17.2. Государственная поверочная схема для средств измерений мощности и энергии лазерного излучения и Государственный первичный эталон
17. 2. Государственная поверочная схема для средств измерений мощности и энергии лазерного излучения и Государственный первичный эталон Государственную поверочную схему возглавляет разработанный, хранимый и эксплуатируемый во ВНИИОФИ, г. Москва ГПЭ единицы мощности непрерывного лазерного излучения, воспроизводящий ее размер с помощью двух основных элементов: эталонного калориметрического ОЭИП и аргоново-" го лазера с длиной волны выходного излучения ~ 0, 5 мкм. Оптическая схема ГПЭ содержит еще два главных элемента: дифракционный делитель пучка на основе голографической решетки и метрологический затвор, «вырезающий» при необходимости из непрерывного потока излучения импульс с крутыми фронтами длительностью 1 с. Эталонный ОЭИП по существу является абсолютным радиометром с рабочим и термокомпенсационным идентичными полостными приемниками излучения, обладающим большой постоянной времени (до 60 с). Мощность излучения лазера в диапазоне от 0, 08 до 1, 0 Вт (любое значение в этом интервале) подается на дифракционный делитель. Дифрагировавшие в +1-й и —1-й по-рйдки одинаковые (с точностью до измеренного коэффициента деления 1: 1) пучки излучения разведены в пространстве и одновременно направляются соответственно в ОЭИП ГПЭ и ОЭИП ВЭ, которому передается размер единицы. Конструктивно оба ОЭИП идентичны, их приемники излучения снабжены обмотками нагревания постоянным электрическим током, реализующими из- I мерения методом замещения. Это означает, что измерительная обмотка приемника излучения попеременно реагирует на 1) тепловой поток, вызванный воздействием измеряемой оптической мощности и 2) порожденный преобразованием в тепло электрической мощности, подаваемой в обмотку нагревателя, обычно именуемую обмоткой (или катушкой) замещения. Мощность электрического тока измеряется с высокой точностью с помощью эталонной ка- ' тушки сопротивления, потенциометров и серийных высокоточных цифровых мультиметров. Поскольку ОЭИП сконструирован таким образом, что пути распространения по нему тепловых потоков, явившихся результатами преобразования оптической и электрической мощностей, практически одинаковы, и соответствующие коэффициенты преобразования обеих мощностей в измерительные электрические сигналы весьма мало отличаются друг от друга, по 1 измеренной электрической мощности с минимальной погрешностью (не превышающей 0, 1%) определяется значение измеряемой оптической мощности.
В соответствии с российской государственной поверочной схемой ГОСТ 8. 275-91 размеры единиц мощности (ватта) и энергии (джоуля) передаются эталону — копии Государственного первичного эталона, разработанному для Сибирского Государственного НИИ Метрологии (СНИИМ, г. Новосибирск), а также нескольким экземплярам вторичных эталонов этих единиц, разработанным и переданным в российские территориальные метрологические органы. Дальнейшая передача размеров единиц мощности и энергии от ВЭ к РСИ осуществляется либо непосредственно, либо посредством рабочего эталона (РЭ) соответствующего точностного разряда. Наряду с государственной поверочной схемой отдельные ведомства для специализированных СИ в лазерометрии имеют локальные поверочные схемы, согласованные с государственной. Не описывая ВЭ, практически аналогичный ГПЭ, остановимся подробно на двух РЭ — единиц средней мощности и энергии короткоимпульсного лазерного излучения — в качестве примеров, иллюстрирующих различные этапы разработки и исследований этих высокоточных СИ [2].
