УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОТРАЖЕНИЯ И ИЗЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ
DEVICE FOR MEASURING REFLECTION AND EMISSION COEFFICIENTS OF MATERIALS AND COATINGS

Изобретение относится к измерительной технике для определения оптических характеристик поверхности материалов и изделий, точнее для измерения коэффициентов их теплового (инфракрасного) излучения и отражения, может использоваться в приборостроении, космической промышленности, энергетическом машиностроении в научных исследованиях в области физики. Известны терморадиометры типа ТИС, ТРМ-И, УИЛЛИ, которые определяют коэффициент теплового излучения (отражения) с использованием зеркального эллипсоида («Оптические свойства лакокрасочных покрытий» / Гуревич М.М., Ицко И.Ф., Середенко М.М., Спб.: Профессия, 210-220 с.). В приборах этого типа источник излучения, включающий нагреватель (2) и резистор (3), и тепловой приемник излучения (4) размещены в области верхнего фокуса эллипсоида (1), а измеряемая поверхность образца (5) проходит через нижний фокус эллипсоида (фиг. 1). При этом упавшее на образец излучение частично поглощается и частично отражается. Фактически терморадиометр измеряет коэффициент отражения при температуре источника излучения, близкой к температуре образца. Согласно закону Кирхгофа для непрозрачных тел коэффициент излучения ε связан с коэффициентом отражения образца ρ простой формулой:
Спектральный диапазон работы прибора составляет 4-40 мкм, а максимум чувствительности приходится на длину волны около 12 мкм.
Главным недостатками данного технического решения является регистрация приемником собственного излучения образца вместе с отраженным от него излучением. Это приводит к тому, что собственное излучение образца, вызванное разогревом его поверхности при падении зондирующего излучения, вносит значительный вклад в регистрируемый сигнал от образца. Для образцов материалов с низкой теплопроводностью в результате разогрева их поверхности возникают большие дополнительные ошибки определения коэффициента излучения в соответствии с формулой (1). Другим недостатком данного технического решения является существенное влияние индикатрисы отражения образца на величину регистрируемого сигнала, обусловленное малыми размерами теплового приемника излучения (4) - болометра, что приводит к значительным расхождениям при измерениях образцов с диффузным и зеркальным характером отражения.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является патент США US 005659397 A «Метод и устройство для измерения зеркальных и диффузных оптических характеристик от поверхностей объектов», опубл. 29.08.1997. В данном техническом решении модулированное излучение вводится в эллипсоид (1) через отверстие под углом 15° к его оси (фиг. 2). Т.к. отраженное от поверхности образца (5) излучение, в отличие от его собственного излучения, является модулированным, то использование схемы синхронного детектирования устраняет влияние собственного излучения образца на результаты измерений его коэффициента отражения, к тому же пироэлектрический приемник (10), в отличие от болометра, реагирует только на изменения теплового потока. С другой стороны, большая чувствительная площадка пироэлектрического приемника, проходящая через верхний фокус эллипсоида, почти полностью перекрывает сечение эллипсоида плоскостью, перпендикулярной его оси, что снижает влияние индикатрисы отражения образца на величину регистрируемого сигнала.
Недостатками данного технического решения являются: остающееся расхождение при измерениях образцов с диффузным и зеркальным характером отражения, которое может быть устранено только использованием пироэлектрического приемника с коэффициентом поглощения, равным 1, вне зависимости от угла падения; нелинейная зависимость регистрируемого сигнала от мощности отраженного от образца потока излучения, связанная с отражением от металлических элементов конструкции приемника; необходимость использования дорогостоящего пироэлектрического приемника (10) с большой площадью чувствительной поверхности, фокусирующего зеркала (8) и механического модулятора-прерывателя излучения (7), которые увеличивают габариты изделия и его стоимость.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются увеличение точности измерений оптических характеристик образцов с зеркальным и диффузным характером отражения, повышение надежности измерений, а также снижение габаритов и стоимости устройства для измерения коэффициентов отражения и излучения материалов и покрытий (терморадиометра).
Поставленные задачи решаются за счет того, что устройство для измерения коэффициентов отражения и излучения материалов и покрытий (фиг. 3), содержащее зеркальный эллипсоид (1) с отверстием, выполненным под углом 5-20° к его оси и предназначенным для ввода излучения на образец, плоскость которого проходит через нижний фокус эллипсоида, отличается тем, что:
1) дополнительно содержит малогабаритную интегрирующую сферу (11) с пироэлектрическим приемником излучения (10), чувствительная поверхность которого расположена на поверхности сферы и экраном (9), предназначенным для устранения прямого попадания излучения, отраженного от поверхности образца на фотоприемник;
2) в качестве источника излучения, модулятора и фокусирующего зеркала содержит компактный, модулируемый электрическим током малоинерционный инфракрасный излучатель EMIRS200 (12), частота модуляции которого синхронизована с частотой выборки АЦП регистрирующего устройства.
Измерительная камера устройства (фиг. 4) конструктивно может быть выполнена из трех частей: первая - нижняя половина эллипсоида (13); вторая - верхняя половина эллипсоида вместе с нижней половиной интегрирующей сферы (14); третья - верхняя половина интегрирующей сферы (15).
Эллипсоид с зеркальной поверхностью может быть изготовлен из никеля с использованием механической полировки, интегрирующая сфера с диффузно отражающей поверхностью может быть изготовлена из никеля с использованием пескоструйной обработки поверхности, причем зеркальная поверхность эллипсоида и диффузно рассеивающая поверхность интегрирующей сферы могут быть покрыты тонким слоем золота, обеспечивающим увеличение их коэффициентов отражения.
Экран, может быть изготовлен из тонкого листового металла и расположен под углом, обеспечивающим максимальное прохождение излучения, входящего из эллипсоида в сферу.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, являются: линейная зависимость сигнала регистрации пироэлектрического приемника от мощности отраженного от образца излучения, которая не зависит от индикатрисы отражения образца, обеспечивая равенство условий для образцов с зеркальным и диффузным характером отражения.
Преимуществами предлагаемого устройства являются: повышение точности, надежности измерений коэффициента отражения (излучения); отсутствие необходимости использования дорогостоящего пироэлектрического приемника с большой чувствительной площадкой, что, в свою очередь, ведет к снижению габаритов устройства и его стоимости.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
фиг. 1 - оптическая схема аналога - схема измерений коэффициента излучения в терморадиометре ТРМ «И» с использованием зеркального эллипсоида: 1 - зеркальный эллипсоид; 2 - нагреватель; 3 - резистор; 4 - тепловой приемник излучения (болометр); 5 - измеряемая поверхность образца;
фиг. 2 - оптическая схема прототипа - патент США US 005659397 A «Метод и устройство для измерения зеркальных и диффузных оптических характеристик от поверхностей объектов»: 1 - зеркальный эллипсоид; 5 - измеряемая поверхность образца; 6 - источник излучения; 7 - модулятор -прерыватель; 8 - фокусирующее зеркало; 9 - экран; 10 - приемник пироэлектрический;
фиг. 3 - оптическая схема устройства для измерения коэффициентов отражения и излучения материалов и покрытий: 1 - зеркальный эллипсоид; 5 - измеряемая поверхность образца; 9 - экран; 10 - приемник пироэлектрический (ПП-06); 11 - интегрирующая сфера; 12 - модулируемый инфракрасный излучатель EMIRS200;
фиг. 4 - конструкция измерительной камеры устройства (3D-вид), состоящая из трех частей: 13 - нижняя половина эллипсоида; 14 - верхняя половина эллипсоида и нижняя половина сферы; 15 - верхняя половина сферы;
фиг. 5 - функциональная схема электронных блоков: 10 - пироэлектрический приемник; 12 - модулируемый инфракрасный излучатель; 16 - датчик температуры; 17 - усилитель тока источника излучения; 18 - усилители сигнала измерительного канала; 19 - АЦП датчика температуры; 20 - ЦАП, задающий ток через излучатель; 21 - АЦП измерительного канала; 22 - клавиши управления; 23 - микропроцессор; 24 - ОЗУ; 25 - ЖКИ;
фиг. 6 - внешний вид прибора для измерения коэффициентов отражения и излучения (3D-модель): 26 - измерительная камера; 27 - корпус; 28 - TFT-дисплей; 29 - источник питания; 30 - кнопка "Пуск".
В основу работы устройства положен метод измерения интегрального коэффициента отражения от исследуемой поверхности непрозрачных образцов материалов и покрытий с использованием собирающего зеркального эллипсоида и интегрирующей сферы.
Работает устройство (фиг. 3) следующим образом. Излучение инфракрасного излучателя EMIRS200 (12), модулированное частотой 9,375 Гц, через отверстие в зеркальном эллипсоиде (1) падает на поверхность образца (5) под углом 12° к нормали от его поверхности. Отражаясь от поверхности образца во всех направлениях, излучение собирается зеркальным эллипсоидом вблизи верхнего фокуса зеркального эллипсоида, проходя в интегрирующую сферу (11) через отверстие. При этом экран (9) устраняет прямое попадание излучения на поверхность чувствительной площадки пироэлектрического приемника (10), который регистрирует усредненную освещенность на поверхности интегрирующей сферы.
Конструкция измерительной камеры устройства (фиг. 4), состоит из трех частей, которые имеют направляющие проточки во фланцах для соединения в одну измерительную камеру с использованием стягивающих винтов.
В основу метода регистрации модулированных сигналов, поступающих с пироэлектрического приемника (10), положен метод синхронного детектирования (фиг. 5). Суть метода состоит в синхронизации частоты выборки АЦП (21) преобразования сигналов, поступающих с пироэлектрического приемника, и частоты модуляции источника излучения (12). Для этой цели используется высокостабильный кварцевый генератор, который кратно основной частоте задает частоту модуляции 9,375 Гц и частоту выборки АЦП преобразования с коэффициентом умножения 64. Значения, полученные в результате цифровых сверток сигнала с синхронными опорными гармоническими функциями, являются данными для определения коэффициентов отражения и нормального излучения измеряемого образца. Необходимая температура излучателя может устанавливаться в пределах от 50 до 300°С путем установки тока, протекающего через малоинерционный инфракрасный излучатель (12) с использованием ЦАП (20) и усилителя тока (17), при этом спектральный диапазон работы прибора составляет 3-40 мкм.
Коэффициент отражения измеряемого образца определяется методом сравнения с эталоном по следующей формуле:
где Rэт - коэффициент отражения эталонного образца,
Nоб - сигнал, возникающий на пироэлектрическом приемнике при отражении от измеряемого образца,
Nф - сигнал, возникающий на пироэлектрическом приемнике, определяемый уровнем фона,
Nэт - сигнал, возникающий на пироэлектрическом приемнике при отражении от эталонного образца.
Опытный образец устройства (терморадиометра), получившего обозначение «ТРМ-3», прошел испытания в целях утверждения типа средств измерений во ФГУП «ВНИИОФИ», передан комплект документации в Единый центр Госстандарта для его включения в госреестр средств измерений. Прибор компактен, имеет современный дизайн, автономное питание, успешно используется для проведения измерений коэффициента излучения на образцах материалов и покрытий для изделий космической отрасли. Внешний вид прибора в виде 3D-модели представлен на фиг. 6.