Глава 7 радиометрические головки и оптические радиометры

Радиометрическая головка принципиально ничем не отличается от фото­метрической, равно как и радиометр структурно построен аналогично фото­метру. Однако поскольку оптический радиометр предназначен для измерений энергетических величин, причем не столько в видимом, сколько в УФ и ИК диапазонах длин волн, ОП и ОЭИП этого СИ обладают иными оптическими свойствами и характеристиками, обеспечивающими достоверность получае­мой количественной информации об объекте. В частности, для изготовления ОП используются, кроме традиционных для видимого диапазона стекол, сап­фир, германий, кварц, селенид цинка и многие другие материалы, прозрачные в требуемом диапазоне длин волн.

Для построения ОЭИП широко применяются приемники излучения теп­ловой группы, а также неохлаждаемые и охлаждаемые вплоть до криогенных температур полупроводниковые структуры на основе Ge и тройных соедине­ний.

Все сказанное относится к радиометрам, измеряющим энергетические ве­личины, характеризующие как некогерентное, так и когерентное излучение, поскольку лазерные ваттметры и джоульметры также принадлежат к этой категории СИ.

7. 1. Абсолютные радиометры

Одной из наиболее-распространенных измеряемых величин в радиометрии некогерентного оптического излучения традиционно считалась энергетиче­ская освещенность, именуемая в радиометрии когерентного оптического излучения плотностью мощности. Возрастающие требования практики к точности измерений как на уровне эталонов, так и в технических измерениях породили сравнительно новые подходы к разработке СИ радиометрических величин, выразившиеся в стремлении к созданию и использованию в различ­ных измерительных задачах самокалибруемых приборов, не нуждающихся в получении размеров радиометрических единиц от эталонов. Более того, возникло желание с помощью этих СИ воспроизводить единицы физических величин в радиометрии не только с помощью эталонных излучателей, но и на основе принципов самокалибровки ПИП. Так в развитие широко распро­страненных в свое время конструкций радиометров появились и начинают занимать в прецизионной оптической радиометрии господствующее положе­ние абсолютные радиометры. Разница между радиометром и абсолютным радиометром заключается в том, что первый из них для измерений потока или оптической мощности в абсолютных единицах требует калибровки с помощью эталонных источника излучения или ОЭИП. Абсолютный радиометр яв­ляется самокалибруемым прибором.

Абсолютная радиометрия обычно реализуется с помощью тепловых ПИП с электрическим замещением, т. е. преобразователь снабжается специальной обмоткой, в которой выделяется достаточно точно измеряемая мощность (или энергия) постоянного (или переменного) тока, поставляемого в эту так называ­емую обмотку замещения сторонним источником питания. С метрологической точки зрения это означает, что в АР реализуется хорошо зарекомендовавший себя в технике точных измерений способ исключения или минимизации си­стематических погрешностей, именуемый методом замещения, под которым понимается метод сравнения, основанный на замещении измеряемой величи­ны известной величиной, воспроизводимой мерой.

Поэтому такие приборы называют (особенно в Северной Америке) элек­трически калибруемыми радиометрами («Electrically Calibrated Radiometers» или «ECR»). В метеорологии их иногда именуют компенсационными пирге-лиометрами («Compensation Pyrheliometer»).

Мы будем придерживаться общепринятого термина АР и, основываясь на принятом международным метрологическим сообществом материале [55], опишем принцип действия тепловых ПИП оптического излучения с электри­ческой калибровкой, их основные элементы и источники погрешностей.

Абсолютные радиометры используются для измерения потока (мощности) излучения в абсолютных единицах — ваттах. Если точно известна площадь облучаемой поверхности, то можно, зная измеренный поток, вычислить энер­гетическую освещенность (облученность). Падающий лучистый поток погло­щается, как правило, приемной площадкой теплового ПИП. (Здесь необходимо отметить, что дальнейшее в равной степени справедливо для всех трех опи­санных ранее основных групп тепловых ПИП-термоэлементов, болометров, пироприемников). В результате поглощения потока повышается температура приемной площадки и всего чувствительного элемента преобразова­теля *), что порождает выходной электрический сигнал, воспроизводимый затем с помощью обмотки замещения.