17. 3. Рабочий эталон единицы мощности непрерывного лазерного излучения 17. 3. 1. Выбор структурной схемы эталона. Рабочий эталон единицы мощности (РЭМ) состоит из' трех основных частей: 1) аппаратуры измерения мощности лазерного излучения, предназначенной для получения размера единицы от ВЭ и передачи его далее по поверочной схеме; в ее состав входят: эталонный ОЭИП калориметрического типа, снабженный обмоткой замещения для подачи в него электрической мощности, и СИ электрических сигналов на основе АЦП (в конкретном варианте РЭМ использован AD7714-5); 2) аппаратуры передачи размера единицы мощности калибруемым или поверяемым СИ; в ее состав входят: лазерные устройства, генерирующие излучения с длинами волн 0, 532 и 0, 96-0, 98 мкм; оптическая система, включающая в себя разводящую и фокусирующую оптику; ОЭИП, используемые в качестве преобразователей в контрольных СИ относительного уровня мощности лазерного излучения и именуемые в дальнейшем приемниками-«свидетелями»; ослабитель мощности лазерного излучения; 3) системы управления РЭМ и численной обработки результатов измерений. Построению структурной схемы РЭМ предшествовал анализ возможных вариантов оптических схем, обеспечивающих выполнение метрологических требований к эталону. В зависимости от способа передачи оптической мощности от ВЭ на приемную площадку ОЭИП РЭМ возможны так называемые параллельный и последовательный варианты. В первом из них используются калиброванные делители мощности оптического излучения, а во втором — система измерения относительного уровня мощности. Оптическая схема в параллельном варианте. Использование делителя излучения в РЭМ при реализации способа одновременной подачи мощности лазерного излучения на эталонный ОЭИП и поверяемое (калибруемое) СИ предъявляет к нему ряд требований, среди которых наиболее важными являются: · обеспечение с высокой точностью одинакового уровня мощности лазерного излучения (коэффициент деления Кд = 1) в обоих каналах; · обеспечение возможно высокого уровня мощности лазерного излучения в обоих каналах при выходной мощности источника излучения Ропт = (1-1, 1) Вт. Эти требования предопределяют выбор делителя излучения. При разработке оптической схемы были проанализированы варианты использования поляризационного делителя, акусто-оптического модулятора и дифракционной решетки. Основными препятствиями к реализации этих вариантов соответственно явились:
· громоздкость, а также отсутствие материалов для двулучепреломляю-щих кристаллов в ИК области спектра; · значительная (~ 3 %) погрешность определения коэффициента деления акусто-оптического модулятора; · необходимость использования в составе РЭ не только встроенных, но и внешних источников лазерного излучения в широком спектральном диапазоне, что приводит к необходимости введения в состав РЭМ большого количества делителей и это, в свою очередь, требует постоянной их смены в зависимости от спектрального диапазона и соответствующей переюстировки оптической системы эталона. Кроме того, сами источники лазерного излучения не являются строго монохроматичными, что при использовании дифракционной решетки приводит к разложению излучения в спектр и, соответственно, к значительным потерям мощности. Оптическая схема в последовательном варианте. В упрощенном варианте эта схема представлена на рис. 17. 1. Она состоит из следующих узлов: источника лазерного излучения 1, делительной пластины 2, формн рующей оптики 3, эталонного ОЭИП 4, контрольного средства измерений I измерительного преобразователя по- -; веряемого (калибруемого) СИ б. Такая схема предполагает измере-(те значения оптической мощности с помощью измерительного преобразователя 4 и последующей установки на его место преобразователя поверяемого (калибруемого) СИ 6. При этом с помощью преобразователя контрольного средства измерений 5 фиксируется возможное изменение мощности ис- | точника лазерного излучения 1 в процессе проведения передачи размера единицы. Известные недостатки этого варианта, связанные с большой длительностью передачи размера единицы, здесь отсутствуют, поскольку современная технология позволяет создать высоко- Рис. 17. 1. Схема с использованием системы измерения относительного уровня мощности: 1 — источник непрерывного лазерного излучения; 2 — делительная пластина; 3 — линза; 4 — эталонный ОЭИП; 5 — контрольное средство измерений; б — измерительный преобразователь поверяемого (калибруемого СИ) точные измерительные преобразователи с постоянной времени, не превышающей τ = 10 с, что при длительности измерений, равной Юг, сокращает процесс передачи размера единицы до 2 мин.
Необходимость обработки значительного массива данных и высокие требования к аппаратуре измерения электрических сигналов являются легко решаемыми задачами при нынешнем уровне вычислительной техники и современных АЦП.
