УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к технике экспериментального измерения отражательных характеристик материалов, а именно индикатрис отражения электромагнитных волн, спектральных параметров и эффективной площади рассеяния объектов измерений.
Известны установки [1-5], для измерения отдельных отражательных характеристик материалов [6-8], содержащие гониометрический стенд [9-10] для измерения индикатрис рассеяния электромагнитных волн образцами материалов и эталонами, профилограф [11] для измерения параметров профиля шероховатой поверхности образцов материалов или спектрофотометр [12] для измерения спектральных коэффициентов отражения образцов материалов. При этом каждая установка содержит только один из указанных измерительных элементов и снабжена собственной ЭВМ для обработки результатов измерений.
Недостатком каждой из указанных установок является односторонность измерений и увеличенные затраты времени на объединение и визуально-ручную обработку результатов суммарных измерений отражательных характеристик материалов.
В настоящее время не существует установок, способных производить определение всех отражательных характеристик материалов и обработку результатов измерений под управлением одной ЭВМ.
Технической задачей является повышение производительности измерения отражательных характеристик материалов.
Техническим результатом, обеспечивающим решение этой задачи, является автоматизация съема и обработки результатов всех измерений на одной установке.
Достижение технического результата и, как следствие, решение поставленной технической задачи обеспечивается тем, что установка для измерения отражательных характеристик материалов содержит профилограф для измерения параметров профиля шероховатой поверхности образцов материалов, спектрофотометр для измерения спектральных коэффициентов отражения образцов материалов, нагреватель образцов материалов и лазерный гониометрический стенд для измерения индикатрис рассеяния образцов материалов в оптическом диапазоне электромагнитных волн, соединенные через аналогово-цифровой преобразователь с ЭВМ обработки результатов измерений.
При этом в качестве спектрофотометра для измерения спектральных коэффициентов отражения материалов использован блок спектрофотометров ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов электромагнитных волн, а в качестве нагревателя образцов материалов - мощный лазер и/или блок электронагревателей. Лазерный гониометрический стенд для измерения индикатрис рассеяния образцов материалов в оптическом диапазоне электромагнитных волн содержит информационный лазер с устройством контроля мощности излучения, механизм крепления исследуемого образца материала, установленного на пути распространения лазерного луча, приемник отраженного излучения, с возможностью изменения углового положения его оптической оси относительно направления лазерного излучения, а также эталонный отражающий экран, установленный на пути распространения лазерного луча за механизмом крепления исследуемого образца материала. Информационный лазер выполнен в виде блока лазеров ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов электромагнитных волн. Механизм крепления исследуемого образца материала, установленного на пути распространения лазерного луча, выполнен с возможностью изменения углового положения образца в горизонтальной и вертикальной плоскости, а приемник лазерного излучения выполнен в виде одноэлементного и/или матричного фотоприемника с возможностью его пространственно-углового перемещения относительно направления падающего на образец материала лазерного излучения и с возможностью поворота его оптической оси. Одноэлементный матричный фотоприемник выполнен в виде блока сменных модулей ультрафиолетового, видимого или инфракрасного диапазонов электромагнитных волн. ЭВМ обработки результатов измерений содержит установленные на двунаправленной активной шине сопряжения процессор, оперативно запоминающее устройство, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство, вводно-выводное устройство, монитор с сенсорной панелью управления, съемный блок памяти программ измерений и съемный блок памяти исходных данных и блок памяти результатов измерений. Съемный блок памяти программ измерений ЭВМ содержит программу измерений двунаправленных отражательных характеристик образцов материалов, программу измерения степени когерентности зеркальной составляющей отражения образцов материалов и программу измерений термодинамических отражательных характеристик образцов материалов.
Снабжение установки для измерения отражательных характеристик материалов комплексом измерительных приборов, соединенных через аналогово-цифровой преобразователь с ЭВМ обработки результатов измерений и включающих профилограф для измерения параметров профиля шероховатой поверхности образцов материалов, спектрофотометр для измерения спектральных коэффициентов отражения образцов материалов, нагреватель образцов материалов и лазерный гониометрический стенд для измерения индикатрис рассеяния образцов материалов в оптическом диапазоне электромагнитных волн позволяет обеспечить автоматическое управление измерением отражательных характеристик материалов с расширенным диапазоном видов контролируемых параметров объекта измерений, автоматизировать процесс их обработки и, тем самым, повысить производительность установки измерения отражательных характеристик материалов.
Исполнение профилографа, спектрофотометра, нагревателя образцов материалов и лазерного гониометрического стенда на известной элементной базе позволяет дополнительно повысить надежность установки для измерения отражательных характеристик материалов.
На фиг.1 представлена функциональная схема установки измерения отражательных характеристик материалов; на фиг.2 - функциональная схема ЭВМ обработки результатов измерений.
