2.2. Оптоэлектрическое измерительное преобразование

Нетрудно представить, что ни один физически реализуемый тип изме­рительного преобразователя не способен безынерционно воспринять и отоб­разить оптическую величину, т. е. изменение параметров электромагнитных волн, происходящее в диапазоне частот от 3 •10¹¹ до 3 • 10¹⁷ Гц (диапазон длин волн от 1 мм до 1 нм). Следовательно, любое современное измерение оптической величины требует использования совокупности измерительных преобразований информации об объекте, включающей преобразования одних физических величин в другие, масштабные преобразования, дискретизацию во времени и квантование по уровню измерительных сигналов, а также их регистрацию в оперативных и (или) долговременных запоминающих устрой­ствах.

Как указывалось ранее, совокупность физических явлений, на которых основаны измерения, именуется принципом измерений. Обычно принято, что название принципа измерений проистекает от наименования основопо­лагающего в конкретном измерительном процессе преобразования изучаемой физической величины в другую физическую величину, являющуюся носи­телем сигнала измерительной информации, претерпевающего ряд последую­щих преобразований или непосредственно регистрируемого на носителе для использования в дальнейшем в соответствии с выбранным алгоритмом обра­ботки.

В рассматриваемых измерительных процессах в подавляющем большин­стве случаев поток с помощью измерительного преобразователя того или ино­го принципа действия преобразуется в электрический сигнал измерительной информации либо непосредственно, либо с промежуточной регистрацией на оптическом носителе и последующим считыванием электрическими методами и средствами.

Следовательно, можно утверждать, что в современной технике измерений параметров и характеристик оптического излучения превалирует оптоэлектрическое измерительное преобразование.

Остановимся более подробно на оптоэлектрическом измерительном преоб­разовании, структура которого представлена на рис. 2. 1.

Рис 2. 1. Структура оптоэлектрического измерительного преобразования: 1 — источник излучения; 2 — оптический элемент или система; 3 — первичный измерительный преобразо­ватель — приемник излучения; 4 — измерительная цепь-система вторичного преобразования электрического сигнала, регистрации и обработки измерительной информации

Исследуемый или измеряемый объект 1 является источником как опти­ческой мощности (или потока), так и переносимой потоком информации об интересующих экспериментатора свойствах, параметрах и характеристиках объекта. В общем случае поток попадает на вход оптического элемента или системы 2, не изменяющих физическую природу входной оптической вели­чины. Вместе с тем, элементом или системой 2 осуществляется некое преоб­разование входного потока, которое при определенных рассмотренных ранее метрологических операциях можно считать оптическим измерительным преобразованием. (Например, если ИП градуирован или калиброван). Со­ответственно в этом случае элемент или систему 2 можно отнести к разряду оптических измерительных преобразователей (ОИП). Однако чаще всего при­ходится иметь дело просто с оптическими преобразователями (ОП). играю­щими роль «оптических трансформаторов», просто согласующих параметры пучка с параметрами следующего в цепочке действительно измерительного преобразователя.

Выходной поток ОП (или ОИП) попадает на рабочую площадку приемника излучения 3, преобразующего оптическую величину в физическую величину другой природы, как правило, в электрическую (ток, напряжение, измене­ния пассивных параметров электрических цепей, частоты или фазы). Если между входным оптическим сигналом и выходным электрическим сигналом приемника излучения имеется однозначная функциональная зависимость (ха­рактеристика или коэффициент преобразования), приписываемая приемнику и выдерживаемая им в течение определенного времени с гарантированной точностью, то такой приемник излучения относится к разряду первичных оптоэлектрических измерительных преобразователей (ОЭИП), опре­деляющих, как правило, принцип измерений.

На этом собственно оптоэлектрическое измерительное преобразование за­канчивается, далее выходной электрический сигнал ОЭИП может претерпе­вать ряд традиционных и достаточно универсальных последующих измери­тельных преобразований, сводящихся к регистрации и отображению резуль­татов измерений, включая и возможную их математическую обработку. Эту часть измерительной системы (4 на рис. 2. 1) в дальнейшем будем именовать измерительной цепью.

Таким образом, оптоэлектрическое измерительное преобразование являет­ся основной частью измерительного процесса, осуществляемого методом пря­мого преобразования измеряемой оптической величины в электрический сигнал измерительной информации. Это означает, что подобные измерительные процессы присущи просто одной из разновидностей электрических измерений неэлектрических величин, теоретические и методологические основы которых хорошо изучены в научных школах проф. A. M. Туричина и П. В. Новицкого (Санкт-Петербург) и проф. Ф. Е. Темникова и P. P. Харченко (Москва). Здесь необходимо сделать три существенных, на наш взгляд, замечания.

