Способ измерений оптических характеристик объектов Советский патент 1985 года по МПК G01J1/16 

1 Изобретение относится к технике фотометрии и может найти применение для измерений характеристик поглощения, отражения и рассеяния света. Цель изобретения - повышение точности измерений. На чертеже изображено устройство, реали зующее прешагаемый способ при измерениях пропускания образцов. Устройство состоит из блока 1 питания, источника 2 света, системы 3 формирования излучения, светоделителя 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 связи операционного усилителя (например, R 9 МОм), а между светоделителем 4 и фотодиодом 5 помещается исследуемый объект 13. Способ осуществляется следующим образом. Излучение источника 2 света, питаемого блоком 1, формируется системой 3 и разд ляется светоделителем 4 на измерительньп и опорный каналы, пртем излучение в измерительном канале детектируется фотодиодом 5, излучение в опорном канале - фотодиодом 6. Сигналы с выходов обоих фотодиодов усиливаются идентичными операционными усилителями 7 и 8, имеющими одинаковые сопротивления обратной свя зи, и поступают на два входа измерителя 9 разности сигналов, причем сигнал фотодетектора опорного канала поступает также на вход другого измерителя 10. Оба измерения начинают и заканчивают одновременн Измеряются одновременно разность AUp интенсивно интенсивностеи и величина ти без объекта в измерительном канале. Затем в измерительный канал помещается объект 13 измерений и фиксируются соответствующие величины Л и и и, . Все измерения прово;дятся за время й нечувствительности величины U U к дрейфу, которое определяется предварительно. Так, при U,- 10,380 В интервал времени ut нечувствительности разности сигналов к дрейфу составлял не менее 45 с, а интервал .времени Л нечувствительности оп ного сигнала к дрейфу - не менее 130 с При этом интервал времени ui постоянства величины А зависит от совместного влияния 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 разряда происходит неодновременно. 7 Для обеспечения минимальной погрешности определения А измерения следует начинать сразу же после того, как изменяются 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 пять измерений в секунду, то при л{ 40 с можно определить А в двухстах точках спектра. Если йЧ 45 с, возникает дополнительная погрешность за счет дрейфа, растущая 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 уменьшения цифры Л на единицу младшего разряда через 80 с. При этом отклонение А от нуля при максимальной и минимальной скоростях 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 . учитывается, за 7 мин, а процесс измерений является наиболее простым. Для пояснения сути способа покажем, что операция выбора наименьшего времени Jit нечувствительности разностного сигнала к дрейфу является характерной для предлагаемого способа, а не определяется применяемой 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 усилителя (ОУ) стабилизированного напряжения дрейф в пределах погрешности измерений JA 10 отсутствовал, при подключении защищенного от воздействия света ФД с темновым фототоком А дрейф составил 2 10, при засветке ФД, обеспечивающей фото ток. 10 А, дрейф составил 6010 (измерения дрейфа во всех случаях проводились в течение 1 ч через 2 ч после включения аппаратуры). Эту особенность обнаруженного дрейфа можно объяснить следующим образом. Поскольку спектральная 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 пропорциональная величине протекающего через элемент тока. Таким образом, характеристики дрейфа

определяются интенсивностью источника

света, а не применяемой аппаратурой. I . ,

Измеряемая по способу величина .А определяется двумя сигналами с различными характеристиками дрейфа (если бы измеряемой величиной была разность сигналов.

MJ , то измерения следовало бы начинать сразу после того, как изменится показание измерителя разности на 1 ЕМР (единица младшего разряда), и указанные операции были бы тривиальными), вследствие чего необходимо определять: дрейф какого из двух измеряемых сигналов определяет дрейф величины их отношения; время начала и конца измерений; продолжительность измерений. Кроме того, ввести понятие время

At нечувствительности измеряемой величины к дрейфу можно лишь для дрейфа с высоким постоянством, что имеет место , для дрейфа, определяемого велшшной сигнала.

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

Таким образом, вводить минимальное время &t нечувствительности измеряемой величины к дрейфу оказалось необходимым и- возможным лишь в предлагаемом способе, в котором в отличие от известных способов ограничивающим фактором является дрейф, зависящий от величины сигнала. Кроме того, необходимость определения времени начала; измерений и их продолжительности обусловлена тем, что определяемая величина рассчитывается на основазши двух измеренных сигналов с различными характеристиками дрейфа. То, что u-t представляет собой время нечувствительности разностного сигнала к дрейфу, обусловлено применяемым способом регистрации А . Кроме того, скорость дрейфа зависит от интенсивности излучателя.

Пункт 2 формулы представляет собой способ получения максимального времени измерений с минимальной погрешностью, которую можно получить в зависимости от необходимой погрешности измерений JA , Зфовия 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 представляет собой постоянную аппаратуры),

то

jA.

L ли. и, J

15 Считая 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 для уменьшеНИН дрейфа I должен быть минимален, а следовательно, должн быть минимальной интенсивность излучахеля

Р 8т -1 А /5 А/вт1,

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

1ы Ja-Iu, -wи7Г Г)(7:)ф:5

45Т Т

. Ми J-U) ,.

так как i (.М). . Учтем, что

интенсивность излу1ателя за время измсре- , .НИИ может изменяться вВ Р ддцс/Рмии Р) г 50 :тогда

4.Iy.I)

{l-N)5-dA

tia

1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЙ ОПТИЧЕСКИХ 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, что, с целью повьгщения 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 o6bekTOM определяют 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 я тем, что, с целью получения максимальной точности, перед проведением измерений величин дУ, , U,, Uo определяют наименьшее время ut нечувствительности величины л и 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 fli , а интенсивность светового потока выбирают не более величины Alal-D/SuA , 00 где D динамический диапазон изменесо ний интенсивности светового по00 тока за время Д ; 1 и 5 дА соответственно щумовой ток и чувствительность применяемого регистратора; требуемая погрещность измерений величины А