17. 3. 2. Алгоритм работы эталона. Эталон может функционировать в трех режимах: передачи ему размера единицы от ВЭ; передачи размера единицы от него поверяемому (калибруемому) СИ; измерения выходной мощ-ности источников лазерного излучения. В первом режиме эталонный ОЭИП РЭМ (рис. 17. 1) получает от ВЭ размер единицы мощности в виде коэффициента эквивалентности Кэ воздействия на него оптической мощности Ропт и эквивалентной электрической мощности Рэ, вводимой в его обмотку замещения и вызывающей выходной сигнал ОЭИП, близкий по значению сигналу под действием Ропт. Значение коэффициента эквивалентности вычисляется по формуле
Долговременная стабильность Кэ контролируется путем измерения стабильности коэффициента преобразования эталонным ОЭИП электрической мощности Кпрэ; заданный уровень стабильности свидетельствует о неизменности тепловых потерь преобразователя. Как указывалось ранее, выбранная схема построения РЭМ предполагает измерение значения оптической мощности с помощью эталонного ОЭИП и последующую установку на его место преобразователя поверяемого (калибруемого) СИ б (рис. 17. 1) (второй режим). При этом с помощью приемника-«свидетеля» 5 фиксируется возможное изменение мощности источника лазерного излучения в процессе проведения передачи размера единицы. Тогда на первом этапе коэффициент отражения плоскопараллельной пластины определяется из выражения
где где Кэ — коэффициент эквивалентности ОЭИП, определенный в процессе передачи размера единицы от ВЭ; Рэл =
— скорость дрейфа эталонного ОЭИП; t1 — момент времени начала отсчета выходного сигнала эталонного ОЭИП; Значение Vопт определяется из соотношения
где
На втором этапе определяется значение коэффициента отражения плоскопараллельной пластины с помощью поверяемого (калибруемого) СИ:
Приравнивая (17. 2) и (17. 6), получаем значение мощности непрерывного лазерного излучения РОПТ2 на входе поверяемого (калибруемого) СИ:
В зависимости от режима работы эталона (поверка (калибровка) СИ или измерение выходной мощности источника излучения) пользуются выражением (17. 7) или (17. 3), соответственно. Сопоставляя выходной сигнал поверяемого (калибруемого) СИ или источника лазерного излучения с мощностью соответственно на его входе или выходе, определяют степень расхождения полученных и нормируемых метрологических характеристик поверяемого (калибруемого) объекта. 17. 3. 3. Анализ точности эталона. Анализ погрешностей эталона и его основных компонентов позволяет оценить тот объем расчетов и экспериментальных исследований, который приходится выполнить при оценке важнейшей метрологической характеристики этого высокоточного СИ — его точности. Точность характеризуется суммарной погрешностью эталона [87], включающей случайные погрешности ВЭ и РЭМ и погрешность передачи размера единицы мощности от ВЭ к РЭМ. С другой стороны, суммарная погрешность РЭМ должна включать и погрешность всех измерений, выполняемых в процессе воспроизведения этим эталоном размера единицы мощности. Таким образом, суммарная погрешность РЭМ, выраженная в виде среднего квадратического отклонения (СКО)
где Как видно из формулы (17. 8), две первых составляющих суммарной погрешности присущи ВЭ и при нашем рассмотрении следует считать их известными, взятыми из паспортов ГПЭ и ВЭ: Погрешность измерительного преобразователя РЭМ. Используемый в составе РЭМ ОЭИП работает в режиме замещения оптической мощности эквивалентной электрической мощностью. Основной характеристикой ОЭИП в этом режиме является коэффициент эквивалентности Кэ замещения, а основной метрологической характеристикой ОЭИП — погрешность определения коэффициента эквивалентности Кэ. Погрешность определения Кэ разделяется на две группы составляющих: первая группа обусловлена источниками появления погрешностей Собственная погрешность эталонного ОЭИП. СКО
где Составляющие погрешности Погрешность измерения выходных электрических сигналов измерительного преобразователя и электрической мощности замещения. Для расчета погрешности измерения электрических сигналов необходимо представить (17. 3) в виде явной зависимости от непосредственно измеряемых величин. Необходимо учесть, что все выходные электрические сигналы измеряются в виде разности собственно выходного электрического сигнала и «нулевого» исходного значения сигнала (Vo). Тогда выражение (17. 3) запишется в виде
Искомая погрешность 5оэрэм измерения электрических сигналов определяется погрешностью измерений всех входящих в (17. 10) величин, кроме Кэ, Для расчета погрешности При измерениях тока и напряжения при определении электрической мощности, подаваемой в обмотку замещения, необходимо учитывать, что их значения достаточно велики. Например, значение напряжения находится в диапазоне (0, 01-1) В. В этом диапазоне погрешность АЦП AD-7714 весьма мала и составляет 0, 0004 %. Погрешность измерения электрической мощности Для расчета относительного СКО
где В свою очередь, относительное СКО
Поскольку
Тогда выражение (17. 12) можно записать в виде
Подставляя (17. 14) в (17. 12), получаем
Для СКО измерения тока и напряжения аналогично можно записать:
Поскольку ток / и напряжение U представлены в выражении (17. 10) не в виде произведения близких по своему значению величин, то при расчете погрешностей их измерений необходимо учитывать также НСП АЦП AD-7714-5. Используя (17. 15), (17. 16), (17. 17), получаем
