Фотоэлектрический измеритель ультрафиолетовой радиации Советский патент 1990 года по МПК G01J1/04 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к переносным устройствам фотоэлектрического контроля электромйгнитногй излучения в ближней области ультрафиолетового (УФ) спектра, применяемым при люминесцентной дефектоскопии, в том числе при капиллярном методе не- разруша19щего контроля.

.Цель,изобретения - повьшение точности измерений.

На фиг,1 представлена структурная схема фотоэлектрического измерителя

УФ-радиации;. на фиг.2 - фокусирующий растр с переменным фокусным расстоя- нием пример исполнения; на фиг.З и 4 - принципиальные, схемы измерения силы УФ-излучения и энергетической яр- . кости источника излучения посредством предлагаемого измерителя; на фиг.З

и 6 - принципиальные схемы работы

;фокусирующего растра.

Измеритель УФ-радиации (фиг.1) состоит из двух блоков - приемника 1 УФ-излучения, представляющего собой чувствительный к УФ-лучам датчик.

О)

о

Од

со

и измерительного блока 2s соединен-, ных друг с другом кабелем 3. За входным окном 4 корпуса приемника устан новлен светофильтр 5, выполненный из цветного стекла типа УФС, пропускающий УФ-лучи и препятствующий прохржде нию видимого света к фотоэлементу 6, укрепленному непосредственно за светофильтром. В качестве фотоэлемента использован полупроводниковый фотодиод, чувствительней к УФ-лучам.

В полости входного окна на корпусе укреплен конце;вой микропереключатель 7 с контактом, замыкаемым при введении в полость окна корпуса фокусирующего растра 8. В измерительном блоке установлен дифференциальный усилитель 9, цепь полозШтельной обратной, связи которого, имеющая резис тор 10, включена через микропереключатель 7..находящийся в приемнике, на дифференциальный вход усилителя. Выход усилителя 9 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 11, снабженного аттенюатором. Выход АЦП соединен с дисплеем 12, в качестве которого использован жидкокристаллический четырехразрядный ин- . дикатор, укрепленный на. верхней панели корпуса этого блока Выход .АЦП также соединен с интерфейсом 13, предназначенным для подключения фотоэлектрического измерителя УФ-радиа- ции к внешней ЭВМ. УФ-радиадия излучается источником 14.

Фокусирующий растр (фиго2) состоит их двух (или более) раздвигаю- .щихся вдоль оси втулок 15 и .16, прижимающих к своему основанию растровые пластины 17 и 18. Между этими пластинами установлен кольцевой пружинящий упор 19, позволяющий поддерживать заданное расстояние между пластинами при вдвижении втулок 15 и 16 одна в другую. Пружинящий упор выполнен в виде цилиндрической пружины 20 пластина 18 имеет пазы, вы- резацные по ее периметру, скользящие по направляющим (не показаны), которыми снабжена внутренняя поверхность втулки 15.

Устройство работает следующим образом.

При отсутс.твии в окне корпуса приемника 1 фокусирующего растра 8,. как это представлено на фиг.1, измеритель УФ-радиации работает как ,Фотометр,, -определяюищй облучен0

5

0

5

ность (энергетическую освеще.нность) какой-либо поверхности. УФ-излучение от источника 14 свободно проходит 5 через окно 4 корпуса 1 и, пройдя через светофильтр 5, пропускающий I УФ-лучи и задерживающий лучи водимой части спектра, достигает светочувствительной поверхности полупроводникового фотоэлемента 6, изменяя его проводимость пропорционально величине его облученности УФ-излучением. Фотоэлемент соединен через кабель с. входом усилителя 9 измерительного блока 2. Изменение сопротивления фотоэлемента вызьшает соответствующее усиление или ослабление тока на выходе усилителя, регистрируемое АЦП 11 с аттенюатором, выход которого свя - зан с четырехразрядным жидкокристаллическим индикатором 12 и интерфейсом 13„ В зависимости от величины выходного сигнала усилителя аттенюатор переключает разрядность цифровых величин на табло индикатора по трем поддиапазонам, что фиксируется на панели измерительного блока световыми меткамИо Режим работы усилителя регулируется так, что считьшаемые числа на цифровом табло выражают- измеряемую облученность Е в .единицах мкВт/см, где - поток УФ-излучения; А - площадь облучаемой поверхности.

При подключении измерительного устройства через интерфейс 13 к внешней микроэвм можно осуществ лять вы-г числение интеграла от энергетической освещенности по времени в, пределах регистрируемого интервала времени, что позволяет определять энергетическую экспозицию в единицах Дж/м.