С учетом ряда влияющих на результат измерения факторов, являющихся источниками погрешностей, определяется значение потока (мощности) пада­ющего излучения.

Идеальный измерительный процесс, протекающий в АР, представлен на рис. 7. 1а [55], из которого следуют три его стадии: преобразование оптиче­ской мощности в тепло; преобразование электрической мощности в тепло; восприятие и преобразование теплового потока в электрический измеритель­ный сигнал. В идеальном АР все три функции выполняет один и тот же чувствительный элемент, поскольку в нем пути распространения оптической и электрической мощности от поверхностей их восприятия до преобразова­теля в электрический измерительный сигнал одинаковы, и коэффициент замещения равен единице. Под последним подразумевается отношение элек­трических измерительных сигналов, поочередно порожденных воздействием на чувствительный элемент АР измеряемой оптической и замещающей ее электрической мощностей.

 

*) Чувствительным элементом или сенсором именуется часть первого в измерительной цепи преобразовательного элемента, находящегося под непосредственным воздействием измеряемой величины.

В реальном АР (рис. 7. 1 б) оба пути неидентичны, что приводит к отличию коэффициента замещения от единицы и возникновению неэквивалентности замещения, порождающей погрешности прибора.

 

Рис. 7. 1. Процессы преобразования в абсолютном радиометре: α — идеальный АР; б — реальный АР

 

На рис. 7. 1 б различие путей распространения мощностей отображено на­личием двух неидентичных преобразователей I и II в тепло. Помимо различия в путях распространения тепла, второй причиной, вызывающей неэквивалент­ность замещения, служит разница между коэффициентами преобразования оптической и электрической мощностей в тепло.

При падении оптической мощности на приемную площадку имеют место процессы поглощения, отражения, распространения, люминесценции, фото­электрические эффекты, структурные изменения материала и т. д.

За некоторыми исключениями (фотоэлектронная эмиссия на длинах волн вакуумного ультрафиолета, структурные изменения материала под воздей­ствием высокоинтенсивных пучков) влияниями этих процессов и эффектов на ПИП можно пренебречь.

Под поглотителем будем понимать материал, в котором доминирует про­цесс преобразования оптической энергии в тепло. Для такого непрозрачного поглотителя справедливо соотношение

где α (λ ) и  — спектральные коэффициенты поглощения и отражения, соответственно. Коэффициент α (λ ) можно интерпретировать как эффектив­ность теплопреобразования поглотителя при длине волны λ. Для использо­вания в АР желательно выбирать материалы с высоким , причем по возможности неселективные. Кроме того, материал должен обладать высокой теплопроводностью, а для уменьшения термической инерционности необхо­дима малая теплоемкость. К материалу поглотителя предъявляются также требования надежной адгезии с подложкой, механической прочности, долго­временной стабильности всех перечисленных свойств.

В АР получили распространение четыре типа различающихся конструк­тивно поглотителей: полостные, дисковые, дисковые с отражателями, кониче­ские [55].

Черненая полость полостного поглотителя с малым входным отвер­стием может иметь коэффициент поглощения порядка 0, 999 и более, причем его отклонения от 1 рассчитываются достаточно точно. Следовательно ПИП с таким поглотителем практически неселективен в широком диапазоне длин волн, что является его главным достоинством. К числу недостатков следует отнести большую теплоемкость, неравномерность ЗХ, трудность обеспечения идентичности распределения тепловой мощности, преобразованной из оптиче­ской и электрической мощностей. С другой стороны, тепловое сопротивление поглощающего слоя оказывает слабое влияние, так как тепловые потери на теплопроводность и конвекцию малы. Кроме того, существенным достоин­ством ПИП с поглотителем такого типа является возможность работы при криогенных температурах.