Для расчета Этот 24-разрядный АЦП имеет следующие метрологические характеристики. Нелинейность, % 0, 0015 Выходной шум, мкВ 0, 14 Коэффициент усиления 128 Первая частота режекции и частота выдачи данных, Гц 2 Дрейф полной шкалы, мкВ/ °С 0, 3 Дрейф усиления, ppTFSP/ °C 0, 5 Погрешность нижнего конца шкалы в биполярном режиме, % 0, 0015 Погрешность верхнего конца шкалы, мкВ 0, 14 Значение младшего значащего разряда на шкале 1 В, Нв 59, 6 Значение младшего значащего разряда на шкале 10 В, нВ 596 Как видно из приведенной таблицы, значение младшего значащего разряда составляет 59, 6 нВ, что при чувствительности измерительного преобразователя ~ 0, 25 В/Вт и минимальной измеряемой мощности 50 мкВт составляет (59, 6/12 500 х 100 %) ~ 0, 5 % на самом младшем пределе измерений. Если для оценки сверху СКО σ ο инструментальной составляющей основной погрешности принять, что основная погрешность целиком обусловлена случайной составляющей, то полуширину закона распределения этой погрешности ± 2σ ο можно приравнять Поскольку СКО погрешности дискретности
Из (17. 19) и описания АЦП AD-7714-5 следует, что при измерении минимального значения мощности лазерного излучения 50 мкВт Из (17. 18) с учетом (17. 19) можно рассчитать СКО погрешности Тогда для минимального значения оптической и электрической мощности и соответствующего значения выходного электрического сигнала, равного 12, 5 мкВ, значение Из (17. 18) следует, что
Таблица 17. 1. Зависимость СКО 5оэрэм от уровня измеряемого электрического сигнала
Погрешность передачи размера единицы мощности лазерного излучения. При передаче размера единицы мощности лазерного излучения погрешность передачи обусловливается нестабильностью мощности лазерного излучения и неточностью определения значения коэффициента деления плоскопараллельной пластины (делителя лазерного излучения за время передачи размера единицы). Погрешность, обусловленная нестабильностью мощности лазерного излучения. Изменение во времени выходной мощности носит сложный характер: наряду с дрейфом среднего уровня мощности, могут происходить ее флуктуации относительно среднего уровня, причем изменение мощности на несколько десятых процента может происходить за небольшой интервал времени по сравнению со временами протекания переходных процессов в эталонных измерительных преобразователях и ОЭИП поверяемых (калибруемых) СИ. Иногда изменения мощности на несколько десятых или единиц процентов могут носить скачкообразный характер. При анализе влияния нестабильности были проведены оценки погрешности определения коэффициента преобразования поверяемого (калибруемого) СИ для следующих случаев проявления нестабильности: · скачкообразного изменения мощности от значения Ропт до значения · стационарных флуктуации мощности относительного среднего уровня Ропт, происходящих с СКО · линейного дрейфа мощности с относительной скоростью где Проведем оценку составляющей погрешности передачи размера единицы мощности, обусловленную нестабильностью лазера, для случая однократных отсчетов показаний обоих измерительных преобразователей, одновременно зарегистрированных в момент времени t. В общем случае погрешность в момент времени t будет равна
где * — обозначает свертку функций; g1(t), g2(t) — импульсные переходные характеристики ОЭИП и поверяемого (калибруемого) СИ, соответственно. Так как все измерения выходных сигналов обоих измерительных преобразователей производятся в установившемся режиме, т. е. при t > Туст, где Туст — время установления стационарных показаний наиболее инерционного измерительного преобразователя, то член, стоящий в знаменателе выражения (17. 20), с точностью до соответствующей меры нестабильности (ε или σ опт) может быть заменен произвольным значением мощности в течение интервала времени порядка Туст, т. е. ее средним значением. Погрешность, обусловленная нестабильностью мощности лазерного излучения, определяется членом, стоящим в числителе выражения (17. 20), и при определенном виде Импульсные характеристики измерительных преобразователей определяются их постоянными времени и дальнейшее рассмотрение 1) При скачкообразном изменении мощности, происшедшем в момент времени
Анализ выражения (17. 21) показывает, что значение δ (t) для погрешности δ связано с
Где Импульсные переходные функции рассматриваемого типа преобразователей описываются одной экспонентой и имеют вид
Подстановка (17. 23) в выражение (17. 22) приводит к следующей зависимости
Где В качестве модели Исследование этой модели после интегрирования выражения (17. 24) приводит к следующей зависимости:
Анализ выражения (17. 25) показывает, что при заданных значениях-
Использование в качестве Подставляя в выражение (17. 26) значения
Из соотношения (17. 27) при 2) Для второго случая, когда значения
и ε не должно превышать 0, 25 % при любом значении 3) При дрейфе мощности, т. е. при ее изменении с медленно изменяющейся в течение интервала времени порядка Туст относительной скоростью
Из (17. 29) видно, что погрешность, обусловленная дрейфом мощности, пропорциональна относительному изменению мощности за интервал времени, равный разности постоянных времени Экспериментальные данные по исследованию Погрешность, обусл
Воспользуйтесь поиском по сайту: ![]() ©2015 - 2025 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|