ОПТИЧЕСКИЙ РАДИОМЕТР

Полезная модель относится к оптико-электронному приборостроению, в частности к прецизионной оптической радиометрии, основанной, преимущественно на пироэлектрическом преобразовании слабого измеряемого излучения в электрические сигналы, и может быть использована в медицинской практике в качестве высокоточного бесконтактного термометра, а также в широкой группе областей с высокоточным измерением излучаемой мощности, таких как, например радиоастрономия и физическое материаловедение.
Не смотря на разнообразный и протяженный во времени опыт развития оптико-радиометрического приборостроения (см., отечественные изобретения, например авторские свидетельства СССР (а.с.) №787910, G01J 5/02, 1980 («Радиационный пирометр»); №1235305, G01J 5/10, 2000 («Инфракрасный радиометр»); №1749724, G01J 5/02, 1992 («Радиационный пирометр»); патент СССР №1321215, G01N 21/61, 1993 («Многоволновой радиометр»); и патенты РФ №2098779, G01J 5/00, 1997 («Пироэлектрический радиометр»); №2172476, G01J 5/00, 2001 («Инфракрасный радиометр»); №2345333, G01J 5/10, 2009 («Модуляционный радиометр инфракрасного излучения»); а также зарубежные изобретения, например патенты US №4005605, G01J 5/02, 1977 («Remote reading infrared thermometer»); №4797840, G01J 5/10, 1989 («Infrared electronic thermometer and method for measuring temperature»); №4883364, G01J 5/52, 1989 («Apparatus for accurately measuring temperature of materials of variable emissivity»); №4907895, G01J 5/62, 1990 («Optical chopper for infrared thermometer»); №5127742, G01J 5/62, 1992 («Apparatus and method for temperature measurement by radiation»); №5150969, G01K 13/00, G01J 5/00, 1992 («System and method for temperature determination and calibration in a biomedical probe»)) в качестве одной из основных проблем проектирования в указанном техническом направлении продолжает оставаться задача конструктивно-схемотехнической оптимизации прецизионного оптического радиометра, обеспечивающей стабильное высокоточное измерение излучаемой мощности.
Особенности устройства традиционного оптического радиометра, заключающиеся в разнородности его функционирующих с одной стороны оптического блока, выполненного, например на основе дискового модулятора с двумя секторными вырезами и зеркальной поверхностью диска, обращенного к приемнику излучений, для поочередного поступления при вращении дискового модулятора на оптический вход приемника излучений измеряемого излучения и излучения от опорного излучателя, и с другой стороны связанного с электрическим выходом приемника излучений электронного блока для усиления, синхронного детектирования и регистрации импульсных сигналов (см. статью Авдошина Е.С. «Волоконный инфракрасный радиометр» - Приборы и техника эксперимента, 1989, №4, с. 189-192), не смотря на введение в рассматриваемый радиометр оптоэлектронной пары для контроля частоты прерываний дискового модулятора, которая с помощью регулятора скорости вращения последнего обеспечивает стабилизацию указанного вращения, не исключают снижение точности измерений, имеющее многофакторный характер, в частности из-за возможного изменения температуры в корпусе радиометра, влияющей на излучения, поступающие на оптический вход приемника излучений, а также из-за нестабильности работы электронного блока, допускающей в рассматриваемом радиометре отклонения коэффициента усиления импульсных сигналов.
В связи с вышеизложенным затруднением уровень техники в области оптической радиометрии пополнился радиометрами -аналогами с двумя опорными (калибровочными) излучателями с различными коэффициентами излучения (см., например а.с. №№787910, 1235305 и 1749724), в которых с целью уменьшения оптических и электронных погрешностей осуществлен метод коррекции на основе использования разницы импульсных сигналов от излучений этих двух опорных излучателей в качестве управляющего сигнала в схеме автоматической коррекции коэффициента усиления.
При этом радиометр по а.с. №787910 усложнен самими двумя опорными излучателями в отношении конструктивной реализации формирования двух эталонных излучений, по а.с. 1749724, имея недостаток а.с. №787910, дополнительно усложнен выполнением двойного дискового модулятора с разнесенными по оси его вращения ухудшающими балансировку секторами под два опорных излучателя, и по а.с. №1235305 усложнен установкой двух калибровочных излучателей на дисковый модулятор, отягощенный конструктивно кроме того набором фильтров дискового модулятора, соответственно усложняющим схемотехническое решение радиометра набором синхронных детекторов.
Остальные приведенные отечественные изобретения характеризуются: по патенту СССР №1321215 - частичным обеспечением стабильной работы радиометра в связи с использованием для компенсации изменения температуры внутри корпуса радиометра фильтра-заглушки (в ИК диапазоне) дискового модулятора с функцией эталонного излучателя и общим отягощением конструкции дискового модулятора набором фильтров, соответственно усложняющим схемотехническое решение (многоканальное) радиометра; по патенту РФ №2172476 - значительным усложнением схемотехнического решения повышающего точность измерений при одном опорном источнике в сочетании с использованием оптоэлектронной пары для дискового модулятора; по патентам РФ №№2098779 и 2345333 - решением, соответственно задачи увеличения динамического диапазона измерений (по первому патенту) и задачи обеспечения высокой точности измерения путем снижения температурного влияния оптической системы радиометра на точность измерений за счет конструктивного усложнения радиометра введением второго приемника (оптоэлектронного преобразователя) для отдельного приема излучения от опорного излучателя с процессорной фиксацией требуемой для измерения традиционной разницы мощности измеряемого излучения и излучения от опорного излучателя (по второму патенту).
Что же касается приведенных выше зарубежных аналогов, то повышение точности измерения в патенте US №5150969 - за счет микропроцессорной обработки, учитывающей температуру внешней среды; в патентах US №№4797840, 4907895 и 5127742 - за счет временного дозирования приема измеряемого излучения и излучения от калибровочного источника; и обеспечение измерения слабых излучений в патентах US №№4005605 и 4883364 - за счет оптических приспособлений усиливающих сбор таких излучений до попадания в приемник (датчик) излучений.
Таким образом, оценка уровня техники в области оптической радиометрии позволила сделать выбор в качестве прототипа заявляемой полезной модели радиометра из упомянутой выше статьи Авдошина Е.С., характеризующегося по мнению заявителя максимальной близостью сущности к заявляемому радиометру и недостаточным уровнем конструктивных и схемотехнических мер по обеспечению стабильного высокоточного измерения.
Технический результат заявляемой полезной модели - эффективное обеспечение стабильного высокоточного измерения за счет предлагаемого оптимального конструктивного и схемотехнического усовершенствования оптического радиометра.
Предлагаемый оптический радиометр расширяет арсенал надежных, несложных и доступных по цене переносных приборов для измерения, преимущественно в ИК диапазоне.
Для достижения указанного технического результата в оптическом радиометре, содержащем оптический блок, выполненный на основе дискового модулятора, имеющего секторную конструкцию, обеспечивающую поочередное пропускание измеряемого излучения и отражение излучения опорного излучателя, расположенного со стороны приемника излучений под углом к его центральной оси, и снабженный оптоэлектронной парой для контроля частоты прерываний дискового модулятора, приемник излучений, а также электрически связанный с выходами приемника излучений и оптоэлектронной пары электронный блок для усиления, синхронного детектирования и регистрации импульсных сигналов, дисковый модулятор содержит прозрачный, зеркальный и черненный секторы, образующие его трехсекторную конструкцию, обеспечивающую поступление в приемник излучений дополнительного излучения, формирующегося с обратной стороны черненного сектора в результате попадания на него измеряемого излучения, для компенсации изменения температуры внутри корпуса радиометра.
При этом к электрическому выходу приемника излучений подсоединен своим первым входом усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, соединенный своим выходом с первым входом распределителя импульсных сигналов, имеющего три выхода на соответствующие входы осуществляющих синхронное детектирование первого интегратора импульсных сигналов от измеряемого излучения, второго интегратора импульсных сигналов от отраженного зеркальным сектором излучения опорного излучателя и третьего интегратора импульсных сигналов от дополнительного излучения, формирующегося с обратной стороны черненного сектора в результате попадания на него измеряемого излучения, причем первый и второй интеграторы своими выходами соединены с соответствующими из двух входов первого дифференциального усилителя, имеющего выход на регистратор, третий интегратор соединен своим выходом с первым входом второго дифференциального усилителя, который имеет второй вход, соединенный с выходом второго интегратора, и выход, соединенный с первым входом устройства управления, которое соединено своим выходом со вторым входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и вторым входом с выходом термодатчика, контролирующего температуру в корпусе радиометра, а ко второму входу распределителя импульсных сигналов подсоединен своим выходом генератор опорного напряжения, соединенный своим входом с выходом оптоэлектронной пары дискового модулятора.
