Часть III типовые технические средства оптической радиометрии

Часть III ТИПОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОПТИЧЕСКОЙ РАДИОМЕТРИИ

 

В каждой области измерений имеются технические средства, которые в силу их широкой многофункциональности, распространенности и приме­няемости с полным основанием можно назвать типовыми. К техническим средствам отнесем как СИ, так и всевозможные вспомогательные устройства, участвующие в постановке и выполнении измерительного эксперимента.

В качестве наглядного примера можно привести такую всем известную область измерений, как электрические измерения. К числу типовых СИ при­надлежат амперметры, вольтметры, омметры, мультиметры, с помощью кото­рых измеряются соответственно токи, напряжения, электрические сопротив­ления, а также совокупность этих величин. Вспомогательными устройствами служат шунты, добавочные сопротивления, измерительные трансформаторы тока и напряжения, реостаты и магазины сопротивлений и пр.

В оптической радиометрии также распространены типовые технические средства, базирующиеся, в частности, на описанных во второй части книги типах преобразователей. Широко применяются такие СИ, как фотометры и радиометры оптического излучения.

Фотометром называется прибор для измерения световых величин. На первых порах становления фотометрии пользовались исключительно визуальными фотометрами, т. е. приборами, в которых фотометрическое равенство между исследуемым и сравниваемым излучениями устанавлива­лось глазом. В последующем вместо глаза стали пользоваться физическим приемником излучения, а СИ превратилось в физический фотометр. В дальнейшем мы будем иметь дело исключительно с физической фотометрией.

Наряду с фотометром нередко в качестве ИΠ используют фотометриче­скую головку (ФГ) в сочетании с индивидуально подобранной измеритель­ной цепью. Под ФГ подразумевается часть физического фотометра, содержа­щая приемник излучения. Если же последний является фотоэлектрическим, то как Φ Г, так и соответствующий физический фотометр относятся к разряду фотоэлектрических.

В отдельных видах и подвидах измерений фотометры получили специаль­ные названия. Так, например, СИ освещенности именуются люксметрами, яркости — яркомерами, а СИ силы света нередко называют свечемерами. Широко распространенный прибор для измерения координат цвета или коор­динат цветности цветовых стимулов называется колориметром.

Радиометром называется прибор, предназначенный для измерения энер­гетических величин, характеризующих излучение. Поскольку мы ведем речь об оптическом излучении, то соответствующее СИ следует именовать опти­ческим радиометром.

Все перечисленные СИ предназначены для выполнения интегральных измерений, когда отсутствует процесс монохроматизации излучения и не учитывается его спектральный состав, либо прибор снабжается специальным оптическим элементом с нормированной спектральной характеристикой (на­пример, светофильтром).

К техническим средствам широкого применения, которые можно отне­сти к типовым при выполнении спектральных измерений, относятся, в первую очередь, монохроматоры, спектрорадиометры и спектрофо­тометры.

Монохроматор представляет собой оптический прибор, позволяющий разложить сложное по составу излучение источника в спектр, из которого можно выделить нужную монохроматическую часть.

Спектрорадиометр есть СИ, предназначенное, в основном, для изме­рения спектральной плотности энергетической величины, характеризующей излучение. Спектрофотометр есть СИ, предназначенное, в основном, для измерения отношения двух спектральных величин, характеризующих излу­чение или образец.

При измерениях энергетических параметров и характеристик лазерного излучения типовыми СИ служат измерители мощности и энергии лазерного излучения, которые в дальнейшем будем именовать соответственно лазер­ными ваттметрами и джоульметрами.

Последующие главы этой части книги посвящены рассмотрению типовых технических средств оптической радиометрии, применяемых при выполнении технических измерений. Технические средства, используемые в эталонных экспериментах, не относятся к числу типовых и будут описаны в составе систем воспроизведения единиц и передачи их размеров.

Глава 6 ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ГОЛОВКИ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФОТОМЕТРЫ

6. 1. Общие сведения

В рассматриваемых задачах оптической радиометрии ФГ служит состав­ной частью фотометра как измерительного прибора, что дает нам право счи­тать ее ИП. Основная задача прецизионного приборостроения для световых измерений — это создание фотометров различного назначения (люксметров, яркомеров и др. ) с высоким качеством коррекции спектральной характери­стики ФГ этих приборов под относительную спектральную световую эффек­тивность V(λ ). Погрешность, вызванная отклонением спектральной характе­ристики от V(λ ), неразрывно связана со спектральным составом измеряемого излучения и, как следствие, с назначением прибора [4а].

В практику отечественной фотометрии на смену старым стрелочным се­леновым люксметрам и зрительным фотометрам сравнения пришли прибо­ры нового поколения, соответствующие требованиям и рекомендациям Μ КО [53, 54].

