Инфракрасный радиометр Советский патент 1975 года по МПК G01J5/00 

1

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения тепловых контрастов в естественных и лабораторных условиях по их собственному ИК-излучению.

Радиометр может найти широкое применение в различных областях техники, в частности, при выявлении перегретых участков псчей для обжига цемента, сравнении излучения отдельных деталей, узлов электроппых схем н элементов схем с аналогичными, находящимися в допустимом тепловом режиме; при выявлении трасс трубопроводов и мест napynieния их герметичности по тепловому контрасту с окружающей поверхностью Земли.

Известны инфракрасные радиолгетры, состоящие из зеркального объектива, выполненного по схеме Кассегрена, зеркального модулятора, дополнительного зеркала, источника опорного излучения, оптического фильтра фотоприемника и регистрирующего усилителя.

Измерение контрастной силы излучения объекта такими радиометрами производится по следующей схеме:

Определяют силу излучения фона без объекта /ф .

Определяют силу излучения при наличии в поле зрения объекта

Ф Т об э

где /об- силз. излучения объекта;

/ф- сила излучения фона, не заэкранированного объектом.

Искомая величина равна разности измереренных значений, т. е.

А/(/ф+/„о)-/ф(1)

Однако такой радиометр при измерении

тепловых контрастов не обеспечивает нолучения достоверных результатов при изменении угла вертикального визирования при корректировке наводки или вследствие качки при установке аппаратуры на подвижном носителе, например корабле.

Действительпо, при любом изменении угла визирования будут изменяться соотнощения воздушной и водной (или земной) частей фона (фиг. 1). Следовательно, различными будут и величины фоновых излучений /ф н

/ф, входящие в конечное выражение (1), измеряемые в различные моменты времени.

Возникающая при этом погрещность измерений может быть весьма значительной, так как даже при установке радиометра на гиростабилизированной платформе пестабильность визирования достигает ±6 т. д.., что на днстанцни 5 км дает вертикальное смещение поля зрения до ±30 м.

Конструкция радиометра не обеспечивает

автокомпенсацию фонового излучения при измеиеыии его величины. Поэтому при высокой чувствите.тьности радиометра и «горячем фоне регистрирующий усилитель будет перегружен фоновым сигналом.

Радиометр имеет заметную погрешность в диапазоне 8-14 мкм, обусловленную изменением окружаюш,их температур. Оптическая схема радиометра «Оптитерм не является симметричной по измеряемому и опорному лучистым потокам.

Поэтому к измеряемому потоку добавляется собственное излучение объектива, которое зависит от его температуры и неизбежно меняется в натурных условиях.

Радиометр не регистри рует непосредственно контраст тепловых потоков от измеряемых объектов. Для определения теплового контраста необходимо провести по крайней мере два измерения, осуществляемые не одновременно, что .может привести к дополнительной погрешности при исследовапии быстроменяющихся тепловых процессов.

Для повышения точности измерений и регистрации теплового контраста между двумя участками поверхности в процессе одного измерения в предлагаемое устройство введен дополнительный фотоприемпик, и оба фотоприемника симметрично с.мещены в фокальной плоскости относительно главной оптической оси и помещены в цилиндрический модулятор, ось вращения которого параллельна фокальной плоскости и оси си.мметрии чувствительных площадок фотоприемников, проходящей через их цеитры.

Кроме того, в иредлагаемо.м устройстве цилиндрический модулятор может быть снабжен двумя одинаковыми продольными выреза.ми, расположенными симметрично относительно оси вращения модулятора так, что продольная сторона выреза, совпадающая с образующей цилипдра, параллельна оси симметрии чувствительных площадок фотоприемников, проходящей через их центры.

На фиг. 2 - показана схема описываемого ИК-радиометра; на фиг. 3 - ход лучей.

Радиометр состоит из зеркального объектива 1, двух фотоприемников 2, 3, расположенных в фокальной плоскости, оптического фильтра 4, цилиндрического модулятора 5, приводимого во вращение двигателем 6, и регистрирующего усилителя 7.

Фотоприемники смещены относительно главной оптической оси на равные расстояния. Поэтому радиометр имеет два поля зрения (а-а и б-б на фиг. 3), разнесенных на некоторый угол а. Величину смещения определяют из условия, чтобы на дистанции измерения объект не попадал одновременно в оба поля зрения.

Цилиндрический модулятор, как показано на фиг. 2, имеет два симметричных прямоугольных выреза. Оба фотоприемника и оптический фильтр помещены внутри модулятора, причем ось вращения модулятора параллельна оси крепления фотоприемников и фокальной плоскости.

Устройство работает следующим образом. При вращении цилиндрический модулятор синхронно перекрывает поля зрения фотоприемников, и на них попадает либо одинаковое излучение внутренних стенок модулятора, либо лучистые потоки, сфокусированные объективом. Так как перекрытие полей зрения фотоприемииков ироисходит одновременно и в одинаковом направлении, то в каждый момепт времени лучистые потоки от воздушной и водной (земной) частей фона, объектива, модулятора и фильтра равны, и при достаточно однородном фоне на выходе фотоприемников разностный сигнал отсутствует.

При появлении в одно.м из полей зрения измеряемого объекта или участка поверхности с отличающейся температурой появляется разностный сигнал, который усиливается и

регистрируется. Пзмерения воз.можны и при не полностью идентичных фонах в полях зрения прибора. Необходимо лишь, чтобы сигнал от объекта и фонового небаланса не превысил предельно возможную регистрируе.мую

величину.

Таким образо.м, на показания радиометра не влияет изменение угла визирования, так как оба поля зрения отклоняются одновре.менно. Следовательно, одновременно будет

изменяться и соотношение воздушной и водиой (земной) частей фона и прп примененном способе модуляции лучистых потоков баланс не нарушится.

Ввиду полной симметрии схемы обеспечивается автокомпенсация собственных излучеиий объектива, фильтра и модулятора, что исключает погрешности, связанные с нестабильностью их температуры.

Радиометр регистрирует непосредственно

тепловой контраст. Вследствие автокомпенсации фоновых излучений отсчет измеряемой величины производится от уровня, близкого к нулевому, что позволяет уменьшить требуемый динамический диапазон. Измерение контраста можно производить независимо от абсолютного уровня фонового излучения, т. е. как на «горячем, так и «холодном фоне.

Предмет изобретения

1. Инфракрасный радиометр, состоящий из зеркального объектива, фотоприемника с оптическим фильтром, модулятора и регистрирующего усилителя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений

и регистрации теплового контраста между двумя участками новерхности в процессе одного измерения, в устройство введен дополнительный фотоприемник, и оба фотоприе.мника симметрично смещены в фокальной плоскости относительно главной оптической оси и помещены в цилиндрический модулятор, ось вращения которого параллельна фокальпой плоскости и оси сим.метрии чувствительных площадок фотоприемников, проходящей через их центры.

2. Радиометр по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрический модулятор снабжен двумя одинаковыми продольными вырезами, расположенными симметрично относительно оси

вращения модулятора так, что продольная сторона выреза, совпадающая с образующей цилиндра, параллельна осп симметрии чувствительных площадок фотоприемников, проходяп;ей через пх центры.

о

,Т

up,