ИНФРАКРАСНЫЙ КОЛЛИМАТОР

Предполагаемая полезная модель относится к оптическому приборостроению и предназначена для контроля параметров тепловизионных приборов (ТВП).
Известна лабораторная установка для измерения минимальной разрешаемой разности температур (см. Ллойд Д. Системы тепловидения. М. 1978 г., стр.392, 393), представляющая собой коллиматор, содержащий объектив, миру, излучатель, устройство поддержания разности температур между излучателем и мирой.
Недостатком данной установки является то, что для поддержания постоянного (заданного) уровня контрастного излучения при изменении температуры окружающей среды оператор должен соответствующим образом изменять разность температур между излучателем и мирой, что сложно, не позволяет оперативно отслеживать колебания температуры окружающей среды и может привести к ошибкам.
Наиболее близким к предполагаемой полезной модели (прототипом) по технической сущности и достигаемому эффекту является инфракрасный коллиматор (Свидетельство на полезную модель №29155, кл. G 02 B 27/30, 2002 г.), содержащий объектив, миру, размещенную в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора перед фоновым излучателем, снабженным нагревателем, устройство измерения температуры окружающей среды, корректор и устройство поддержания разности температур, вход которого подключен к выходу корректора, а выход - к нагревателю фонового излучателя. Устройство поддержания разности температур поддерживает разность температур между фоновым излучателем и мирой, пропорциональную напряжению, подаваемому на вход данного устройства с выхода корректора. Это напряжение представляет собой кусочно-линейную
аппроксимацию зависимости (номинальной зависимости) выходного напряжения корректора от температуры окружающей среды, при которой обеспечивается поддержание постоянного (заданного) уровня контрастного излучения. Эта зависимость снимается при калибровке инфракрасного коллиматора во всем рабочем диапазоне температур окружающей среды.
К недостатку данного инфракрасного коллиматора можно отнести сравнительно большую погрешность (до 0,3 К при уровне контрастного излучения 3 К) поддержания уровня контрастного излучения при изменении температуры окружающей среды, обусловленную значительным различием между ломаной линией, аппроксимирующей номинальную зависимость, и самой номинальной зависимостью, (т.е. обусловленную погрешностью кусочно-линейной аппроксимации).
Целью предполагаемой полезной модели является повышение точности поддержания уровня контрастного излучения, в результате чего повышается точность контроля основных параметров тепловизионных приборов.
Указанная цель достигается тем, что в инфракрасный коллиматор, содержащий объектив, миру, размещенную в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора перед фоновым излучателем, снабженным нагревателем, датчик температуры окружающей среды, корректор и устройство поддержания разности температур, вход которого подключен к выходу корректора, а выход - к нагревателю фонового излучателя, дополнительно введен преобразователь, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выводам датчика температуры окружающей среды, выход - к входу корректора, а датчик температуры окружающей среды имеет экспоненциальную зависимость сопротивления от температуры, а также тем, что преобразователь содержит последовательно соединенные первый формирователь стабилизированного напряжения, первый элемент сопротивления и второй элемент сопротивления, при этом первый вывод второго элемента сопротивления
соединен со вторым выводом первого элемента сопротивления и является первым входом преобразователя, а второй вывод второго элемента сопротивления является вторым входом преобразователя, а также второй формирователь стабилизированного напряжения, выход которого подключен к первому входу дифференциального усилителя, второй вход которого подключен к первому входу преобразователя, при этом выход дифференциального усилителя является выходом преобразователя.
На фиг.1 представлена функциональная схема инфракрасного коллиматора, на фиг.2 - функциональная схема преобразователя, на фиг.3 - графики выходных напряжений преобразователя, на фиг.4 - графики выходных напряжений корректора и преобразователя.