В дисковых поглотителях плоская приемная поверхность в форме дис­ка покрывается поглощающим оптическое излучение материалом. Они могут иметь малую теплоемкость, но теплопроводности поглотителя и подложки должны быть предельно большими. Коэффициент поглощения зависит, глав­ным образом, от слоя поглощающего материала.

Для существенного увеличения эффективного коэффициента поглощения дискового поглотителя его помещают в центре отражающей полусферы.

В конических поглотителях предпочтительно использовать конус с зеркальной, а не с диффузной отражающей поверхностью поглощения оптической мощности. Критическим параметром является радиус кривизны вершины конуса.

Большую роль в повышении коэффициента поглощения приемной пло­щадки у всех четырех типов поглотителей имеют материалы для ее чернения. В табл. 7. 1 приведены сведения о спектральном коэффициенте отражения, тепловом сопротивлении и теплоемкости наиболее распространенных непро­зрачных поглощающих покрытий [55].

Для дальней ИК области спектра наиболее подходящими чернящими по­крытиями считаются краска ЗМ и лак Парсонса.

Выбор типа теплового сенсора рис. 7. 1, т. е. представителя одной из трех групп тепловых ПИП, диктуется особенностями применения АР и допусти­мым для его использования по назначению значением Ν Ε Ρ, обычно находящимся для тепловых ОЭИП в диапазоне от нескольких микроватт на квад­ратный сантиметр до ~ 100 нВт/см².

Поскольку речь идет о тепловом первичном измерительном преобразовате­ле, то значительный интерес представляют источники погрешностей, которые часто делят на две группы: погрешности от влияния окружающей среды и при­сущие самому прибору, именуемые инструментальными факторами [55]. Для минимизации погрешностей результата измерений в первом случае следует компенсировать влияние среды, окружающей систему излучатель — оптиче­ская трасса-радиометр; во втором случае коррекция сводится к устранению последствий, вызываемых различием путей, по которым распространяются оптическая и электрическая мощности. У обеих групп есть общие черты, а в каждой из групп — свои подгруппы факторов.

Строго говоря, первая группа источников погрешностей не имеет непо­средственного отношения к ПИП теплового типа. Факторы первой группы порождают методические и инструментальные погрешности вследствие их воздействия на процесс прохождения излучения до входа его в ПИП. Следо­вательно, их следовало бы учитывать при анализе точности измерений АР при решении конкретных измерительных задач, что и будет сделано в даль­нейшем.

 

Таблица 7. 1. Спектральный коэффициент отражения, тепловое сопротивление и теплоемкость наиболее распространенных непрозрачных поглощающих покрытий

 

 

 

Материал	Спектральный коэффициент отражения в процентах в диапазоне длин волн (мкм)						Типичные значения теплового сопротивления [мкК*Вт-1м-2]	Теплоемкость [Дж*К-1м-2]
	0, 35	0, 50	1, 0	1, 5	2, 0	2, 5
Черная бархатная краска ЗМ	2, 2	2, 2	2, 3	2, 4	2, 5	2, 7
Оптическая чернь Эппли-Парсонса (лак Парсонса)	2, 0	1, 8	1, 6	3, 7	5, 5	6, 1
Черный лак со спеканием фирмы KodaK	3, 5	3, 3	3, 2	3, 4	3, 7	4, 2	—	—
Сверхплоское черное крилоновое эмалевое покрытие алюминия	0, 2	0, 3	0, 9	1, 2	1, 4	1, 4	—	—
Высокой плотности золотая чернь в воздухе	0, 5	0, 2	0, 4	0, 5	1, 0	1, 4	< 50	0, 25
Низкой плотности золотая чернь в воздухе	0, 8	0, 3	0, 5	0, 5	0, 5	0, 5		0, 25
Углеродная чернь (сажа)	1, 8	2, 0	1, 8	1, 2	1, 0	0, 9

 

Однако для придания общности рассматриваемым вопросам осветим дей­ствующие факторы первой группы и приведем численные оценки их влияния. В первой группе отчетливо различимы следующие факторы:

· дифракция на диафрагмах оптической трассы, расположенных между излучателем и ПИП радиометра;

· поглощение излучения содержащимися в воздухе водяным паром, угле­кислым газом, кислородом (при длинах волн менее 230 нм);

· конечная толщина тонких фильтров в оптической трассе.