Для улучшения конструктивно-компоновочной реализации предлагаемого усовершенствования предлагаемого радиометра в нем дисковый модулятор может быть установлен своей осью вращения под углом к центральной оси приемника излучений.
Для повышения рабочих и эксплуатационных характеристик, таких как быстродействие и устойчивость к климатическим и механическим воздействиям в предлагаемом радиометре предусмотрено выполнение приемника излучений пироэлектрическим.
Для повышения надежности предлагаемого радиометра в нем генератор опорного напряжения может иметь дополнительный выход на вход регулятора скорости вращения дискового модулятора, которым следует оснастить двигатель вращения последнего.
Актуальной и высоко востребованной характеристикой заявляемого оптического радиометра является предпочтительное его исполнение на основе пироэлектрического приемника излучений, что подтверждается известностью в уровне техники в области оптической радиометрии пироэлектрических радиометров без их исполнения на эффективном уровне обеспечения стабильного высокоточного измерения за счет заявляемого усовершенствования (см. например американский прецизионный пироэлектрический радиометр на основе дискового модулятора и синхронно электрически включаемой опорной тепловой мощности в пироэлектрическом приемнике, характеризующийся значительным резервом повышения его стабильности в условиях нестабильной работы его каскадов, - в книге Новика В.К. и др. «Пироэлектрические преобразователи». М., «Советское радио», 1979, с. 96-97, рис. 3.28. а.).
1
2
3
На фиг. 1 показана структурная схема заявляемого оптического радиометра; на фиг. 2а - форма импульсных сигналов, соответствующих трем видам принимаемых излучений (сигналы U - от измеряемого излучения, сигналы U - от дополнительного излучения, формирующегося с обратной стороны черненного сектора в результате попадания на него измеряемого излучения и сигналы U
- от отраженного зеркальным сектором излучения опорного излучателя) на выходе приемника излучений на фиг. 1 и на фиг. 2б - форма управляющих импульсных сигналов на выходе генератора опорного напряжения на фиг. 1.
В предлагаемом примере выполнения заявляемого оптического радиометра, последний содержит (см. фиг. 1) на входе дисковый модулятор 1, имеющий трехсекторную конструкцию на основе прозрачного сектора 2, черненного сектора 3, покрытого составом, поглощающим измеряемое излучение (коэффициент излучения α≈0,95) и зеркального сектора 4 (коэффициент излучения β≈0,05).
При этом радиометр снабжен опорным излучателем 5 для формирования его излучения, отраженного зеркальным сектором 4, и оптоэлектронной парой 6 для контроля частоты прерываний дискового модулятора 1, образующими с модулятором 1 оптический блок радиометра.
Оптический радиометр содержит приемник излучений 7, представляющий собой оптоэлектронный преобразователь, чувствительный к измеряемому излучению и расположенный за оптическим модулятором 1 в направлении поочередного поступления на оптический вход приемника 7 прошедшего через прозрачный сектор 2 измеряемого излучения, дополнительного излучения, формирующегося с обратной стороны черненного сектора 3 в результате попадания на него измеряемого излучения и отраженного зеркальным сектором 4 излучения опорного излучателя 5 и.
Дисковый модулятор 1 установлен своей осью вращения под углом 45° к центральной оси приемника излучений 7 (на фиг. 1 указанный угол 45° для удобства изображения показан как угол между смещенной вертикальной координатной осью в плоскости вращения модулятора 1 и центральной осью приемника 7), а опорный излучатель 5 - под углом 90° к указанной оси.
С выходами приемника излучений 7 и оптоэлектронной пары 6 электрически связан электронный блок для усиления, синхронного детектирования и регистрации импульсных сигналов, включающий усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 8, соединенный своими входом с выходом приемника 7 и выходом с первым входом распределителя импульсных сигналов 9, имеющего три выхода на соответствующие входы осуществляющих синхронное детектирование первого интегратора импульсных сигналов 10 от измеряемого излучения, второго интегратора импульсных сигналов 11 от дополнительного излучения, формирующегося с обратной стороны черненного сектора 3 в результате попадания на него измеряемого излучения, и третьего интегратора импульсных сигналов 12 от отраженного зеркальным сектором 4 излучения опорного излучателя 5.
Причем первый и второй интеграторы 10 и 11 своими выходами соединены с соответствующими из двух входов первого дифференциального усилителя 13, имеющего выход на регистратор 14, третий интегратор 12 соединен своим выходом с первым входом второго дифференциального усилителя 15, который имеет второй вход, соединенный с выходом второго интегратора 11, и выход, соединенный с первым входом устройства управления 16, которое в свою очередь соединено своим выходом со вторым входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 8 и своим вторым входом с выходом термодатчика 17, контролирующего температуру в корпусе радиометра, а ко второму входу распределителя импульсных сигналов 9 подсоединен своим выходом генератор опорного напряжения 18, соединенный своим входом с выходом оптоэлектронной пары 6.