Инфракрасный коллиматор (фиг.1) содержит объектив 1, миру 2, установленную в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора перед плоскостным фоновым излучателем 3, снабженным нагревателем 4, устройство 5 поддержания разности температур между фоновым излучателем 3 и окружающей средой, выход которого подключен к нагревателю 4, корректор 6, выход которого подключен к входу устройства 5 поддержания разности температур, преобразователь 7, выход которого подключен к входу корректора 6, датчик температуры окружающей среды 8, имеющий экспоненциальную зависимость сопротивления от температуры, первый вывод которого подключен к первому входу преобразователя 7, а второй вывод - ко второму входу преобразователя 7. На чертеже также показан контролируемый тепловизионный прибор 9.
Преобразователь 7 (фиг.2) содержит последовательно соединенные первый формирователь стабилизированного напряжения 10, первый элемент сопротивления 11 и второй элемент сопротивления 12, при этом первый вывод второго элемента сопротивления 12 соединен со вторым выводом первого элемента сопротивления 11 и является первым входом преобразователя 7, а второй вывод второго элемента сопротивления 12 является вторым входом преобразователя 7, а также второй формирователь
стабилизированного напряжения 13, выход которого подключен к первому входу дифференциального усилителя 14, второй вход которого подключен к первому входу преобразователя 7, при этом выход дифференциального усилителя 14 является выходом преобразователя 7.
Работает инфракрасный коллиматор следующим образом. Участки в центральной части рабочей поверхности фонового излучателя 3, не закрытые мирой 2 (которая может быть выполнена, например, в виде зеркального покрытия, нанесенного на всю рабочую поверхность плоскостного фонового излучателя, за исключением нескольких участков в его центральной части, представляющих собой, например, параллельные друг другу полосы, см. вид А фиг.1), расположенной в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора, создают за счет определенного подогрева фонового излучателя 3 и того, что зеркальная мира 2 отражает падающий на нее поток инфракрасного излучения от внутренней поверхности корпуса инфракрасного коллиматора (имеющей температуру, практически равную температуре окружающей среды), контрастный (с определенным уровнем контрастного излучения) поток инфракрасного излучения, который формируется объективом 1 и направляется во входной зрачок исследуемого тепловизионного прибора 9. В тепловизионном приборе 9 контрастное ИК излучение преобразуется в яркостный контраст в видимой области, величина которого пропорциональна уровню контрастного излучения.
Поддержание постоянного уровня контрастного излучения обеспечивается автоматическим изменением в соответствии с изменением температуры окружающей среды напряжения, подаваемого на вход устройства 5 поддержания разности температур. Изменение этого напряжения осуществляется следующим образом.
Сигнал с датчика 8 температуры подается на вход преобразователя 7. Величина сигнала определяется сопротивлением датчика 8 температуры и протекающим через него током.
Зависимость сопротивления датчика 8 температуры от температуры -экспоненциальная. В качестве датчика 8 температуры может быть использован, например, полупроводниковый датчик типа СТ4-16 ОЖО.468.169 ТУ. Его сопротивление при температуре Т Кельвина (К) равно:
Т
О
B(298-T)/298·T
R=R·e,
где В≈3600,
O
R - сопротивление датчика при 298 К,
е - основание натуральных логарифмов.
9
Напряжение на первом выводе датчика 8 температуры (без учета входного сопротивления дифференциального усилителя 14, которое у современных операционных усилителей очень велико и может быть больше 10 Ом) равно:
11
10
11
12
T
12
T
причем, I=U/(R+R·R/(R+R)),
11
где I - ток, протекающий через первый элемент сопротивления 11;
11
R - сопротивление первого элемента сопротивления 11;
12
R - сопротивление второго элемента сопротивления 12.
11
T
12
T
T1
T
T1
1
Как видно из формулы 1, при R11≫RT (т.е., ток I практически не зависит от R) и R≫R напряжение U=КR (где К - коэффициент пропорциональности), т.е. зависимость U=f (Т) будет иметь экспоненциальную форму.