В случае введения фокусирующего растра 8 во входное окно 4 приемни- у.а 1 устройство работает в-другом ре- яшме , Позволяющем определять силу УФ-излучения, представляющую отношение потока радиации к пространственному углу, в котором он распространяется, а также энергетическую яр- источника излучения. В этом случае растр 8, взаимодействуя с концевым микропереключателем 7, укрепленным на корпусе приемника 1, замы-, кает цепь положительной обратной связи усилителя 9, регулируемую включенным в нее резистором 10 и подт кгаоченную к второму ди4)ференциально- му входу усилителя 9, что позволя0

5

0

5

0

5

ет производить изменение коэффици - ента усиления сигнала, поступающего на АЦП 11, в соответствии с размерностью измеряемой велихшньь

Схема измерения энергетической с лы излучения УФ-источкика показана на фиг.З. Источник 14 располагается в фокусе растра 8, при этом поток УФ-излучення от источника, прходящий через растр, ограничен те - .лесным углом , опирающимся на периметр входного зрачка фокусирующего растра 8, имеющего диаметр, равный 2 г. УФ-излучение ограничивается, кроме того, скважностью растра, равной отношению суммарной площади его отверстий к общей входной площади растра. Сигнал с фотоприемника 5, регистрирующего прошедшее через растр излучение, поступает на усилитель 9, коэффициент усиления которого регулируется с учетом уменьшения Величины сигнала в зависимости от скважности растра и в соответствии с переводом цифрового отсчета единиц облученности в единицы силы излучения. Это позволяет считьшать величину измеряемой силы I УФ-излу- чения с цифрового табло в энед гети- ческих величинах мкВт/ср.

При подключении измерительного блока 2 через интерфейс 13 к внешней ЭВМ в этом же режиме работы можно определить величину энергетического освечивания УФ-источника за определенный промеж-уток времени, преставляющую интеграл от.энергетической силы излучения по времени в пределах рассматриваемого интервала времени, имующую размерность Дж/ср.

Устройство позволяет осуществлять непосредственное измерение энергетической яркости (L dl/dA j УФ-источника,- выражаемое в единицах Вт/ср-м , где А - площадь поверхности источника, в качестве которой в устройстве служит фокальное окно, т.е. входная апертура фокусирующего растра. Для совмещения фокального окна с излучающей поверхностью источника 14 достаточно фокус растра сов- местить с этой поверхностью. Для этого измерительное устройство надо расположить на удаление фокусного расстояния f растра от объекта. Размерность измеряемой величины энергетической яркости УФ-источника выражается в единицах Вт/ср. м.

-

6031976

, Действие фокусир тощего растра в данном случае пояснено фиг.4, тде

представлена геометрическая схема ог- - раничения пучков лучей, прсхоДящих через отверстия двухрядного фокусирующего растра R и Rg от фокуса F к светочувствительной поверхности фотоприемника Ph. Прослеживая ход лу- jQ чей через два смежных отверстия двух-, рядного растра, сфокусированного на точку F, удаленную на расстояние f от базового растра RO; и на расстояние 1 от входного .раст- 15 ра Rjf, из геометрических соотношений, приведенных на фиг.4, имеем

f/1 а а/с с

20 Обозначая период основного растра а а Р , период входного растра

, с с j( и расстояние между растрами а f - Ij,, fPj ()P,.

25 Отсюда фокусное расстояние растра определяется как

f ()(1)

30 Если обозначить / , то

d f/1-/U,). (1 .

. Входная апертура растра, т.е. раз-. меры поперечного сечения окна рассеяния ;растра в фокусе определяется на схеме по фиг.4 величиной nm . Из построения, приведенного на этой ме, следует nF/cd f/d, откуда и 2nF 2cd/1-jUjf).

Обозначая скважность растров величиной , т.е.

45 ; cd аЬ Р„/, имеем диаметр фокального окна (входной ап:ер- туры) растровой системы

2Ро

Fi i

(2)

55

Полученные результаты дают возможность судить о практических возможностях использования изобретения дпя измерения яркости источника излучения без необходимости дополнительной установки перед ним габаритной диафрагмы.

.716

Двухрядный растр имеет помимо центрального входного окна, дополнительно боковые входные окна, которые образуются благодаря возможности.про- хождения наклонных пучков лучей через косо сдвинутые друг относительно друга отверстия входного и базового растров, например через отверстия cd и -а Ъ и т.д. (фиг.4)о Для пре- дотвращения такой возможности пластины растра должны быть достаточно толстьми или в двухрядный растр должны быть введены дополнительные раст ровые пластины в промежутке между входным и базовым растрами.

Работа многоплоскостного фокусиру- кнцего растра поясняется схемой на фиг.5. Многоплоскостной растр предназначен для пропускания в фотоприем- ник от источника излучения лучей, проходящих только через центральное фокальное- окно, и препятствования прохождению лучей других направле- ний« это достигается тем, ,что растро вые пластинки располагаются на пути хода лучей от источника последовательно один за другим таким образом, что отверстия в последовательно расположенньк пластина образо- ваны вокруг осей, проходящих через эти пластины от центров отверстий базовой пластины .и направленных конвергентно на фокус F, удаленный от базовой пластины R на расстояние f. Для вьшолнения этого условия, т.е. для обеспечения софо- кусного действия всех растровых пластин требуется соблюдение соотноше

ния

7t Р

d - расстояние от пластины RZ с периодом Pj, до базовой

пластины . Z - порядковьй номер, пластины,

считая от базовой. Растровые пластины образуют софо - кусную растровую систему с фокусным расстоянием f dg/Cl-p., где |Uz величина, постоянная для каждой растровой пластины.

