Способ и устройство измерения мощности оптического излучения металлическим болометром
OPTICAL RADIATION POWER MEASURING WITH METAL BOLOMETER METHOD AND DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения энергетических характеристик источников оптического излучения в широком диапазоне длин волн.
Известен способ измерения мощности оптического излучения с помощью неохлаждаемых металлических болометров. Он заключается в размещении на пути измеряемого излучения резистивного элемента в виде металлической пленки, измерении изменения электрического сопротивления пленки, возникшего в результате ее разогрева (повышения температуры) под действием излучения, компенсации влияния изменения температуры окружающей среды на значение измеряемой величины с помощью второго идентичного первому элемента, и определении мощности излучения по изменению электрического сопротивления пленок, пропорциональному интенсивности потока [Ишанин Г.Г. Источники и приемники излучения. - СПб.: Политехника, 1991. стр. 219.] (аналог). Для регистрации мощности оптического излучения используют два резистивных элемента, включенных в разные плечи моста Уитстона. Один из элементов располагают на пути лучистого потока, тогда как второй является компенсационным. Измерительный мост подключают к источнику питания, что вызывает протекание тока (в литер, ток смещения) через элементы. В случае воздействия потоком излучения на один из элементов изменение его электрического сопротивления вызывает разбалансировку моста, что в результате приводит к появлению разности потенциалов между плечами схемы, пропорциональной интенсивности излучения.
Основным недостатком данного способа и устройства, реализующего способ, является низкая точность измерения мощности оптического излучения при малых значениях интенсивности лучистого потока, поскольку в данном случае разность потенциалов, возникающая между плечами моста, становится сопоставимой с уровнем шумов пленок или схемы регистрации. К недостаткам можно отнести также низкую пороговую чувствительность металлических болометров, ограниченную совокупностью определенных электрофизических свойств металлов.
7
50.5
49.5
Известен способ измерения мощности оптического излучения с помощью неохлаждаемых болометров на основе мартенситных сплавов. Он заключается в размещении на пути измеряемого излучения резистивного элемента в виде металлической пленки из сплава, имеющего обратимое полиморфное превращение в интервале температур измерения, измерение изменения электрического сопротивления элемента, возникшего после изменения его температуры под действием излучения, компенсацию влияния изменения температуры внешней среды на значение измеряемой величины при помощи второго элемента, идентичного первому и определение мощности излучения по значению изменения разности электрических сопротивлений элементов, пропорциональному интенсивности потока [Способ измерения мощности лазерного излучения: пат. 2345334 Рос. Федерация: МПК G01J 5/58 / Выборнов П.В., Ерофеев В.Я., заявитель и патентообладатель Томск, ИМКЭС СО РАН. - №2007133060/28. заявл. 03.09.2007, опубл. 27.01.2009, Бюл. №3] (прототип). Для регистрации мощности оптического излучения цепь рабочих сопротивлений из последовательно соединенных постоянного резистора и двух идентичных резистивных элемента, представляющих собой тонкие пленки из сплава, претерпевающего мартенситное превращение в заданном интервале температур измерения. Одним выводом данную цепь подключают к источнику постоянного тока, а другим - к общему проводу. Это вызывает протекание тока через элементы, величина которого определяется напряжением источника питания и суммарным сопротивлением цепи. Параллельно к каждому резистивному элементу подключены соответствующие блоки усиления и оцифровки, измеряющие падение напряжения на элементах. С выходов блоков усиления и оцифровки, соединенных с соответствующими входами блока обработки и вывода информации, поступают данные о соответствующих количественных измерениях электрических величин. При отсутствии воздействия лучистого потока на один из резистивных элементов, разность падения напряжения на обоих элементах равна нулю. В противном случае возникает разность падения напряжения на элементах, пропорциональная интенсивности лучистого потока. При этом блоки усиления и оцифровки, а также блок обработки и вывода информации подключают к тому же источнику питания, что и цепь рабочих сопротивлений [Выборнов П.В. Неохлаждаемый болометр на основе TiNi для оптико-электронных измерительных систем: дис. канд. техн. наук (05.11.07 - оптические и оптико-электронные приборы и комплексы) / П.В. Выборнов; рук. работы Ю.М. Андреев. - Томск: ИМКЭС, 2017. - 132 с; https://postgraduate.tusur.ru/urls/8rala46i].