Установка для измерения отражательных характеристик материалов содержит профилограф 1 для измерения параметров профиля шероховатой поверхности образцов 2 материалов, спектрофотометр 3 для измерения спектральных коэффициентов отражения образцов 2 материалов, нагреватель 4 образцов 2 материалов и лазерный гониометрический стенд 5 для измерения индикатрис рассеяния образцов 2 материалов в оптическом диапазоне электромагнитных волн, соединенные через аналогово-цифровой преобразователь 6 с ЭВМ 7 обработки результатов измерений. Спектрофотометр 3 содержит блок 8 спектрофотометров: ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазона электромагнитных волн. Нагреватель 4 образцов 2 материалов выполнен в виде мощного лазера [13, 14] и/или в виде блока электронагревателей. Лазерный гониометрический стенд 5 для измерения индикатрис рассеяния [15, 16] образцов материалов в оптическом диапазоне электромагнитных волн содержит информационный лазер 9 [17] с устройством 10 контроля мощности излучения, механизм 11 крепления исследуемого образца 2 материала, установленного на пути распространения лазерного луча, приемник 12 лазерного излучения, с возможностью изменения углового положения его оптической оси относительно направления лазерного излучения, а также содержит эталонный отражающий экран 13, установленный на пути распространения лазерного луча за механизмом 11 крепления исследуемого образца 2 материала. Приемник 12 отраженного излучения содержит последовательно соединенные фотоприемное устройство 13 с интерференционным фильтром [18] 14 и селективный усилитель 15. Устройство 10 контроля мощности излучения содержит электромеханический модулятор [18] 16, установленный на выходе излучения лазера 9 и фотоприемник 17, установленный в районе электромеханического модулятора 16. Информационный лазер 9 выполнен в виде блока лазеров ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов электромагнитных волн. Механизм 11 предназначен для крепления исследуемого образца 2 материала на пути распространения лазерного луча и выполнен с возможностью изменения углового положения образца 2 в горизонтальной и вертикальной плоскости. Приемник 12 лазерного излучения содержит одноэлементный и/или матричный фотоприемник 18 с возможностью его пространственно-углового перемещения относительно направления падающего на образец 2 материала лазерного излучения и с возможностью поворота его оптической оси [18]. Одноэлементный матричный фотоприемник 18 выполнен в виде блока сменных модулей ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов электромагнитных волн. ЭВМ 7 обработки результатов измерений содержит установленные на двунаправленной активной шине 19 сопряжения процессор 20, оперативно запоминающее устройство 21, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство 22, вводно-выводное устройство 23, монитор 24 с сенсорной панелью управления, съемный блок памяти 25 программ измерений и съемный блок 26 памяти исходных данных и блок 27 памяти результатов измерений. Съемный блок 25 памяти программ измерений ЭВМ 7 содержит программу [19] измерений двунаправленных отражательных характеристик образцов 2 материалов, программу [20, 21] измерения степени когерентности зеркальной составляющей отражения образцов 2 материалов и программу [14, 22] измерений термодинамических отражательных характеристик образцов 2 материалов (на фигурах не показано).
Работа установки для измерения отражательных характеристик материалов рассмотрена на примере исследования образца 2 из непрозрачного материала.
Исследуемый образец 2 закрепляют на механизме 11 гониометрического стенда 5 таким образом, что бы луч информационного лазера 9 проходил через его центр. Далее приемник 12 лазерного излучения устанавливают на пути отраженного от образца 2 лазерного излучения. Одновременно идентичные образцы 2 устанавливают в поле зрения спектрофотометра 3 и профилографа 1. К вводно-выводному устройству 23 подключают съемный блок памяти 25 программ измерений для образца 2, установленного на гониометрическом стенде 5, профилографе 1 и спектрофотометре 3. Затем подают электропитание на элементы установки для измерения отражательных характеристик материалов. При этом процессор 20 ЭВМ 7 считывает данные блоков 25 и 26 памяти соответственно программ измерений и исходных данных для измерений отражательных характеристик исследуемого образца 2 в перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство 22. Далее процессор 20 в соответствии с введенной программой измерений выдает командные сигналы на информационный лазер 9, нагреватель 4, спектрофотометр 3 и профилограф 1. При этом лазер 9 с заданным темпом генерирует импульсы лазерного излучения, которые облучают образец 2 и отражаются от него в сторону приемника 12 лазерного излучения. Отраженное лазерное излучение проходит через интерференционный фильтр 14, преобразуется фотоприемником 18 в электрический сигнал, усиливается селективным усилителем 15, преобразуется аналогово-цифровым преобразователем 6 в цифровую форму и выдается в соответствующие ячейки оперативного запоминающего устройства 21 ЭВМ 7 для запоминания амплитуды и длительности отраженного от образца 2 лазерного излучения. Одновременно по командам ЭВМ 7 спектрофотометр 3 измеряет спектральные характеристики, а профилограф 1 - шероховатость поверхности образца 2, установленных соответственно в поле зрения спектрофотометра 3 и профилографа 1. Измеренные спектральные характеристики и шероховатость профиля поверхности образца 2 преобразуются аналогово-цифровым преобразователем 6 в цифровую форму и передаются аналогичным образом в оперативно-запоминающее устройство 21 ЭВМ 7 для логического суммирования и обработки результатов измерений по введенной в ЭВМ 7 программе обработки сигналов. Далее по заданной программе ЭВМ 7 приводится во вращение механизм 11 и матричный фотоприемник 18 с одновременным измерением амплитуды отраженных от образца 2 импульсов лазерного излучения информационного лазера 9 при различных уровнях интенсивности его излучения. При этом происходит снятие индикатрис рассеяния образцов материалов в оптическом диапазоне электромагнитных волн (двунаправленных отражательных характеристик образцов материалов). Результаты этих измерений также передаются в ЭВМ 7 для обработки. Затем в соответствии с программой, введенной в память ЭВМ 7, процессор 20 управляет оценкой степени когерентности зеркальной составляющей отражения образцов 2 материалов и управляет программой измерений термодинамических отражательных характеристик образцов 2 материалов. В последнем случае по командам ЭВМ 7 включается нагреватель 4 и процесс измерения отражательных характеристик образца 2 повторяется. После завершения программ измерений ЭВМ 7 производит статистическую обработку результатов измерений и по завершении обработки конечные результаты измерений характеристик образца 2 в цифровой форме передаются через вводно-выводное устройство 23 на съемный блок 27 памяти результатов измерений и на монитор 24 для отображения сигнальной информации и отражательных характеристик образца 2.
Исследования образца 2, выполненного из прозрачного материала производится аналогичным образом. Отличие состоит в том, что приемник 12 лазерного излучения устанавливают не на пути отраженного, а на пути, проходящего через образец 2 излучения информационного лазера 9.
Полезная модель разработана на уровне технического предложения и математического моделирования.
Источники информации:
1. RU 2329475, кл. G01J 1/00, 2007.
2. RU 2305852, кл G01S 7/40, G01R 29/08, 2007.
3. RU 95110342, кл. G01R 29/08, 1997.
4. RU 2326400, кл. G01S 13/00, 2008.
5. RU 94033271, кл. G01B 11/30, 1996.
6. Шуба Ю.А. Фотометрические характеристики тел сложной формы.. «Научно-производственное объединение «Государственный институт оптики» (1957-1997 г.г.) / под редакцией С.Д.Мирумянца, Часть II, - Казань «Дом печати», 1997. Стр.351-377.
7. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. - М.: «Советское радио», 1978, - 400 с.
8. Захаренков В.Ф., Стариченкова В.Д., Мельник В.Е. Анализ излучательных характеристик геостационарных спутников по результатам наблюдений средствами наземной астрономии // Оптический журнал, 1996, №12, стр.27-32.
9. Рогаткин Д.А., Коняхин В.В. К оценке качества гониофотометрических установок // Приборы и техника эскперимента. - М.: Наука, 1992, 200-202.
10. Непогодин И.А. Отражательные характеристики и информативность признаков (сигнатур) объектов и фонов в лазерной локации. // «Научно-производственное объединение «Государственный институт оптики» (1957-1997 г.г.) / под редакцией С.Д.Мирумянца, Часть II, - Казань «Дом печати», 1997. Стр.428-457.
11. Топорец А.С. Оптика шероховатой поверхности. - Л.: Машиностроение., 1988. - 191 с.
12. www.eurolab39.ru.
13. Ищенко Е.Ф. Климков Ю.М. Оптическая квантовые генераторы. - М.: Издательство «Советское радио», 1968, - 402 с.
2
14. Мирошникова Н.В., Ялукова О.М., Sjodahl М. И др. Исследование механизмов воздействия излучения мощных импульсных СO- и Nd:YAG-лазеров на различные материалы с применением метода цифровой спекловой фотографии // Оптический журнал, том 71, №8, 2004.
15. Boucher Y., Cosnefroy H., Petit D. and ets. Comparison of measured and modeled BRDF of natural targets // SPIE, Vol.3699, 1999, p.l6-26.
16. Beecroft M.T., Neu J.T., Jafolla J. Bidirectional reflectance data to support paint development and signature calculations // SPIE, Vol.1753, 1992.
17. Основы импульсной лазерной локации: Учебное пособие для вузов / В.И.Козинцев, М.Л.Белов, В.М.Орлов и др.; под редакцией В.Н.Рождествина. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2006. - 512 с.
18. Малашин М.С., Каминский П.П., Борисов Ю.Б. Основы проектирования лазерных локационных систем: Учебное пособие для радиотехнических спец. Вузов - М.: Высшая школа, 1983. - 207 с.
19. Jafolla J., Thomas D., Higers J. and ets. Theory and measurement of bidirectional reflectance for signature analysis // SPIE, Vol.3699, 1999, p.2-15.
20. Сахновский М.Ю. Регулярное отражение (пропускание) излучения шероховатыми поверхностями и его использование для контроля качества зеркал. // Оптика и спектроскопия. Том 58, вып.1, стр.130-134.
21. Протопопов В.В., Устинов Н.Д. Лазерное гетеродинирование. / Под редакцией Н.Д.Устинова. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы., 1985. - 228 с.
22. Шамсутдинов М.Э., Алексеев О.А. Комплекс оптических приборов для определения параметров турбулентных струй и факелов. // «Научно-производственное объединение «Государственный институт оптики» (1957-1997 г.г.) / под редакцией С.Д.Мирумянца, Часть II, - Казань «Дом печати», 1997. стр.468-474.