Во-первых, в практике измерений оптических величин не всегда проис­ходит непосредственно оптоэлектрическое преобразование в электрические сигналы с их последующей регистрацией и обработкой. Например, оптиче­ские сигналы от объекта или выходные сигналы ОИП могут сначала непо­средственно восприниматься и регистрироваться на промежуточном носителе (фотопленке, люминофоре, магнитной пленке и пр. ), а затем с разнесением во времени визуально или техническими средствами с преобразованием в элек­трические сигналы обрабатываться по желанию оператора.

Во-вторых, оптоэлектрическое измерительное преобразование имеет ме­сто тогда и только тогда, когда входные измерительные преобразователи проградуированы или прокалиброваны в единицах измеряемой оптической величины. В противном случае даже при наличии в так называемом изме­рительном канале всех атрибутов ОЭИП речь идет только о визуализации процесса отбора и преобразования качественной информации об объекте, т. е. о чистой эвристике. Образно говоря, нет меры — нет измерений. Примеров тому в рассматриваемой области техники предостаточно: многочисленные приемники излучений, регистрирующие среды, оптико-механические и элек­тронно-оптические камеры, фото- и кинотехника и пр., не будучи подвергнуты соответствующим метрологическим процедурам по оптическому входному из­мерительному сигналу, не являются ни ИП, ни измерительными приборами, а только средствами отображения и субъективного восприятия оператором оптических процессов и явлений.

В-третьих, до последнего времени при измерениях оптических величин преимущественно (практически всегда) пользуются методом прямого преоб­разования. Вместе с тем, существенными метрологическими достоинствами обладает метод уравновешивающего преобразования, причем для достижения максимальной эффективности метода уравновешивающего преобразования необходимо цепью обратного преобразования охватить все СИ с выхода на вход, а для этого требуются обратные ИП, т. е. в нашем случае первичные электрооптические измерительные преобразователи (ЭОИП). При этом существенно облегчаются требования к ОЭИП, ибо они в методе уравно­вешивающего преобразования работают в режиме нуль-органа, в задачу ко­торого входит обнаружение величины и знака отклонения от равновесия. При достаточно малом пороге чувствительности нуль-органа достигается почти полное равновесие, и погрешность прибора почти исключительно определяет­ся погрешностью ЭОИП.

Стандартизованное определение ИП приведено ранее. Однако примени­тельно к предмету нашего рассмотрения можно допустить и другое его опре­деление — это техническое устройство, построенное на определенном физи­ческом принципе действия, выполняющее одно частное измерительное пре­образование. Ранее термин «датчик» относился к числу нерекомендуемых, однако в измерительной технике он получил широкое распространение, и мы в дальнейшем при необходимости будем пользоваться понятием датчика прибора той или иной величины как конструктивной совокупности ряда ИП, размещаемых непосредственно у объекта измерения. Например, датчиком мощности лазерного излучения является единый конструктивный узел, состо­ящий из элемента входной оптики, приемника излучения и предварительного усилителя.

Таким образом, структура прямого оптоэлектрического измерительного преобразования включает в качестве звеньев измерительного процесса источ­ник излучения, ОП (или ОИП), ОЭИП и измерительную цепь. В некоторых случаях ОП (ОИП) может не входить в состав СИ или вообще отсутство­вать. В результате на воспринимающий оптическое излучение элемент этой цепочки преобразователей, образующих СИ, воздействует входная оптиче­ская величина, преобразуемая в выходную величину, значение которой отображается современным аналоговым или дискретным регистрирующим устройством.

Полученное общее представление об оптоэлектрическом преобразовании и его роли в оптической радиометрии позволяет перейти в следующей ча­сти книги к детальному рассмотрению отдельных типов преобразователей. Как упоминалось ранее, мы преднамеренно не говорим однозначно именно об ИП, поскольку используемые в оптической радиометрии преобразователи оптических величин в оптические, оптических в электрические и электриче­ских в оптические в рассматриваемых измерительных схемах часто являются элементами лишь согласования размеров преобразуемых величин и парамет­ров, т. е. своеобразными «трансформаторами». У преобразователей подобного назначения не нормируются метрологические характеристики, но от их эф­фективности зависит в целом качество измерительного процесса.

Соображениями целесообразности продиктовано рассмотрение во второй части книги преобразователей только трех упомянутых типов. Ознакомление с ИП типа АЦП, ЦАП и им подобными, а также с логическими элементами, операционными усилителями, стабилизаторами тока и напряжения выходит за рамки книги, поскольку они не специфичны для оптической радиометрии, а описаны во многих монографиях, посвященных аналоговой и цифровой схемотехнике (например, [18]).