Из этого выражения видно, что фо- кусное расстояние многоплоскос-тного растра оказывается прямо пропорциональным величине отстояния dz. растровых пластин от базовой пластины

7«

С.о Изменение этих отстояний, т,е. осевое взаимное .перемещение пластин, ведет к изменению фокусного расстояния растра.

Возможность изменения величины фокусного расстояния фокусирующего растра пояснена схемой на фиг.6о Фокусирующий растр, образован двумя пластинами R, и R с подобно расположенными на них отверстиями, с отличным периодом (щагом) - на базовой нижней пластине RQ с большим периодом д и на верхней пластине R, с периодом Р. В случае, когда расстояние между пластинами составляет d,, пучок лучей, падающих-снизу на базовую пластину, сможет свободно пройти через отверстия обеих пластин, собираясь в фокусе F, находящемся на расстоянии f, от базовой пластины RO Очевидно, также свободно смогут пройти через пластины лучи и в обратном направлении. Величина фокусного расстояния растровой системы в этом случае опреде - ляется согласно (1) величиной. f d,/(1-P,/Pd)Если растровые пластины раздвинуть на расстояние d, фокусное расстояние системы изменяется до величины f2 dj/d-Pi/PoOo

Фокусное расстояние системы из двух растров изменяется пропорционально их раздвижению, следовательно, для любой пары растровых пластин, составленных из базовой пластины RO с периодом о и пластины R с периодом Р для обеспечения заданного фокусного расстояния f, необходимо соблюдать величину раздвижения плас(3)

д

d f() Следовательно, для перестройки многоплоскостной растровой системы на .новое фокусное расстояние, отстояние всех растровых пластин от базовой пластины должно быть -изменено f пропорционально изменению фокусного расстояния растровой системы, т.е„ должно быть

(), (А)

uf

Применение растра с большим числом пластин позволяет осуществлять более острую наводку на фокус растровой системы и создает условия лучшей

защиты от пропускания через растр косых лучей рассеянного излучения. Растр с осевым раздвижением пластин позволяет осуществлять перефокусировку растра на.различные расстояния, что дает возможность проводить измерения яркости.УФ-источника с разных расстояний«

Предлагаемьй измеритель обеспечивает уменьшение влияния внешнего рассеянного излучения на результат измерений, в том числе дает возможность измерять силу излучения каждого из нескольких источников, дей- ствдпощих совместно, что повьшает точность измерения УФ-радиации,

Изобретение позволяет решать проблемы автоматизации люминесцентной дефектоскопии, более точно определять требуемую при неразрушающем капиллярном методе контроля изделий оптимальную УФ-облученность, может быть использовано при дозировке УФ-излучения в медицине и других областях науки и техники.

Фокусирующий растр с переменным фокусным расстоянием может быть применен также в рентгеновской технике и других областях

Формула изоб ретения

1. Фотоэлектрический измеритель ультрафиолетовой радиации, содержащий переносной приемник УФ-излучения с входным окном и цифровой измерител03197

10

,

ный блок, соединенные между собой кабелем, причем приемник включает полупроводниковый фотоэлемент и кор- / ректирующий светофильтр, о т л и - чающийся тем, что, с целью ; повьшения точности измерений, устройство снабжено фокусирующим растром, размещенным между светофильтром и . 10 входным окном и выполненным в виде двух или более параллельных свето- поглощаюпщх пластин с регулярно расположенными одинаковыми отверстиями, образующими подобнь е друг 15 другу структуры, причем отверстия в пластинах расположены соосно на осях, конвергентно сходящихся в общем фокусе, при этом базовая пластина с наибольшим периодом Р, следо- 20 вания отверстий расположена перед

светофильтром, а пластины с уменьшающимися периодами Р. размещены за базовой пластиной в направлении к

входному окну на расстояниях d 25 нее, определяемьпс из соотношения

от

d f(),

где f - фокусное расстояние растра.

0 2о Измеритель по п.1, о т л и чающийся тем, что, с целью- расширения области применения, пластины установлены с возможностью перемещения вдоль оси, нормальной к плос35 кости пластин и проходящей через точки, являющиеся центрами симметрии из растровых структур.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а более конкретно - к переносным устройствам фотометрического контроля электромагнитного излучения в ближней области ультрафиолетового (УФ) спектра, применяемым при люминесцентной дефектоскопии, в том числе при капиллярном методе неразрушающего контроля. Целью изобретения является повышение точности измерений. Устройство дополнительно снабжено фокусирующим растром, введенным во входное окно фотоприемного устройства радиометра. Электронная схема устройства выполнена с возможностью реализации измерений различных параметров УФ-излучения: УФ-освещенности, потока излучения, яркости, а с использованием микроЭВМ - энергетической экспозиции и энергетического освечивания объекта УФ-радиацией. 1 з.п. ф-лы. 6 ил.

1

./Рмг.З

||||И1ПИ/

rr

Фиг, 5