Первые объективные фотометры были созданы во ВНИИМ им. Д. И. Мен­делеева на основе селеновых фотоэлементов. Основные их недостатки — утом­ляемость, нелинейность функции отклика (характеристики преобразования), неравномерность распределения К_пр по приемной площадке фотоэлемента (зонная характеристика), низкое качество коррекции под относительную спек­тральную световую эффективность. И в итоге — большая суммарная погреш­ность СИ световых величин.

В табл. 6. 1. приведена номенклатура ФГ и приборов для световых измере­ний, предлагаемых МКО (ТС2-37). Помимо типа ОЭИП и оптического преобразователя в таблице приведены единицы участвующих в преобразовании входных и выходных величин, а также единицы, в которых градуированы приборы.

 

Таблица 6. 1. Фотометрические головки и приборы для световых измерений

Наименование ИП или прибора	Тип ОЭИП	Оптические преобразова­тели	Наличие систем термоста­билизации	Электронные блоки	Кпр или шкала
V (А) — корри­гированный приемник	Кремниевый фотодиод	фильтр	-	-	А/лк
Фотометр	Тоже	Тоже	+	Усилитель-преобразователь, блок индикации	А/лк, В/лк, лк, кд/м2
Фотометричес­кая головка	Тоже	Тоже	+	Усилитель	А/лк, В/лк
Люксметр	Тоже	-фильтр, диффузный рассеиватель	+, -	Усилитель-преобразователь, блок индикации	лк
Яркомер	Тоже	-фильтр, объектив	+, -	Усилитель-преобразователь, блок индикации, видоискатель	кд/м2

 

Развитие технологий промышленного выпуска полупроводниковых при­боров, особенно в области кремниевых фотодиодов (SiФДl), открыло новые возможности для создания объективных прецизионных СИ световых величин, т. е. физических фотометров. Современный уровень прецизионного приборо­строения позволяет говорить о приборах, имеющих погрешность 3-5 % для источников света со сложным спектральным составом, и о приборах с по­грешностью 5-8% для цветных источников света. Особо важная роль при этом отводится измерению спектральной характеристики прибора. Корриги­рованные ФГ используются при создании фотометров различного назначения (люксметров, яркомеров), а также применяются самостоятельно в качестве компараторов при передаче размеров единиц световых величин при выполне­нии эталонных измерений, например, в фотометрическом шаре для передачи размера единицы светового потока. Группу корригированных Φ Γ можно при­менять в качестве перевозимых эталонов для сличений.

Для того чтобы погрешность РСИ фотометрических величин не превы­шала нескольких процентов, необходимо в эталонных СИ иметь фотометры заведомо более высокой точности. Это означает, что, помимо ФГ для РСИ световых величин необходимо было разработать конструкцию и технологию изготовления прецизионной фотометрической головки (ПФГ) как ос­новного узла высокоточного фотометра.

Для создания прецизионной ФГ с фотоэлектрическим ОЭИП необходимо было в первую очередь отобрать и исследовать по совокупности метрологи­ческих параметров различные типы SiФД, а также разработать наиболее совершенную технологию изготовления стабильных во времени светофильтров с коррекцией их спектральной характеристики под   и иметь возможность точного измерения спектрального коэффициента пропускания фильтра.

Важность и значимость создания именно ПФГ и высокоточного фотометра на ее основе подтверждает рис. 6. 1, на котором показаны основные решаемые этими средствами фотометрические задачи, а также характеристики ПФГ, подлежащие определению при ее калибровке [4а].

 

Рис. 6. 1. Фотометрические измерительные задачи

 

Наиболее значимыми источниками основной погрешности фотоэлектри­ческого ИП являются неточности определения его спектральной характери­стики, а также нелинейность характеристики преобразования в диапазоне измерений и ЗХ SiФД. Источниками дополнительной систематической по­грешности могут явиться температурный и временной дрейф (деградация) коэффициента преобразования ИП. Важнейшей метрологической характери­стикой корригирующего фильтра служит спектральный коэффициент про­пускания. Неточность его определения непосредственно входит в качестве составляющей в основную погрешность фотометра, а температурные и вре­менные вариации так же, как и в случае SiФД, порождают дополнительную погрешность. Поэтому выбору этих элементов и оптимизации моделей для отработки технологических процессов изготовления светофильтров были предпосланы разработка во ВНИИОФИ методик и установок для выполнения перечисленных метрологических исследований SiФД и фильтров, а также выполнение большой серии отборочных экспериментов [4а].

Объектами сравнения служили несколько типов наиболее часто исполь­зуемых отечественных SiФД и широко распространенные в международной практике ФД фирм ЮДТ (США) и Хамаматсу (Япония). Все исследова­ния проводились на автоматизированной аппаратуре ВНИИОФИ, описанной в следующих параграфах.

⇐ Предыдущая21222324252627282930Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: