Способ фотометрических измерений Советский патент 1993 года по МПК G01N21/59 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при решении разнообразных фотометрических задач, при градуировке и поверке фотометрических приборов, в частности при использовании лазерных источников излучения.

При фотометрических исследованиях с применением двух и более каналов регистрации излучения существенный вклад в погрешность определения искомой величины вносит динамическая составляющая, вызванная флюктуациями интенсивности источника в случае различного быстродействия регистрирующих каналов.

Известен способ измерения коэффициентов поглощения оптических материалов, состоящий в освещении образца лазерным излучением, регистрации мощности, прошедшей образец, и температуры нагрева образца под действием поглотившейся доли мощности . Основной недостаток данного способа состоит в том, что не

учитывается различное быстродействие каналов регистрации мощности излучения и температуры образца, а также инерционность процесса нагрева образца, что обусловливает низкую точность измерений (10...20)%.

Известен способ определения коэффициента поглощения образцов, рассматриваемый в качестве прототипа, состоящий в освещении образца излучением лазера, контроля мощности лазера референтным приемником, измерении теплового излучения нагретого образца и расчетном определении коэффициента поглощения.

Основной недостаток указанного способа в том, что регистрация отсчетов производится без учета динамических характеристик нагрева и изменения температуры исследуемого образца при идентичных по быстродействию референтном и измерительном каналах. Тепловые процессы в зависимости от размеров и массы образцоЕ

СО

С

4 00 О

&

характеризуются временами от единиц до десятков секунд, что заметно снижает эффективность использования референтного канала для исключения влияния нестабильности мощности источника на точность измерений. Погрешность измерений на уровне +15%в основном обусловлена именно наличием динамической составляющей. Расчетная коррекция динамической погрешности затрудняется тем, что уровень измеряемого теплового излучения нелинейно зависит от мощности лазерного пучка, нагревающего образец. Уменьшение погрешности за счет многократного повторения измерений оказывается малоэффективным при небольших временных интервалах между отсчетами, а увеличение этих интервалов до времени, соизмеримого с инерционностью тепловых и радиационных процессов, приводит к неоправданно большим затратам времени.

Цель изобретения состоит в повышении точности и оперативности проведения измерений в условиях флюктуации интенсивности источника и различного быстродействия каналов. Эффект от использования способа при многоканальных измерениях заключается в практически полном подавлении динамической составляющей погрешности, что как следствие обеспечивает повышение точности измерений в несколько раз при их высокой оперативности, так как отпадает необходимость в осреднении по большому числу отсчетов.

Поставленная цель в способе фотометрических измерений, заключающемся втом, что часть излучения источника ответвляют в референтный канал и измеряют сигнал, пропорциональный интенсивности источника, направляют остальную часть излучения на исследуемый объект и измеряют сигнал, пропорциональный интенсивности излучения, провзаимодействовавшего с исследуемым объектом, установленным в измерительном канале, и определяют искомую фотометрическую величину, достигается за счет того, что предварительно определяют верхние граничные частоты пропускания референтного fp и измерительного fH каналов, изменяют интенсивность источника в диапазоне частот от нуля до минимальной из верхних граничных частот референтного fp и измерительного fw каналов, регистрируют временной ход сигналов референтного и измерительного каналов, затем по минимуму вариации отношения сигналов референтного и измерительного каналов находят оптимальную величину временной задержки регистрации отсчетов измерительного канала относительно референтного или наоборот референтного относительно измерительного, а собственно фотометрические измерения выг лняют с внесением найденного временного сдвига между отсчетами референтного и измерительного каналов.

На основе теоретического рассмотрения и экспериментальных исследований дрейфа интенсивности ряда источников излучения и динамических свойств фотометрических и электроизмерительных приборов установлено, что наибольшее влияние на точность измерений оказывают флюктуации интенсивности источника в ча5 стотном диапазоне (...10)Гц. При этом точность многоканальных измерений главным образом определяется различием фазовых сдвигов спектральных составляющих сигнала, а не разницей в значении коэффи0 циентов пропускания этих составляющих. Компенсация различия фазовых сдвигов может быть осуществлена на счет того, что отсчет в более инерционном канале производится с задержкой. На практике величину

5 задержки целесообразно находить экспериментально, так как в большинстве практических случаев ее расчетное определение сопряжено с большими трудностями из-за сложности модельного описания реальных

0 измерительных каналов.

Устройство, в котором реализуется данный способ, представлено на чертеже.

На схеме изображены источник излучения 1, светоделитель 2, референтный канал

5 3, исследуемый объект 4, измерительный канал 5, устройство 6 запуска регистраторов референтного и измерительного каналов. Для предварительного нахождения оптимальной величины задержки используется

0 устройство 8 записи временного хода сигналов референтного и измерительного каналов и элемент 7, осуществляющий вариацию интенсивности источника в требуемом частотном диапазоне.