11
10
11
T
12
T0
T
12
T2
2
T0
0
0
T1
T2
При R≈R (в этом случае ток I будет уменьшаться при увеличении R) и R≈10R (при увеличении R шунтирующее влияние R будет увеличиваться) зависимость U=f (Т), как показывают расчеты, будет близка к линейной (R - сопротивление датчика 8 температуры при температуре окружающей среды Т, где Т - температура в середине рабочего диапазона температур окружающей среды). Напряжение U(U)
П1
П2
поступает на второй вход дифференциального усилителя 14, с выхода которого усиленное и смещенное (за счет поступления на первый вход дифференциального усилителя 14 напряжения со второго формирователя стабилизированного напряжения 13) напряжение U(U) поступает на вход корректора 6.
H
КП
Номинальный закон изменения разности температур ΔТ между фоновым излучателем 3 и мирой 2 при изменении температуры окружающей среды Т (номинальный закон изменения напряжения на выходе корректора U) индивидуален у каждого инфракрасного коллиматора, но характер зависимостей у всех инфракрасных коллиматоров схожий и, в общем случае, имеет вид:
H
КН
3
3
ΔT=N/T (U=M/T)
где N и М - коэффициенты пропорциональности (см. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов, 1983 г., стр.227, 228).
КН
П1
1
П2
2
min
max
КН
Зависимость U приведена на фиг.3 (график 1). На фиг.3 приведены также зависимости U=F(Т) и U=F(Т) (графики соответственно 2 и 3), причем для удобства сравнения они нормализованы, т.е. усилены и смещены так, чтобы они совпадали в точках А и В (т.е. при соответственно минимальном Т и максимальном Т значении рабочего диапазона температур окружающей среды) с зависимостью U.
11
12
ПР
КН
График 1 фиг.3 находится между графиками 2 и 3, т.е., установив соответствующие значения сопротивлений R и R, коэффициента усиления дифференциального усилителя 14 и выходного напряжения второго формирователя стабилизированного напряжения 13, можно получить реальную зависимость напряжения на выходе преобразователя 7 U, близкую к номинальной (требуемой) зависимости U.
ПР
Напряжение U (см. график 1 фиг.4) поступает на вход корректора 6, который обеспечивает повышение точности аппроксимации зависимости
КН
ПР
корр.
U (см. график 4 фиг.4) суммированием U с корректирующим напряжением U (или, при необходимости, суммированием с несколькими корректирующими напряжениями).
корр.
ПР
см.
а
ПР
КН
ад
Напряжение U (см. график 2 фиг.4) получается путем смещения напряжения U на величину U (напряжения, соответствующего температуре окружающей среды Тем., при которой ошибка аппроксимации Δ=|Т-Т| становится равной или близкой к максимально допустимому значению ошибки аппроксимации Δ), усиления полученного напряжения Unp (коэффициент усиления, как правило, меньше 1) и детектирования полученной зависимости (обеспечения равенства нулю корректирующего напряжения при температурах окружающей среды, больших Тем.).
ПР
корр.
КР
КР
a
ад
Полученная при суммировании U и U результирующая зависимость на выходе корректора 6 от температуры окружающей среды U (график 3 фиг.4) обеспечивает в случае, приведенном на фиг.4, аппроксимацию зависимости U с требуемой точностью во всем рабочем диапазоне температур окружающей среды (Δ≤Δ).
ПР
В общем случае формируется и суммируется с U такое количество корректирующих напряжений, которое обеспечивает требуемую точность аппроксимации.
КЛ
КН
КН
акл
а
На фиг.4 приведена для сравнения зависимость U (график 5), представляющая собой кусочно-линейную аппроксимацию зависимости U (зависимость U формируется устройством, не имеющим преобразователь 7, т.е. прототипом рассматриваемого устройства). Погрешность аппроксимации в этом случае (как видно на фиг.4) Δ значительно больше Δ.