере ний, малые скорость и чувствительность измерений. Это обусловлено тем, что согласно известному способу разворачивают периодически спектр излучения на приемник и измеряют временной интервал от начала разворачивания спектра до выделяемого момента времени, соответствующего максимуму сигнала. Разворачивание спектра происходит путем механического вращения призмы, служащей в качестве дисперсионного элемента. Разворачивание спектра относительно приемника ограничивает скорость измерений - время одного измерения 50 мс. Судить о температуре по времени разворачивания призмы с большой точностью нельзя, так как для механических устройств велика нелинейность развертки± 0,2 и мала точность выделения моментов времени i О ,2, точность же определения соответствия длины волны излучения и угла поворота, следовательно, и времени поворота, а также чувствительность невелики, так как призма, служащая в качестве дисперсионного элемента, обладает невысокой разрешающей способностью. Важной характеристикой, определяющей чувствительность и избирательность способа, является контраст, определяемый отношением интенсивности на выделяемой длине волны к суммарной интенсивности излучения, прошедшего на приемник. Для таких дисперсионных элементов, которые позволяют разворачивать в пространстве спектр относительно приемника, напримар призмы, контраст мал, обычно 610. Выделение момента времени, соответствующего получению максимального сигнала для дисперсионных элементов с малой разрешающей способностью, может не соответствовать максимуму.спектра, что также увеличивает погрешность измерений, которая составляет для известного способа U. Цель изобретения - повышение точности, быстродействия и разрешающей способности способа. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения цветовой температуры, включающему выделение из спектра излучения объекта монохроматических .компонент путем пропускания излучения через диспергирующий материал, управляющее воздействие на диспергирующий материал, последовательное измерение интенсивности монохроматических компонен приемником излучения и измерение параметра управляющего воздействия, соответствующего максимальной интен сивности монохроматических компонен в качестве управляющего воздействия используют акустические колебания, на которых осуществляют акустооптическую дифракцию излучения, а в качестве параметра управляющего воздействия используют частоту акустических колебаний. При этом осуществляют коллинеарную акустооптическую дифракцию. Реализация способа состоит в том уто в качестве внешнего воздействия используют акустические колебания, на которых осуществляют акустооптическую дифракцию излучения, а в качестве управляющего параметра испол зуют частоту акустических колебаний В условиях акустооптичёского взаимо действия, когда выполняются законы сохранения энергии и количества движения: О) К--К ±|, (2) где и;. , , частоты падающего и рассеянного излучения и акустической волны соответст венно; S . волновые вектора падающего и рассеян ного излучения и акустической воЛны. соответственно, из широкого спектра излучения исследуемого тела выделяются в направлении к; только та спектральная компонента, для которой справедливы уравнения (1) и (2). Это происходит благодаря пространственной модуляции коэффициента преломления материала под действием возбуждаемой в материа ле акустической волны. Изменение про странственной модуляции, следователь но, и выделяемой спектральной/компоненты производится посредством управ ления частотой акустических колебаний, для которых справедливы следующие соотношения: (nX); sinO sin.tt, 38 где и Q - углы распространения; коэффициенты преломлеП; И п ния для падающегб и рассеянного излучения; скорость звука; длина световой волны. В условиях акустооптической дифракции погрешность определения длины волны взаимодействующего и выделяемого при этом излучения определяется разрешающей способностью и составляет величину Ал mf Л Л 2bL где L - длина акустооптичёского взаимодействия;и.к.. 3Ki ajKs. ЭКо У и., Ко-27С/Хо - волновое число вакууме; в Х- длина волны излучения. Электронное управление частотой акустических колебаний осуществляется с точностью, определяемой точностью измерения частоты, т.е. не хуже 10. Реализация другого варианта способа, в котором осуществляют коллинеарную акустооптическую дифракцию, позволяет управлять длиной волны выделяемого излучения при совпадающем направлении волновых векторов В этом варианте, благодаря озможности осуществления большой длины акустроптимеского взаимодействия и поляризационному выделению провзаимодействрвавшего излучения, кон10 -105. траст достигает величины разрешающая способность , т.