5 Работает устройство следующим образом. Основная часть излучения источника, пройдя светоделитель 2, падает на исследуемый образец 4 и после взаимодействия с ним регистрируется измерительным кана0 лом 5. Другая часть излучения, отразившись от светоделителя 2, направляется в референтный канал 3, позволяющий отслеживать нестабильность интенсивности источника. Устройство 6 запуска формирует

5 сигналы запуска цифровых регистраторов или вырабатывает реперные отметки на самопишущие приборы с требуемой величиной задержки t0. Величина задержки находится следующим образом. На источник излучения воздействуют посредством

элемента 7 в частотном диапазоне от 0 до f, где f мин {fp, fu} минимальная из верхних граничных частот референтного fp и измерительного fM каналов. Одновременно производится запись временной зависимости сигналов обоих каналов устройством 8 (самописец или цифропечатающее устройство). В ряде случаев, когда собственные флюктуации источника достаточны для уверенного нахождения to, элемент 7 может отсутствовать. По полученным временным зависимостям получают ряд синхронных отсчетов референтного RI и измерительного AI каналов. Шаг снятия отсчетов должен быть не более 0,02/f. Затем определяют среднее значение отношения

N

(A/R)1/N 2, Ai/Ri и величину вариации

I 1

д (t) 1/N

{

Li 1

Ai/Ri -(A/R) I l для

различных временных сдвигов зависимостей друг относительно друга. В качестве оптимальной выбирают величину задержки То, соответствующую минимуму отношения д (t)/(A/R). Когда взаимодействие излучения с объектом безынерционно (измерение коэффициентов пропускания или отражения) определения to можно производить, не устанавливая его в измерительный канал, Если же измерительный канал нормально функционирует лишь совместно с образцом, как в прототипе, то to определяют совместно с образцом или объектом, реализующим аналогичные динамические свойства сигнала измеряемого канала.

Конкретное выполнение иллюстрируется на примере измерения коэффициента пропускания ослабляющего фильтра. Источником излучения на длине волны 10,6 мкм является лазер ЛГ-74. Референтный канал содержит термоэлемент с постоянной времени ,5 с и цифровой вольтметр В7-23. В качестве измерительного канала используется измеритель средней мощности лазерного излучения ИМО-2-2. Цифровые коды, соответствующие сигналам референтного и измерительного каналов вводили в вычислительный комплекс с периодом 0,2 с. Регистрация собственных флюктуации лазера каналами производилась в течение 400 с. Последующая обработка этих временных зависимостей позволила найти оптимальную задержку. Она равна to 8 с. Кратность снижения случайной погрешности измерений зависит от конкретного характера дрейфа интенсивности и для данного примера реализации лежала в пределах 2...8 раз. При измерениях на плавных и продолжительных участках спада или нарастания интенсивности без внесения задержки возникает систематическая составляющая погрешности измерения, которая также эффективно подавляется при использовании

способа.

Таким образом, способ позволяет обеспечить высокую точность многоканальных фотометрических измерений с использованием серийной аппаратуры, различающейся по быстродействию. Он прост в реализации, в полной мере позволяет использовать стандартные методы обработки и представления результатов прямых и косвенных измерений.

Формула изобретения

Способ фотометрических измерений, заключающийся в том, что часть излучения источника ответвляют в референтный канал и измеряют сигнал, пропорциональный интенсивности источника, направляют остальную часть излучения на исследуемый объект и измеряют сигнал, пропорциональный интенсивности излучения, про- взаимодействовавшего с исследуемым

объектом, установленным в измерительном канале, и определяют искомую фотометрическую величину, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и оперативности проведения измерений в условиях

флюктуации интенсивности источника и различного быстродействия каналов, предварительно определяют верхние граничные частоты пропускания референтного fp и измерительного TH каналов, изменяют интенсивность источника в диапазоне частот от нуля до минимальной из верхних граничных частот fp реферетного и измерительного f« каналов, регистрируют временной ход сигналов референтного и измерительного каналов, затем по минимуму вариации отношения сигналов референтного и измерительного каналов находят оптимальное значение временной задержки регистрации отсчетов измерительного канала относительно референтного или наоборот, референтного относительно измерительного, а особенно фотометрические измерения выполняют с внесением найденного временного сдвига между отсчетами референтного

и измерительного каналов.

Использование: измерительная техника при решении различных фотометрических задач, при градуировке и поверке фотометрических приборов, в частности при использовании лазерных источников излучения. Сущность изобретения: регистрацию сигналов в измерительных каналах производят с экспериментально определенными задержками. Приводится алгоритм нахождения оптимальных задержек. 1 ил.