Для повышения надежности оптического радиометра в нем генератор опорного напряжения 18 может иметь дополнительный выход на вход регулятора скорости вращения дискового модулятора 1, которым следует оснастить двигатель вращения последнего (на фиг. 1 не показано).
Наконец предпочтительно выполнение приемника излучений 7 пироэлектрическим в связи с повышением при этом рабочих и эксплуатационных характеристик, таких как быстродействие и устойчивость к климатическим и механическим воздействиям.
Предлагаемый оптический радиометр работает в примере его исполнения с пироэлектрическим приемником излучений в инфракрасной области измеряемого излучения следующим образом.
1
X
2
Φ
3
Э
X
Φ
Э
В результате вращения дискового модулятора 1 на оптический вход приемника излучений 7 поочередно поступают: измеряемое излучение через прозрачный сектор 2, дополнительное излучение от черненного сектора 3, формирующееся с его обратной стороны в результате попадания на него измеряемого излучения, и отраженное зеркальным сектором 4 излучение опорного излучателя 5, которые преобразуются приемником 7 в импульсные сигналы, снимаемые с его выхода, соответственно: U~T, U~αT и U~βT (см. фиг. 2а, на которой величины этих напряжений указаны в условных единицах), где T - физическая температура источника измеряемого излучения (на фиг. 1 указанный источник не показан), T - физическая температура модулятора 1 и T - физическая температура опорного (эталонного) излучателя 5.
Эти импульсные сигналы, усиленные усилителем с регулируемым коэффициентом усиления 8, поступают на распределитель импульсных сигналов 9.
ОП
В результате вращения дискового модулятора 1 синхронно оптоэлектронной парой 6 и генератором опорного напряжения 18 вырабатывается опорное напряжение U для управления
распределителя импульсных сигналов 9 по закону, изображенному на фиг. 2б с величиной опорного напряжения, указанной в условных единицах.
ОП
Распределитель 9 поочередно (синхронно с опорным колебанием U(t)) подключает выход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 8 для прохождения импульсных сигналов (см. фиг. 2а) к входам интеграторов 10, 11 и 12. С выходов дифференциальных усилителей 13 и 15 снимаются, соответственно напряжения
и , где τ - время накопления интеграторов.
Напряжение на выходе дифференциального усилителя 13 пропорционально разности интенсивностей потоков теплового излучения черненного сектора 3 и источника измеряемого излучения
2
Ф
, где T=αT - яркостная температура черненного сектора, K - коэффициент усиления сигнального тракта.
Напряжение на выходе дифференциального усилителя 15 пропорционально разности интенсивностей потоков теплового излучения черненного сектора 3 и зеркального сектора 4
3
Э
, где T=βT - яркостная температура зеркального сектора 4.
5
Ф
Э
Отсюда U=K(αT-βT).
Ф
Э
5
0
5
0
Ф
Э
0
мод
0
Так как физические температуры T модулятора 1 и T опорного излучателя 5 стабилизированы, а коэффициенты излучения α и β - const, то напряжение U~K. При отклонении коэффициента усиления (передачи) к от рабочей величины K происходит изменение напряжения U~(K±ΔK)(αT-βT), где K - коэффициент передачи сигнального тракта на рабочей частоте модуляции F (8 Гц) и ΔK - отклонение коэффициента передачи от рабочей величины K.
5
Следовательно, этот сигнал (U) можно использовать как сигнал обратной связи для автоматического поддержания коэффициента передачи измерительного тракта, учитывающего в том числе изменение температуры внутри корпуса радиометра.
упр
Ф
Э
5
0
0
Ф
Э
x
x
Коэффициент усиления усилителя 8 настраивается по управляющему напряжению U=±ΔK(αT-βT) после сравнения значения U с пороговым значением U=K(αT-βT). На выходе регистратора 14 фиксируется напряжение U~T.
Таким образом, предлагаемая трехсекторная конструкция дискового модулятора 1 в сочетании с введением динамического управления коэффициентом передачи сигнального тракта позволяет устранить погрешности, связанные с эксплуатационным колебанием температуры внутри корпуса радиометра и с нестабильностью опорного генератора и усилительных свойств сигнального тракта.