Данный способ и устройство, реализующее способ, позволяет увеличить пороговую чувствительность болометра (до уровня полупроводниковых болометров) за счет лучшей совокупности определенных электрофизических свойств используемого сплава относительно металлов, обладая при этом высокими эксплуатационными характеристиками и простой конструкцией, присущими неохлаждаемым металлическим болометрам. Недостатком данного способа и устройства остается низкая точность измерения мощности оптического излучения при малых значениях интенсивности лучистого потока, поскольку в этом случае разность электрических сопротивлений пленок (разность падения напряжения) становится сопоставимой с уровнем шумов пленок или схемы регистрации.
Целью, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение точности измерения мощности оптического излучения и отношения сигнал-шум неохлаждаемых металлических болометров при регистрации малых значений интенсивности лучистого потока.
Технический результат достигается тем, что, как и в прототипе, на пути оптического излучения помещают измерительный резистивный элемент в виде пленки из сплава, имеющего обратимое полиморфное превращение в интервале температур измерения, компенсацию изменения температуры внешней среды при помощи элемента, идентичного первому. В отличие от прототипа ток, пропускаемый через оба элемента, дополнительно увеличивают от нуля до величины, при которой температура пленки компенсационного элемента будет соответствовать началу линейного участка двухфазной высокотемпературной области ее материала, регистрируют значение тока в цепи, продолжают увеличивать ток до величины, при которой температура пленки измерительного элемента будет соответствовать концу линейного участка двухфазной области ее материала, определяют мощность оптического излучения по значению тока и разности падения напряжения на элементах, прекращают пропускание тока через резистивные элементы для последующего повторения цикла измерений.
Предлагаемый способ измерения мощности оптического излучения основан на том, что поглощение лучистого потока пленкой резистивного элемента приводит к повышению ее температуры и как следствие к изменению ее сопротивления (благодаря изменению удельного электросопротивления материала пленки). Согласно закону Ома, на элементе, вследствие пропускания через него тока, будет падать напряжение, изменение которого при поглощении лучистого потока будет пропорционально мощности измеряемого оптического излучения. Изменение температуры окружающей среды также влечет за собой изменение сопротивления пленки, а, следовательно, падения напряжения на элементе. Это негативное явление при измерении мощности оптического излучения компенсируется путем использования второго идентичного резистивного элемента, пленка которого не находится под воздействием излучения. Температурная зависимость удельного сопротивления сплавов (имеющих обратимое полиморфное превращение в интервале температур измерения), из которых изготавливают пленки резистивных элементов, характеризуется двумя температурными областями, представленными на фиг. 1: однофазной и двухфазной. Такие сплавы хорошо известны, например, мартенситные составы на основе никелида титана. Подобные сплавы отличаются высокой технологичностью, позволяющей получать тонкие пленки. Температурный интервал двухфазной области подобных сплавов может быть легко смещен в ту или иную сторону путем изменения соотношения концентраций компонент. Преимуществами этих сплавов является отсутствие влияния числа рабочих циклов (измерений) на вид функции электросопротивления от температуры, высокая стойкость к агрессивным средам и механическая прочность.
1
2
1
2
Измерение мощности лучистого потока в предлагаемом способе осуществляются, когда температура пленок резистивных элементов находится в пределах линейного участка двухфазной области температурной зависимости удельного сопротивления их материала ρ(Т) (фиг. 1). Первоначально обе пленки находятся в одинаковых (термодинамических) условиях окружающей среды, их сопротивления равны и соответствуют точке «A» (участок однофазной низкотемпературной области) на условном графике ρ(Т) (фиг. 1). В этом случае разность падения напряжения на резистивных элементах отсутствует. Затем пленку измерительного элемента облучают лучистым потоком, что приводит к повышению ее сопротивления (следовательно, повышению величины падения напряжения на элементе), соответствующему точке «А» на графике ρ(Т). Далее через элементы начинают пропускать ток. Причем последовательность пропускания тока через элементы или воздействия потоком излучения на пленку измерительного элемента непринципиальна. Увеличение тока через элементы происходит от нулевого значения до величины, при которой температура пленки компенсационного элемента будет соответствовать началу линейного участка двухфазной высокотемпературной области ее материала, т.е. точке «B» на графике ρ(Т). Получившееся в данном случае значение тока фиксируют, а затем продолжают увеличение тока до величины, при которой температура пленки измерительного элемента будет соответствовать концу линейного участка двухфазной области ее материала, т.е. точке «С» на графике ρ(Т). Только при таком режиме работы, линейный участок двухфазной высокотемпературной области материала пленок задействован полностью, а эффект достижения цели, на решение которой направлено заявленное изобретение, максимален. В этом случае для малых значений интенсивности лучистого потока разность падения напряжения на резистивных элементах за счет увеличения их вольт-ваттного отклика вследствие увеличения тока через элементы становится существенно выше уровня шумового напряжения самих элементов или схемы регистрации. Следует отметить, что величиной, характеризующей температуру пленок компенсационного и измерительного элементов в заявленном изобретении, является падение напряжения на соответствующем элементе:
которое получено для пленок с установленной зависимостью ρ(Т) их материала и известных габаритов:  - длины; h - ширины; w - толщины.
Согласно выражению 2.20 из [диссертация Выборнова П.В.], разность падения напряжения на резистивных элементов, после воздействия лучистого потока на пленку измерительного элемента, рассчитывается по следующей формуле:
1
B
1
2
C
1
2
2
где Р - мощность оптического излучения; I - ток через элементы (для заявленного изобретения ток измеренный в момент, когда температура пленки компенсационного элемента будет соответствовать точке «B» на графике ρ(Т)); S - вольт-ваттная чувствительность элементов при токе I. Разность падения напряжения ΔU при измерении малых значений мощности излучения, определяющаяся падением напряжения на компенсационном и измерительном элементах в точках «B» и «В», соответственно, характерна для прототипа. Разность падения напряжения ΔU при измерении малых значений мощности излучения, определяющаяся падением напряжения на компенсационном и измерительном элементах в точках «С» и «С», соответственно, когда ток I (следовательно, S), увеличивают, к примеру, в β раз, до величины, при которой температура пленки измерительного элемента будет соответствовать точке «С» на графике ρ(Т), характерна для заявленного изобретения. Таким образом, отношение разности падения напряжения в случае прототипа и заявленного изобретения можно оценить по формуле:
50.5
49.5
Вольт-ваттный отклик подобных резистивных элементов зависит от свойств материала и габаритных размеров пленок, поэтому I и S для аналитической оценки не могут быть взяты произвольно. На фиг. 2 представлен график зависимости k(β)=ƒ(β) для резистивных элементов из сплава TiNi, описанного в [диссертация Выборнова П.В.], с вольт-ваттным откликом S=0,02 мВ/Вт при токе I=0,25 А. Как видно (фиг. 2), увеличение тока через элементы при измерении малых значений интенсивности лучистого потока ведет к увеличению разности падения напряжения на элементах (за счет соответствующего увеличения S элементов). При этом увеличение шумового напряжения элементов (определяющегося в основном тепловыми шумами элементов с ростом их рабочей температуры, как будет показано ниже) существенным образом будет уступать увеличению S элементов. В этом случае отношение сигнал-шум резистивных элементов на основе мартенситных сплавов при использовании заявленного способа увеличивается, а точность измерений повышается.
Способ измерения мощности оптического излучения металлическим болометром сводится к контролю мгновенных значений падения напряжения на постоянном резисторе и резистивных элементах, определению разности падения напряжения на элементах, а также процессу периодического изменения напряжения питания цепи сопротивлений, поэтому он может быть реализован посредством использования операционных усилителей, аналого-цифровых преобразователей, цифро-аналогового преобразователя (или цифрового потенциометра) и микропроцессорного блока (микроконтроллера или ЭВМ). Функциональной задачей последнего является прием и обработка результатов измерения, управление процессом измерения электрических величин (в том числе формирования сигналов управления напряжением питания цепи сопротивлений), а также учет дополнительно введенной информации об измерениях и вывод на исполнительное устройство (дисплей и т.д.) данных о мощности оптического излучения.
На фиг. 3 представлена функциональная схема предлагаемого устройства, реализующего заявленный способ. Она состоит из цифро-аналогового преобразователя 1 (или цифрового потенциометра), выход которого соединен с входом повторителя напряжения 2. К выходу повторителя напряжения 2 одним своим выводом подключена рабочая цепь сопротивлений, состоящая из последовательно соединенных компенсационного и измерительного резистивных элементов (терморезисторов) 3 и 4, соответственно, и резистора 5. Другим выводом данная цепь подключена к общему проводу. Параллельно терморезисторам 3, 4 (облучаемого лучистым потоком), и резистору 5 подключены, соответственно, блоки 6-8, выходы которых подключены, соответственно, к первому, второму и третьему входу блока обработки и вывода информации 9. Блоки 1, 2, 6-9 запитывается от источника питания постоянного тока.
1
2
Устройство работает следующим образом. После подачи питания на блоки 1, 2, 6-9, блок обработки и вывода информации 9 подает последовательность цифровых сигналов на цифро-аналоговый преобразователь 1 (или цифровой потенциометр), в результате чего на выходе преобразователя 1 происходит нарастание напряжения, которое поступает на вход повторителя напряжения 2. В результате постоянное напряжение с цифро-аналогового преобразователя 1, усиленное по току повторителем напряжения 2, прикладывается к последовательной цепи терморезисторов 3, 4 и резистора 5. Таким образом, ток в рабочей цепи сопротивлений будет определяться величиной напряжения с преобразователя 1 и суммой сопротивлений резистора 5 и терморезисторов 3 и 4. Значение напряжения, падающего на терморезисторах 3, 4 и резисторе 5 (которое эквивалентно величине тока в цепи), регистрируется блоками усиления и оцифровки 6-8, соответственно. По достижению напряжения на терморезисторе 3, соответствующему его температуре в точке «B» на графике ρ(Т) (фиг. 1), блок обработки и вывода информации 9 по средствам блока усиления и оцифровки 8 производит регистрацию и запоминание значения напряжения на резисторе 5. При этом, если необходимо, во время измерения напряжения на резисторе 5, блок обработки и вывода информации 9 может подавать сигнал на цифро-аналоговый преобразователь 1, который бы удерживал постоянный уровень выходного напряжения с повторителя 2, а, следовательно, и тока в цепи сопротивлений. В этот момент температура пленок резистивных элементов 3 и 4, соответствует началу линейного участка двухфазной высокотемпературной области сплава, из которого они изготовлены. В отсутствии воздействия лучистого потока на резистивный элемент 4, значения напряжений, падающих на терморезисторах 3 и 4, которые через блоки усиления и оцифровки 6 и 7, соответственно, контролируются блоком обработки и вывода информации 9, будут одинаковыми. Под воздействием лучистого потока на резистивный элемент 4, температура его пленки, а, следовательно, и падение напряжения, становятся больше соответствующих параметров пленки компенсационного резистивного элемента 3, что приводит к возникновению разности напряжений, падающих на терморезисторе 3 и 4. После измерения напряжения на резисторе 5, блок обработки и вывода информации 9 подает сигналы на цифро-аналоговый преобразователь 1, которые позволяют продолжить увеличение напряжения на выходе повторителя 2, а, следовательно, и тока в рабочей цепи сопротивлений, до значения, при котором напряжение на терморезисторе 4 будет соответствовать его температуре в точке «С» на графике ρ(Т) (фиг. 1). Таким образом, вольт-ваттная чувствительность терморезисторов 3 и 4 увеличивается пропорционально увеличению величины тока в цепи сопротивлений. Скорость нарастания тока определяется временем теплового отклика терморезисторов и временем воздействия лучистого потока. После этого блок обработки и вывода информации 9 по средствам блоков усиления и оцифровки 6-8 производит регистрацию и запоминание значения напряжений на терморезисторах 3, 4 и резисторе 5, а затем осуществляет сброс напряжения на выходе цифро-аналогового преобразователя 1 до нулевого значения для возможности последующего повторения цикла измерений. В итоге, согласно выражению 2.20 из [диссертация Выборнова П.В.], мощность оптического излучения, воздействующего на резистивный элемент 4, будет рассчитываться по формуле:
3
4
5
1
2
5
1
где U и U - значения напряжений, падающих на терморезисторах 3 и 4;  и U - значения напряжений на резисторе 5, измеренные, когда температура пленки терморезистора 3 находилось точке «B» графика ρ(Т), а температура пленки терморезистора 4 - «С», соответственно; R - сопротивление резистора 5; S - вольт-ваттная чувствительность резистивных элементов 3 и 4, когда температура пленки терморезистора 3 находилось точке «B» графика ρ(Т).
изл.
изл.
50.5
49.5
На фиг. 4 представлены модельные оценки зависимости погрешности измерения предлагаемым устройством мощности оптического излучения от величины мощности лучистого потока δР=ƒ(Р) при фиксированной (график 1) и переменной (график 2) вольт-ваттной чувствительности пленок резистивных элементов 3 и 4. Зависимость приведена, когда блок усиления и оцифровки собран на операционном усилителе ОРА211 (Texas Instruments, США) и мультиметре UT71C (Uni-Trend Technology, КНДР), работающим на минимальном пределе измерения постоянного напряжения, а в качестве терморезистора 3 и 4 используется резистивный элемент на основе сплава TiNi с характеристиками, описанными в [диссертация Выборнова П.В.]. Для графика 2 вольт-ваттная чувствительность S терморезистора 3 и 4 изменяется в пределах от S до 4⋅S. Как видно из фиг. 4, реализация заявленного способа и устройства, реализующего способ, позволит повысить точность измерения мощности оптического излучения для малых значений интенсивности лучистого потока при прочих равных условиях измерения.
Известно, что отношение сигнал-шум для неохлаждаемых болометров рассчитывается следующим выражением:
Как было показано в [диссертация Выборнова П.В.], шумовое напряжение неохлаждаемых металлических болометров с резистивными элементами сопротивлением менее 10 Ом определяется шумовыми характеристиками усилительного каскада. В этом случае отношение сигнал-шум SNR будет увеличиваться пропорционально увеличению вольт-ваттной чувствительности болометров S. Если же сопротивление резистивного элемента составляет более 10 Ом, то наименьшее шумовое напряжение данных детекторов при оптимальной для этого рабочей частоте определяется тепловым шумом (шумом Найквиста):
50.5
49.5
где k - постоянная Больцмана; Т - рабочая температура элемента; R - его сопротивление при рабочей температуре; Δƒ - шумовая полоса. Расчет показывает, что при увеличении вольт-ваттной чувствительности резистивного элемент на основе сплава TiNi с характеристиками, описанными в [диссертация Выборнова П.В.], в пределах от S до 4⋅S, его тепловой шум увеличиться не более чем на 30%. Таким образом, реализация заявленного способа и устройства позволит повысить отношение сигнал-шум металлических болометров при измерении малых значений интенсивности лучистого потока.
В итоге, заявленный технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, вольт-ваттный оклик (чувствительность) обоих резистивных элементов увеличивают путем изменения напряжения питания (тока) цепи сопротивлений, что приводит к большей величине разности падения напряжения на резистивных элементах. В заявленном устройстве, реализующем способ, информация о мощности измеряемого оптического излучения содержится в аналитической связи величины падения напряжения на постоянном резисторе и разности напряжений, падающих на резистивных элементах. Современные приборы позволяют измерять напряжение с высокой точностью в широких диапазоне, что является необходимым и достаточным условием для реализации цели заявленного изобретения по регистрации малых значений интенсивности лучистого потока металлическими болометрами.