Дифракция влияет на результаты измерений АР двумя путями. Во-первых, часть проходящего сквозь входную апертуру АР радиусом г из­лучения не попадает на приемную площадку ПИП радиусом г о, хотя гео­метрически (обычно г_о > г) последняя должна «перехватывать» все излу­чение. Во-вторых, перегородки с отверстиями радиусом R, расположенные вдоль оптической трассы с целью ослабления потоков рассеяния, приводят к обратному эффекту: сквозь входную апертуру АР проходит больший по­ток, чем это следует из геометрии оптической системы. В видимой области спектра влияние обоих факторов порождает погрешность преобразования не более 0, 1 %.

Коррекция влияния дифракции может оказаться полезной при длинах волн более 1 мкм; по крайней мере, часто следует просто оценить порядок значения погрешности.

В ИК абсолютной радиометрии необходимо учитывать поглощение излу­чения водяными парами и углекислым газом, содержащимися в воздухе. Если  обозначает спектральное поглощение либо Н₂О, либо СО₂ в любой полосе оптических частот, то относительное уменьшение выходного сигнала ПИП (и в конечном счете АР) описывается уравнением [55]

,

Где — границы полосы поглощения; — эффективная ширина полосы системы излучатель — ПИП;  и — спектральная плотность облученности, создаваемой источником излучения, и спектральная чувстви­тельность ПИП, соответственно, при этом пропускание любого используемого фильтра может быть включено в

Использование этого уравнения для коррекции результатов — достаточно сложная задача, а при обычно малых концентрациях в воздухе поглощаю­щих паров, коррекция оказывается малоэффективной. Поэтому пользоваться приведенным уравнением рекомендуется при протяженных трассах и особо точных измерениях.

Если поглощение атмосферы должно быть известно достаточно точно (например, с погрешностью не более 10%), то его следует определить экспе­риментально. В противном случае всю систему АР нужно поместить в сухой, непоглощающий газ (кислород при  > 230 нм или азот). Этот прием приме­няется при ожидаемых сильных поглощениях атмосферы.

Хорошо известно, что введение плоскопараллельной стеклянной пластины между излучателем и ПИП сокращает эффективное расстояние от выходного отверстия первого из них до апертурной диафрагмы второго. Этот эффект не имеет значения в относительной радиометрии при сравнении двух источ­ников излучения, поскольку фильтрующее стекло расположено в оптических трассах обоих излучателей. Однако в абсолютной радиометрии эффективное расстояние между входным отверстием ПИП и референтной плоскостью из­лучателя должно быть точно известно. Следовательно, при измерениях важ­но скорректировать проявление эффекта сокращения фильтрами расстояния между излучателем и ПИП.

Если плоскопараллельная пластина толщиной t с показателем прелом­ления n устанавливается в оптической трассе перпендикулярно ее оси, то расстояние сокращается на величину

.

Следовательно, если  обозначает измеряемую энергетическую осве­щенность с фильтром с тем же коэффициентом поглощения, но пренебрежимо малой толщины, то

,

где Е_е — энергетическая освещенность, измеренная с фильтром толщиной t. Это уравнение основывается на справедливости закона обратных квадратов при изменении Е_е по мере удаления от излучателя на расстояние d, что не всегда справедливо, особенно если приходится иметь дело с относительно широкоапертурными излучателями и короткими расстояниями. В таких слу­чаях желательно минимизировать толщину используемых фильтров. Более того, d отображает истинное расстояние между входным отверстием ПИП и излучателем.

Однако в большинстве радиометрических экспериментов референтная плоскость источника отстоит от действующего излучателя (например, нити) на несколько сантиметров. Это необходимо принимать во внимание при ис­пользовании последнего уравнения.