е. он существенно лучше прототипа и других, известных пирометрических способов по чувствительности и изирательности. В этом варианте температураопр еляется по формуле гр -В..Bf де f - частота звука, соответствующая максимуму спектральной интенсивности излучения ); скорость звука; щ-пд; постоянная, 0,28978-10 м-К. где h - постоянная Планка; скорость света; ,k - постоянная Больцмана; - корень трансцендентного урав нения. J 1, Г ,9651... Погрешность определения температу ры составляет ((т (ff (Гдп . (Tv f . Коррекция изменения спектральной чувствительности при смене приемника и коэффициента пропускания оптического тракта может быть осуществлена заданием амплитуды акустических колебаний при изменении частоты. Быстродействие способа, определяемое временем пробега акустической волны по кристаллу со скоростью V 5,72-10 см/с при длине образца L 10 см, составляет величину L/V 1 , с. На фиг, 1 представлена схема устройства для реализации способа; на фиг. 2 - векторная диаграмма акустооптического взаимодействия; на фиг. 3 - то же, кОллинеарного акусто оптического взаимодействия. Устройство содержит диспергирующий -материал 1, приемник излучения 2, вычислительное устройство 3, средство возбуждения акустических колебаний i, управляемый генератор 5 и частотомер 6. Устройство работает следующим образом. Излучение I направляется- на диспергирующий материал 1, выделенная компонента излучения 1 (uti) регистрируется приемником 2,сигнал Ц| Ч) с которого поступает на вычислительное устройство 3, определяющее макси мальное значение сигнала. Выделение компоненты излучения 1 (и) осуществляется при воздействии на диспер гирующий материал акустических колебаний, возбуждаемых средством возбуждения колебаний k, на которое по дается управляющий сигнал частоты с генератора 5. Генератор 5 соедине с вычислительным-устройством 3, из менение частоты колебаний U осуществляется вручную или по программе определения максимума интенсивности При значении частоты cU, соответству щем регистрации спектральнойкомпо86ненты максимальной интенсивности, вычислительное устройство дает команду на частотомер 6, измеряющий это значение частоты. Температура определяется по пересчетному коэффициенту или с помощью соответствующего делителя. Измерения цветовой температуры проводятся следующим образом. Спектр излучения исследуемого тела разлагается на монохроматические компоненты посредством пропускания через дисперсионный материал, в качестве которого выбран монокристалл кварца X среза 09 мм и длиной 10 см. В нем с помощью пленочного пьезоэлектрического преобразователя возбуждаются продольные акустические колебания в частотном диапазоне f}5-90 МГц при акустической мощности 1 Вт. В кристалле осуществляется коллинеарная акустооптическая дифракция излучения, выделяемые монохроматические компоненты регистрируются в видимой области спектра с помощью фотоумножителя, а в ИК-диапазоне фотодиода. Измеряется частота акустических колебаний 111, при которой максимальна интенсивность дифракции (по нулевому значению производной du/dcu 0). Быстродействие контролируется с помощью электрооптического модулятора, помещенного между источником излучения и кристаллом. Проведенные измерения показывают, что способ обеспечивает лучшие, чем у известных, параметры. Так, по сравнению с образцовым быстродействующим пирометром ВНИИМ, выбранным в качестве базового объекта и имеющим погрешность П,3 и.временное разрешение несколько миллисекунд, устройство, реализуЮ1цее данный способ, имеет меньшую погрешность измерений 0,03 и лучшее быстродействие i62 10 с. При измерении температуры лампы накаливания максимальная интенсивность дифракции регистрируется на частоте 47,,005 МГц, что соответствуетД.(« 1091915±3,3 А и цветовой температуре 2635,8iO,§ К. Р зрешающая способность 3,3 А или 0,8 К. Быстродействиене хуже 2.10 Контраст не хуже 2.10 . Погрешность измерений температуры 0,03. Измерения, проведенные на мбнохроматоре УМ-2, дают значение 10900t50 &. Использование данного способа измерения цветовой температуры обес печивает по сравнению с известными большу1о временную разрешающую способность и позволяет повысить точность измерений. Использование данного способа для контроля быстроизменяющихся температурных попей в 388 системах со сканированием изображения позволяет получить информацию о процессах теплопереноса, нап|ммер, для контроля устройств микроэлектроники, тонких технологических процессов, в биомедицинских измерениях, проводить точные,сличения температурных эталонов и т.д.

КБ

.2

KS

i if

.J