Как и при рассмотрении влияния атмосферы, здесь мы также сталкиваем­ся с методической погрешностью, не имеющей непосредственного отношения к ПИП.

Обратимся ко второй группе влияющих факторов, названных ранее ин­струментальными. В первую очередь это относится к неэквивалентности за­мещения.

Получение равных выходных сигналов теплового ПИП, порожденных воз­действием оптической и электрической мощностей, не означает, что значения оптической Ф_г и электрической Ф_е мощностей точно равны друг другу. Во-первых, часть электрической мощности достигает чувствительного элемента ПИП по токоподводам обмотки замещения. Поскольку она пропорциональна Ф_е, то суммарная подводимая к ПИП электрическая мощность Ф'_е равна

С другой стороны, не вся мощность Ф_r полностью поглощается приемной площадкой ПИП. Небольшая часть  отражается (  — эффективный коэффициент отражения ПИП по отношению к измеряемому излучателю). Поверхность вокруг входной апертуры ПИП нагревается падающим потоком, поэтому в общую наблюдаемую мощность Ф'_г входит добавка , т. е.

Поскольку оптическая и электрическая мощности не рассеиваются точно в одних и тех же направлениях и местах чувствительного элемента ПИП, теп­ловые потери в обоих случаях слегка различны и корректирующее выражение выглядит следующим образом:

где ξ и η — обозначения частичных тепловых потерь за счет неэквивалент­ности замещения, причем £ представляет неэквивалентные тепловые потери излучением, а η — то же, но за счет теплопроводности и конвекции с фронталь­ной площадки ПИП; Е'(ρ, φ ) — пространственное распределение тепловой мощности на единицу поверхности в полярных координатах (ρ, φ ) с началом в центре приемной площадки ПИП.

Другой особенностью, требующей коррекции, является влияние различ­ных пространственных распределений облученности по приемной площад­ке ПИП. Если корректирующие члены ζ τ и η τ в предыдущем уравнении определены для распределения облученности Е_го(ρ, φ ) и если коэффициент преобразования ПИП равен s_r(ρ, φ, Е_r), то корректирующий множитель С, необходимый для нового распределения облученности Е_r1(ρ, φ ), равен [55]

.

Общее выражение для поправок на воздействия всех инструментальных факторов записывается в виде [55]

где С определяется из предыдущего выражения.

Кроме рассмотренных влияющих факторов, воздействующих в той или иной степени на тепловой ПИП любого АР, существуют и другие источ­ники погрешностей, искажающие результаты измерений. Эти погрешности исключаются надлежащим конструированием ПИП и выбором электронной схемы АР, более частой электрической калибровкой прибора в целом и его отдельных компонентов, тщательным контролем параметров окружающей среды. К числу возможных воздействующих факторов относятся: несовер­шенство электрической изоляции чувствительного элемента; возникновение паразитных термоЭДС; зависимость от температуры коэффициента преобра­зования ПИП, коэффициента усиления усилителя и смещения нуля; влияние входных параметров усилителя на характеристики ПИП; колебания в цепи обратной связи электронной схемы АР; неточность значения сопротивления эталонного резистора в схеме измерения тока в обмотке замещения; неучет входного сопротивления вольтметра на зажимах резистора и погрешность прибора; погрешность за счет циркуляции паразитных токов между зажима­ми цепи и пр.

Однако эти факторы не оказывают существенного влияния на точность результатов технических измерений, выполняемых с использованием АР. Вме­сте с тем при проведении эталонных измерений, особенно на уровне первичных и вторичных радиометрических эталонов, проводится тщательный анализ результатов воздействия каждого из факторов, влияние которого не удалось скомпенсировать при конструировании АР.

Наряду с АР, эксплуатируемыми при температурах окружающей среды, все большую, популярность в прецизионной оптической радиометрии приоб­ретают описанные ранее криогенные абсолютные радиометры.

⇐ Предыдущая26272829303132333435Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: