Пироэлектрическая ИК радиометрия локальных температурных неоднородностей в широком диапазоне излучаемых мощностей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Л/,

□ОЗОБ2В72

Афанасьев Александр Вячеславович у ^ ДПР 2007

ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИК РАДИОМЕТРИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ИЗЛУЧАЕМЫХ МОЩНОСТЕЙ

Специальность 01 04 03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидатачфизико-математических наук

Нижний Новгород, 2007

003062672

Работа выполнена на кафедре радиотехники радиофизического факультета Нижегородского государственного университета им Н И Лобачевского

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Орлов Игорь Яковлевич

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, Профессор Якимов Аркадий Викторович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Вакс Владимир Лейбович

Ведущая организация

ФГУП "ФНПЦ Научно исследовательский институт измерительных систем им Ю Е Седакова"

Защита состоится <¿3

мая

2007 г в

часов на заседании

диссертационного совета Д 212 166 07 при Нижегородском государственном университете им Н И Лобачевского (603950, г Нижний Новгород, ГСП-20, пр Гагарина, 23, корп , ауд У ¿-О

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им Н И Лобачевского

Автореферат разослан

апреля

2007 г

Ученый секретарь Диссертационного совета доцент

Черепенников В В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Для контроля физических и технологических процессов широко используются радиофизические методы измерений параметров, характеризующих как динамику процессов, так и их качество Учитывая, что большинство физических и химических процессов сопровождаются изменением собственной температуры объекта, одним из наиболее используемых, является контроль температурных режимов

Условия, в которых используется современный радиометр для контроля физических экспериментов и технологических процессов могут выглядеть следующим образом измерение температуры объекта в широком диапазоне (от отрицательных до нескольких тысяч градусов) с расстояния от 10 мм до 10 метров, с учетом внешних факторов (пыль, рентгеновское излучение, широкий диапазон внешних температур и др) и особенностей самого объекта измерения (излучательная способность, характер поверхности, размеры и т д) Таким образом, возникает необходимость в решении задачи эффективного измерения мощности ИК излучения объекта в широком динамическом диапазоне мощностей, как информативного излучения, так и излучения, являющегося помехой

При создании радиометров для измерения температуры высокотемпературных процессов, медико-биологических исследований, для физических измерений в ближней зоне радиометра, возникают следующие внешние мешающие факторы

- диаграмма направленности оптической системы в ближней зоне не сформирована,

- внешние факторы (запыление оптической системы парами металла, при контроле термической обработке металлов),

- помеха, связанная с приемом фонового (мешающего) ИК излучения,

- внешние механические воздействия на радиометр,

- нагрев оптической системы радиометра излучением объекта при измерении высоких температур с небольших расстояний, значительные изменения температуры окружающей среды,

- особенности теплового излучения объектов, нагретых до высоких температур (выше 500°С),

- зависимость излучательной способности объекта от его состояния и угла наблюдения

Итак, вышеперечисленные особенности, наряду с требованиями высокого пространственного разрешения (угол визирования не хуже 1 50), возможности изменения угла визирования (от 1 10 до 1 100) в зависимости от исследуемого объекта, незначительной относительной погрешностью (не превышающей 2% при времени накопления 1с), широким динамическим диапазоном измеряемых температур (от 20°С до 1200°С) и нелинейной зависимостью яркостной температуры объекта от его физической температуры, обусловливают необходимость создания микропроцессорной системы измерения ИК излучения, способного работать в сложных внешних условиях Цель исследования;

Целью работы является разработка принципов построения радиометров, работающих в широком диапазоне измеряемых мощностей при точечном нагреве материалов Задачи работы:

- исследование особенностей оптико-электронного преобразования ИК сигналов модуляционным пироэлектрическим приемником в широком диапазоне мощностей падающего излучения,

- оценка потенциальных свойств пироэлектрического приемника в составе радиометра,

- исследование возможности управления динамическим диапазоном измеряемых температур изменением частоты модуляции,

- разработка экспериментальной установки и методики высокотемпературной радиометрии

Методы исследования:

Методы статистической радиофизики, теория погрешностей, методы радиофизических измерений, принципы построения микропроцессорных систем и программного обеспечения, методы теории сигналов и цепей

Научная новизна:

- запатентован двухканальный ИК радиометр и разработана конструкция диафрагмированной оптической системы для исключения влияния нагрева оптической системы на погрешность измерения,

- впервые предложен способ исключения влияния частотной нестабильности опорного колебания на погрешности измерений пироэлектрического радиометра,

- обоснован метод «смещенного измерителя» для высокотемпературной ИК радиометрии при локальном нагреве материалов,

- предложены оригинальные способы исключения влияния флуктуации фазы при модуляции на погрешности при измерениях,

- разработаны и реализованы методы автоматической калибровки и динамического изменения шкалы измеряемых температур

Научная и практическая значимость:

- запатентованный способ компенсации погрешности, обусловленной нагревом диафрагмированной оптической системы, с помощью компенсационного канала может использоваться при измерении высокотемпературных процессов,

- метод «смещенного измерителя», способ калибровки и пересчеты отклика радиометра в физическую температуру объекта могут использоваться для устранения влияния излучательной способности на результаты измерения,

- для измерения и контроля широкого диапазона температур и при сложных внешних условиях созданы комплект ИК радиометров и автоматизированная система их калибровки и тестирования,

- определены пути уменьшения погрешностей ИК радиометров с механической модуляцией потока излучения

Вклад автора:

- обоснованы и экспериментально доказаны способы расширения динамического диапазона ИК радиометра,

- предложен и экспериментально подтвержден способ "смещенного" измерителя,

- предложен, теоретически исследован и обоснован способ компенсации нагрева оптической системы,

- разработан, обоснован и реализован алгоритм обработки модулированного колебания, синхронного детектирования и интегрирования сигнала в цифровом модуляционном ИК радиометре,

- предложен и экспериментально доказан алгоритм исключения влияния неправильной установки фазы опорного колебания,

- предложены и экспериментально проверены алгоритмы устранения погрешностей, связанных с флуктуацией фазы,

- разработан программно-аппаратный комплекс по проведению автоматической калибровки и тестирования ИК радиометров

Публикации, апробации на конференциях, внедрение По результатам работы опубликованы 7 статей в центральных рецензируемых журналах, получены патент РФ на изобретение и свидетельство Роспатента на полезную модель, опубликованы материалы 8 докладов в Трудах научных конференций по радиофизике в ННГУ

Результаты исследований доложены на международной конференции «XVI Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения 25-27 мая 2000 г г Москва, Россия», на 7-й Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии - ФРЭМЭ 2006, Владимир, 28-31 августа 2006 г - 2006», на конференциях по радиофизике в ННГУ (1998 г , 1999 г , 2000 г, 2002 г, 2003 г , 2004 г)

Участие в международной выставке "Дни Нижегородской области в Чехии" 1999 г, во Всероссийской выставке "Россия на рубеже веков" 1999 г, во Всероссийской выставке "Воспитание, образование, карьера" 2000 г, во Всероссийском научно-промышленном форуме, 2003 г

Результаты работы внедрены в научно-исследовательском конструкторском институте энерготехники им Долежаля Н А г Москва, в Вятском госуниверситете и Нижегородском госуниверситете им Н И Лобачевского На защиту выносятся:

- двухканальный ИК радиометр с диафрагмированной оптикой, обеспечивающей защиту от внешних механических воздействий и компенсацию внешних температур,

- метод "смещенного" измерителя для высокотемпературной пирометрии при локальном нагреве материалов,

- способ исключения влияния частотной нестабильности опорного колебания на погрешности измерений пироэлектрического радиометра,

- способы исключения влияния флуктуации фазы модуляции принимаемого излучения на ошибку измерения

Структура н объем работы:

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и трех приложений Диссертация изложена на 163 страницах, в том числе 130 страниц основного текста Список литературы содержит 129 наименований и приведен на 11 страницах

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении излагаются состояние и актуальность предмета исследования, обоснование методов исследования, цели и структура работы

В первой главе производится обоснование выбора типа температурного датчика, вида оптической системы и радиометрического метода обработки ин-

формации для решения задач, которые связаны с исследованием свойств материалов, находящихся в условиях локальных ионно-плазменных воздействий.

В качестве датчика температуры выбран пироприем ник, отличающийся постоянством чувствительности от короткого ИК до длинноволнового инфракрасного излучения. Так как детектор действует как емкостной источник напряжения, то он обладает минимальным собственным значением шума и не требует напряжения начального смещения.

Обосновано использование диафрагмированной оптической системы и типа модуляции ИК радиометра.

Предложен перспективный метод компенсации дрейфа температуры оптической системы ИК радиометра, основанный на использовании второго компенсационного оптического канала, который находится в тех же условиях, что и основной канал, но не пропускает излучение объекта. При этом сигнал, полученный с компенсационного канала, необходимо вычитать из сигнала основного какала.

ИК радиометр, разработанный для радиометрии локальных температурных неоднородностей в широком диапазоне температур, функционально состоит из двух блоков: ИК датчика и блока управления и индикации (БУИ) (рис. I),

Рис. 1. Внешний вид ИК радиометра

ИК датчик предназначен для осуществления пространственной избирательности, оптико-электронного преобразования измеряемого излучения, синхронного накопления сигнала, а также выполнения ряда сервисных функций, таких как поддержка асинхронного обмена с блоком управления и индикации и управление лазерным целеуказателем (рис 2)

Необходимость получения высокого пространственного разрешения температурного поля требует использование оптической системы, но воздействие паров испаряющегося металла не позволяет использовать оптическую систему в виде зеркал или линз Была разработана ИК световодная диафрагмированная оптическая система, находящаяся в вакуумной камере и позволяющая получить пространственное разрешение не хуже 5 мм на расстоянии 200 мм от объекта Секционное выполнение металлических ИК световодов обеспечило возможность управления углом визирования от 1 10 до 1 100

В целях компенсации влияния изменения температуры световода на точность измерения в измерительном датчике предусмотрен компенсационный канал с закрытым приемным окном Пироприемники каждого из каналов осуществляют преобразование потоков излучения, предварительно промодулиро-ванных модулятором, в электрический сигнал Применение предварительной модуляции теплового потока позволяет использовать синхронное детектирование Усиленные аналоговые сигналы поступают на ФНЧ каждого из каналов и далее для преобразования в цифровую форму на АЦП Микроконтроллер выполняет функции по обработки полученных цифровых данных, управлению всеми аппаратными узлами датчика, поддержанию связи с блоком управления по интерфейсу 115-485 и хранению необходимого программного обеспечения и данных Оптопара, микроэлектродвигатель, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) образуют петлю ПИД-регулирования частоты модуляции Термометр, усилитель датчика термостата, драйвер термостата, нагреватель и программно реализованный алгоритм ПИД-регулирования образуют петлю регулирования температуры термостата радиометра Для локализации измеряемой области используется прицел, выполненный на базе лазерного диода

Рис 2 Структурная схема ИК датчика

Блок управления и индикации осуществляет индикацию требуемого параметра и, используя органы управления, дает пользователю возможность управлять режимами работы ИК радиометра

Программное обеспечение (ПО) модуля ИК датчика как и ПО БУИ с точки зрения архитектуры построено идентично ПО включает в себя фоновый процесс, состоящий из набора функций аппаратных прерываний контроллера, работающих в режиме реального времени, и основной процесс, отвечающий за обработку запросов от функциональных программных модулей

Разработанный ИК радиометр обладает следующими техническими характеристиками

Диапазон измеряемых температур, град С от +20 до +2000

Рабочая длина волны, мкм 2-25

Относительная погрешность измерения, % 10

Время измерения в одной точке, сек 0 2-5

Расстояние до измеряемого объекта, мм до 200

Угол визирования 1 10-1 100

Допустимая окружающая температура электрон- от -30 до +35

ных блоков, град С

Наличие лазерного целеуказателя +

Система защиты от паров металла +

Интерфейсы ПК(К5232)/АБАМ(К8485)

Питание -220 В

Во второй главе рассмотрены проблемы использования бесконтактных методов измерения температуры, предложены способ компенсации негативного влияния нагрева диафрагмированной оптической системы ИК радиометра, метод измерения температуры вне точки нагрева и приведены экспериментальные данные, обосновывающие их применение

Измерение температуры бесконтактными радиометрами более технологично чем контактное, однако при этом имеет место ряд эффектов, увеличивающих погрешность измерения при высокой температуре объекта Кроме сложной зависимости коэффициента излучения от температуры, погрешность вносят особенности теплового излучения испаряющегося металла К мешающим факторам можно отнести большой градиент температуры в области нагрева, что

приводит к необходимости узкого «поля зрения» радиометра в плоскости объекта С целью уменьшения влияния отмеченных мешающих факторов предлагается производить бесконтактное измерение температуры не в точке нагрева, а на некотором расстоянии г от нее, а затем полученный результат пересчитывать в истинную температуру нагрева

При этом можно избежать проблем, связанных с неоднозначной зависимостью температуры от яркости, т к в точке измерения коэффициент излучения достаточно стабилен вследствие относительно невысокой температуры

Данный способ измерения («смещенный измеритель») схематично показан на рис 3 Цифрами на рисунке обозначены 1 - блок управления и индикации, 2 - ИК датчик, 3 - электронный пучок, 4 - необходимый для предварительной калибровки контактный (термопарный) термометр, 5 - термопара, зачеканенная в поверхность объекта (необходима только для калибровки)

Дополнительное преимущество метода смещенного измерителя заключается в защите стекла ИК-ввода от напыления при электронно-лучевой обработке металла в вакууме Основное назначение диафрагмированной системы - затенение оптического излучения, приходящего не из области визирования

На экспериментальной установке было проведено исследование радиометрического контроля температуры в широком диапазоне температур при локальном электронно-лучевом воздействии на циркониевые материалы

10

80 70

60 ^ 50

Щ 5

<г 40 30 20 10 0

/=3 -ш

/=Бм г

/С / /=12ь в и

/

У

/=28 мм А-"4'1 ^ /=20 ы

Г

400

600

/

800

1000

1200

1400

1600

1800

Тк, град

Рис 4 Зависимость напряжения иШр на выходе пироэлектрического ИК радиометра от физической температуры Т

На рис 4 приведена зависимость напряжения и„,1р на выходе пироэлектрического ИК радиометра от физической температуры Т, измеренной контактным способом с помощью вольфрам-редиевой термопары

Отметим, далее, что на сравнительно низких температурах (Т < 600°С) показания пироэлектрического ИК радиометра и„„р при 3 < / < 30 мм слабо зависят от расстояния I до места нагрева Учитывая хорошее подавление пироприемником ПМ-4 видимого излучения, можно предположить, что зависимость характеристик и„„р= /(Т) при высоких температурах от расстояния до места нагрева (/ < 12мм) обусловлено в основном двумя факторами большим градиентом температур вблизи точки нагрева и дифракционным вкладом диафрагмированной оптики, проявляющимся вне основной зоны диаграммы направленности

В результате дифракции на передней диафрагме диафрагмированной оптической системы в приемник попадает также излучение точек объекта, расположенных за пределами геометрооптического поля зрения Это дополнительное воздействие изменяет отклик приемника, причем вносимая погрешность определяется распределением температуры объекта по всей его поверхности

11

При малых расстояниях I между точкой нагрева и точкой измерения температуры погрешность <55 имеет отрицательный знак и возрастает с уменьшением расстояния (по абсолютной величине) до значений 1 5-2% Так как с уменьшением расстояния I через дифракционные боковые лепестки принимается излучение от областей объекта, гораздо более «холодных», чем объект в геометро-оптическом поле зрения

При больших расстояниях I между точкой нагрева и точкой измерения температуры погрешность 8В стремится к нулю, т к с удалением от точки нагрева разница яркости поля зрения и фона уменьшается (вследствие уменьшения модуля градиента температуры)

Таким образом, учитывая эти особенности точечного нагрева, сложную зависимость излучательной способности е от температуры, а также неидеальность направленных свойств оптики, целесообразно смещать точку измерения температуры радиометром на расстояние Л1 >Я, где Я - радиус поля зрения радиометра в плоскости объекта с учетом дифракционного вклада Для используемого пироэлектрического радиометра зависимость отклика от температуры приобретает монотонный и предсказуемый вид при Я=6мм (что совпадает с радиусом поля зрения, полученном при оптическом тестировании диафрагмированной оптики радиометра)

Учитывая, как указывалось выше, что бесконтактное измерение высоких поверхностных температур Т целесообразно проводить в стороне от места нагрева, необходимо определить характер изменения температуры в зависимости от расстояния I до точки измерения и оценить погрешность, возникающую в результате ошибки позиционирования при измерениях

На рис 5 показаны экспериментально полученные при помощи вольфрам-редиевой термопары зависимости контактной температуры Т от расстояния между местоположением термопары и точкой нагрева I при разных токах нагрева /

Как видно из рис 5, при увеличении расстояния от места нагрева скорость

увеличения температуры с ростом тока пучка уменьшается Так, при изменении

12

тока электронного пучка от 10 мА до 35 мА, на расстоянии в 6 мм контактная температура Г меняется от 600 до 1100°С, на расстоянии в 28 мм - от 430 до 750°С

3600 т

5 2800

<

2400

3200

—25Гц

«- 50 Гц —А— 100Гц

2000

1200

1500 Температура (°С)

1800

Рис 5 Зависимость показаний радиометра (код АЦП) ог температуры образца при разных значениях частоты модуляции

Исследованы, реализованы и экспериментально проверены два способа расширения динамического диапазона ИК радиометра, первый из которых связан с изменением размера входного отверстия диафрагмированной оптики, что способствует соответствующему изменению потока энергии и, тем самым, управлению динамическим диапазоном ИК радиометра При втором подходе расширение динамического диапазона возможно путем специфического свойства пироэлектрического кристалла - зависимость перепада напряжений на кристалле от частоты модулирующего напряжения Дело в том, что пироэлек-трик является емкостным датчиком и, следовательно, его импеданс уменьшается по закону 1ЮМ В соответствии с таким законом уменьшается и напряжение на кристалле, обусловленное поглощенной ИК мощностью (рис 6)

Предложено управление величиной частоты модуляции (в зависимости от диапазона измеряемых температур), что позволит увеличить чувствительность при измерении слабых ИК излучений и загрубить ее при измерении сильных ИК излучений Таким образом, можно изменять динамический диапазон радиометра, подбирая чувствительность прибора под конкретные условия измерения

1800 1600 1400 О 1200 1000 & 800 600 400 200 О

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

I, мА

Рис 6 Зависимость контактной температуры от тока электронного пучка для разных расстояний от места нагрева

Разработанная система автоматической калибровки и тестирования ИК радиометра позволяет производить калибровку ИК радиометра как в автоматическом, так и в ручном режимах с высокой точностью, осуществлять настройку аппаратной части приборов, производить измерение температуры в реальном времени с выводом данных в графическом виде на экран ПК, обрабатывать их и сохранять в файл

В третьей главе вычисляется потенциальная точность измерений температуры и производится оценка реальной чувствительности пироэлектрического приемника Определяются источники инструментальных погрешностей диафрагмированного пироэлектрического ИК радиометра и обосновываются способы их уменьшения

Теоретически показано, что потенциальная чувствительность пироэлектрических датчиков очень высока, и используя их можно измерять температуры с точностью ДТ^ =3 107К Использование в ППИ усилительного устройства, имеющего собственные шумы, ухудшает реальную чувствительность Это связано с недостаточно высокой вольт-ватгной чувствительностью Бу реальных пиродатчиков

В работе определена погрешность, которую вносит частичная неопределенность температуры стенок оптической системы На рис 7

Q0 = In jsin всоъв d9 = я-sin2 0O, Q.s = In Jsin0cos£> dO = neos2 в0 С1)

о е„

Так как приемник является приемником полного излучения, то мощность теплового излучения, принимаемого от объекта и стенки, соответственно равны

P0=As£l0T0\ Ps=AesQ,sTs\ А = const, (2)

где е - коэффициент излучения объекта, es - коэффициент излучения стенки При измерениях отклик приемника определяется суммарной принятой энергией, т е Po+Ps Причем различить воз-

Ts ____________________________________________^

'з

IX---

действие этих двух слагаемых нельзя,

12

поскольку и то, и другое одинаково | у __-

промодулировано Если То постоянно, J^isrrJX—71___________

то при изменении температуры стен- ^_L_^

ки Ts имеем воздействие на приемник рис ? Рассм01рение влияпия темПературы

PoHPs+APs), ЧТО ошибочно интер- оптической системы на отклик приемника

претируется радиометром как (Po+APo)+Ps, где АР о = APS Абсолютное изменение измеренного значения Т0ц температуры объекта равно (при условии То ~ const)

/

dPs _ —-AT,

Д/о;/ А/4д7, Д'^д,"* ^ У)

dT0

Соответственно, относительная погрешность STou, обусловленная дрейфом Ts (рис 8), с учетом (3) равна

— ATj

S = ~ТГ ~ ~ AAeQX ~ТГ ~ ° ет: (4)

'о Щ±т 'о с'о

1-Г 0

Из (4) видно, что погрешность близка к нулю без какой-либо компенсации в следующих случаях

1 во —> л/2 Диафрагмированной оптической системы нет, объект занимает все полупространство перед приемником

100

дТой

%

ю 1 0 1

500 1000 1500 2000 2500

Го, К

Рис 8 Зависимость погрешности измерения ЗГои от температуры объекта при различных углах визирования

2 es —> 0 Коэффициент отражения внутренней поверхности оптической системы равен 1

3 Оптическая система охлаждена до абсолютного нуля

4 АТ$ —> 0 Оптическая система термостатирована

5 ¿То » (cot2e0£sTs3ATs) Температура объекта достаточно велика

Случаи 1 и 2 неприемлемы для дистанционных измерений, 3 и 4 - обладают

высокой сложностью реализации, 5 - имеет место только при определенных условиях

Для компенсации нагрева передней стенки оптической системы необходимо обеспечить равные площади отверстий в передних стенках основного и компенсационного каналов, что должно выровнять мощности, поглощаемые как передними, так и боковыми стенками каналов С этой целью предложено в каждой диафрагме компенсационного канала выполнить несколько «компенсационных» отверстий, суммарная площадь которых равна площади отверстия в соответствующей диафрагме основного канала При этом компенсационные

16

\ 1 t ^^^ 1 . I Ts=293 К ATs=\ К

\6Ь=0 01

6fc=0 02

отверстия расположены так, что через них излучение объекта не попадает в приемник (рис. 9). Наличие компенсационных отверстий приводит к тому, что в обоих каналах часть излучения проходит через отверстия и поглощается внутренней поверхностью оптической системы, что делает компенсацию более точной, Определено уменьшение погрешности измерений вследствие использования предложенной конструкции каналов.

Основной канал

Ком пенс, канал

Рис. 9. Оптическая система с компенсацией

Использование модуляционного способа измерения температуры требует проведения опенки погрешностей, связанных с нестабильностью вращения обтюратора: флуктуацией фазы модулирующего колебания, "уходами" частоты модулирующего воздействия. Нестабильность скорости вращения обтюратора проявляется как в виде медленных уходов частоты с характерным временем т > 1сек., так и кратковременных отклонений мгновенной частоты от среднего значения. Соответствующие нестабильности приводят к появлению как систематической ошибки, искажающей среднее значение измеренной температуры, так и случайной ошибки, увеличивающей дисперсию.

Анализ показывает, что медленные уходы частоты при частотах модуляции Б = 10+20 Гц дают ошибку в единицы процентов, уменьшающуюся при увеличении постоянной времени та. Однако при определенном соотношении между частотой модуляции Б и постоянной времени г0 систематическая ошибка может быть устранена. Под кратковременной частотной нестабильностью будем понимать случайные флуктуации частоты вращения механического модулято-

ра, приводящие к временному рассогласованию сигнала и опорных импульсов, подаваемых на синхронный детектор (рис 10) Характерное время таких флук-туаций существенно меньше времени усреднения т ~ 1 сек Флуктуационная ошибка, „

вызванная кратковременной нестабильностью скоростью вращения модулятора, зависит как от относительной нестабильности а/0, так и от величины разности 7", -Т0 Это обстоятельство при большой величине разности

из

и4

3

т, -Тп

предъявляет весьма

Рис 10 Механизм возникновения случайной ошибки

жесткие требования к стабильности скорости вращения модулятора

Было показано, что наличие частотной зависимости выходного напряжения пироэлектрического датчика приводит к появлению систематической ошибки в случае отклонения частоты модуляции от номинального значения Величина этой ошибки может быть как положительной, так и отрицательной, в зависимости от параметров и схемы включения датчика

Предложено скомпенсировать эту погрешность с помощью корректирующих цепей Вычисляя коэффициент частотной чувствительности пиродатчика и корректирующей цепи, находим, что относительная зависимость всей цепи будет иметь вид

Уд =

1 а\к, | 1

2 со2тъ

V* =

йсо со 1 + {сот)2

1

2 сотп

|£0| (¡со 1 + (сот0)2'

(5)

(6)

где

А,(®)— частотный коэффициент передачи пиродатчика,

к„(т) - частотный коэффициент передачи корректирующей цепи,

т (со)- постоянная времени пиродатчика,

т„((о) - постоянная времени корректирующей цепи

Требуемая частотная компенсация будет обеспечена если у = 0, то есть

¥ц + ¥о 0 (7)

Следовательно, исходя из условия (7) постоянная времени компенсирующей цепи будет равна

Гл

(8)

1 2со-цг л<о

Как было отмечено выше, нестабильность частоты модуляции и флуктуации фазы могут привести к погрешностям измерения температуры в единицы процентов

Для уменьшения погрешности, связанной с установкой и нестабильностью частоты модуляции, предложено использовать автоматическую систему управления скоростью вращения электродвигателя (рис 11)

Для управления частотой модуляции используется система автоматического регулирования, построенная на базе ПИД-регулятора Использование этого метода стабилизации частоты приводит к значительному уменьшению вклада погрешностей, связанных с нестабильностью частоты модуляции, в измеряемое значение температуры

сд

Рис 11 Схема автомашчсского регулирования частоты модуляции

Предложено устранение ошибки, связанной с неправильной установкой фазы опорного колебания и ее флуктуациями, путем микропроцессорной обработки Программная реализация позволяет производить необходимую временную задержку между фронтом импульса модулирующего колебания и моментом старта синхронного детектирования сигнала

В заключении сформулированы основные результаты работы Получены статистические характеристики выходного сигнала модуляционного радиометра при флуктуациях длительности полупериодов модуляции Показано, что при нецентрированном прямоугольном сигнале для минимизации дисперсии отклика модуляционного радиометра следует обеспечивать максимальное время корреляции длительности полупериодов модуляции, т е желательно применять механический модулятор с большим моментом инерции

Показано, что в одноканальном ИК радиометре, при расположении модулятора между оптической системой и приемником, дрейф температуры оптической системы, обусловленный внешними воздействиями, приводит к значительной погрешности измерения Использование компенсационного канала позволяет значительно уменьшить указанную погрешность

Для уменьшения погрешности, имеющей место в результате нагрева оптической системы излучением объекта измерения, предложено использование специальных отверстий в компенсационном канале диафрагмированной оптики

Доказано, что измерение температуры вне точки локального нагрева с последующим определением температуры точки нагрева (по соответствующей калибровочной характеристике) позволяет уменьшить погрешность, обусловленную сильным изменением коэффициента излучения материала и ИК излучением паров металла

Для калибровки пирометра и проведения измерений целесообразно смещение точки нагрева на ширину геометрооптической диаграммы направленности Такой подход позволяет получить методическую погрешность не более 3-5% (в зависимости от позиционирования пирометра), уменьшить влияние изменения

коэффициента излучения материала при температурах плавления, а также сделать менее строгими требования к динамическому диапазону пирометра

Минимизация погрешности соответствия радиационной температуры Тп и физической температуры То достигается при позиционировании пирометра в точку измерения, совпадающую с точкой калибровки

Обоснована возможность уменьшения погрешности измерения температуры за счет использования микропроцессорной обработки сигналов Предложен и реализован способ стабилизации частоты модуляции, построенный на базе программно реализованного ПИД-регулятора

Предложены и реализованы программные алгоритмы полной компенсации погрешности, связанной с флуктуацией фазы опорного колебания, а также алгоритм компенсации ошибки синхронного детектирования, вызванной динамическими свойствами пиродатчика и аналогового тракта ИК радиометра

Построение ИК радиометра, состоящего из двух функционально законченных модулей, позволило решить вопросы, связанные с установкой прибора на объект измерения, обеспечило распределенную функциональность ИК радиометра, использование системных ресурсов и процессорного времени, подключение к ПК и в информационную сеть хост-контроллера

Построение ИК радиометра на базе микроконтроллера позволило существенно улучшить метрологические свойства прибора, расширить его функциональность

Использование разработанного источника эталонного излучения и системы автоматической калибровки и тестирования ИК радиометров позволяет производить калибровку ИК радиометра как в автоматическом, так и в ручном режимах, осуществлять настройку аппаратной части приборов, производить измерение и анализ температуры в режиме реального времени

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Афанасьев, А В Многоканальная ИК-система сбора и передачи информа-

ции / В А Односевцев, И Я Орлов // Прикладная физика - 2000 - № 6 -С 29-37

2 Афанасьев, А В Инфракрасный пирометр для контроля температуры в ва-

куумных установках /ВС Лебедев, И Я Орлов, А Е Хрулев // Приборы и техника эксперимента - 2001 - №2 - С 155-158

3 Патент на полезную модель Пирометр /АН Семенов, В Н Тюрин,

И Я Орлов, А В Афанасьев - № 25938, Опубликовано 27 10 02

4 Афанасьев, А В Инфракрасный микропроцессорный пирометр с диафраг-

мальной оптикой / И Я Орлов // Приборы и техника эксперимента - 2003 -№1 -С 149-152

5 Афанасьев, А В Инфракрасный микропроцессорный пирометр с комбини-

рованной оптической системой / И Я Орлов // Датчики и системы -2003-№ 2 -С 41-45

6 Патент РФ Пирометр /АН Семенов, В Н Тюрин, И Я Орлов, А В Афа-

насьев - № 2215269, Заявлено 06 05 02, Опубликовано 27 10 03

7 Афанасьев, А В ИК радиометрия высокотемпературных процессов при то-

чечном нагреве материалов / И Я Орлов, А Е Хрулев // Известия ВУЗов Радиофизика -2004 -т ХЬУП-№8 - С 668-674

8 Афанасьев, А В Система контактной термодиагностики буксовых узлов

подвижного состава / А П Евсеев, А В Односевцев, И Я Орлов // Датчики и системы - 2004 - №6 - С 35-37

9 Афанасьев, А В Контроль методами ИК и СВЧ радиометрии процессов ус-

тановления термодинамического равновесия в биологических тканях / О А Афанасьева, П И Орлов, И Ю Мазунин // Вестник ННГУ, серия Радиофизика - 2005 - Вып 1(3) - С 40-49

10 Афанасьев, А В ИК и СВЧ - радиометрия процесса теплопередачи в биологических тканях / О А Афанасьева, П И Орлов, И Ю Мазунин // 7-я

Международная научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии - ФРЭМЭ 2006», Владимир, 28-31 августа 2006 г - 2006 - Сборник докладов - Книга 1 - С 48-50

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

ВВЕДЕНИЕ 4

1 ГЛАВА I МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ ИК РАДИОМЕТР

ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЛОКАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ 23 1 1 Влияние условий измерения на оптико-электронную систему

радиометра 23

1 2 Структура микропроцессорного ИК радиометра 34

1 3 Технические характеристики 43

1 4 Выводы 44

2 ГЛАВА II ИК РАДИОМЕТРИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ТОЧЕЧНОМ НАГРЕВЕ МАТЕРИАЛОВ 46

2 1 Излучательная способность материалов при нагреве 46 2 2 Метод "смещенного" измерителя 48 2 3 Экспериментальная ИК радиометрия при точечном нагреве материалов в условиях вакуума 55 2 4 О некоторых возможностях расширения динамического диапазона ИК радиометра 62 2 5 Автоматизированная калибровка ИК радиометра 65

2 6 Выводы 78

3 ГЛАВА III ИСТОЧНИКИ АППАРАТУРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ДИАФРАГМИРОВАННОГО ИК РАДИОМЕТРА 81

3 1 Оценка реальной чувствительности пироэлектрического преобразователя в модуляционном радиометре 81

3 2 Инструментальные погрешности диафрагмированного

модуляционного ИК радиометра 96 3 2 1 Погрешности, обусловленные нагревом оптической системы

излучением объекта измерения 96 3 2 2 Погрешности, обусловленные неравномерностью скорости

вращения обтюратора 106

3 3 Выводы 130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ . 132

ПРИЛОЖЕНИЕ I 136 Экспериментальная установка для термической обработки металлов

электронным пучком . . 136

ПРИЛОЖЕНИЕ II 139 Комплект ИК радиометров для измерения локальных температурных

неоднородностей в широком диапазоне излучаемых мощностей 139

ПРИЛОЖЕНИЕ III 142

Программное обеспечение алгоритмы работы 142

ЛИТЕРАТУРА 153

Подписано в печать 04 04 2007 г Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная Печать офсетная Уел п л 1 Заказ № 385 Тираж 100 экз

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Нижегородского госуниверситета им Н И Лобачевского 603000, г Н Новгород, ул Б Покровская, 37

ВВЕДЕНИЕ.

1 ГЛАВА I. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ ИК РАДИОМЕТР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЛОКАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ.

1.1 Влияние условий измерения на оптико-электронную систему радиометра.

1.2 Структура микропроцессорного Ж радиометра.

1.3 Технические характеристики.

1.4 Выводы.

2 ГЛАВА И. ИК РАДИОМЕТРИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ТОЧЕЧНОМ НАГРЕВЕ МАТЕРИАЛОВ.

2.1 Излучательная способность материалов при нагреве.

2.2 Метод "смещенного" измерителя.

2.3 Экспериментальная Ж радиометрия при точечном нагреве материалов в условиях вакуума.

2.4 О некоторых возможностях расширения динамического диапазона Ж радиометра.

2.5 Автоматизированная калибровка Ж радиометра.

2.6 Выводы.

3 ГЛАВА III. ИСТОЧНИКИ АППАРАТУРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ДИАФРАГМИРОВАННОГО ИК РАДИОМЕТРА.

3.1 Оценка реальной чувствительности пироэлектрического преобразователя в модуляционном радиометре.

3.2 ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ ПОГРЕШНОСТИ ДИАФРАГМИРОВАННОГО МОДУЛЯЦИОННОГО ИК РАДИОМЕТРА.

3.2.1 Погрешности, обусловленные нагревом оптической системы излучением объекта измерения.

3.2.2 Погрешности, обусловленные неравномерностью скорости вращения обтюратора.

3.3 Выводы.

Для контроля физических и технологических процессов широко используются радиофизические методы измерений параметров, характеризующих как динамику процессов, так и их качество. Широкое применение нашли акустические, оптические, температурные и другие способы контроля параметров различных объектов и систем. Учитывая, что большинство физических и химических процессов сопровождаются изменением собственной температуры объекта, одним из наиболее используемых является контроль температурных режимов [1].

При решении ряда научных и технических задач [2] (радиоастрономия и физический эксперимент, контроль технологических режимов, дефектоскопия, и т.д.) требуется производить измерение температуры различных объектов преимущественно бесконтактными методами. Способы, основанные на бесконтактной передаче информации от закрепленного на объекте контактного датчика [3], имеют ограниченную область применения и не получили широкого распространения. Это связано с особенностями контактного измерения температуры: инвазивность метода, влияние качества контакта, сложности при измерении температуры движущихся объектов и т.д. Наиболее часто задача бесконтактной термометрии решается путем применения инфракрасных (ИК) радиометров, измеряющих интенсивность собственного теплового излучения объектов.

Сфера применения ИК радиометров постоянно расширяется, при этом повышаются требования, предъявляемые к точности, чувствительности, пространственной разрешающей способности, быстродействию, динамическому диапазону ИК радиометров.

Измерение высоких температур материалов в условиях глубокого вакуума (до 10'5 мм рт.ст.) происходит в сложных внешних условиях: мощный плазменный пучок в области нагрева, сопровождаемый рентгеновским излучением; испарение металла и необходимость сохранения высокого вакуума. Эти условия требуют существенного усложнения конструкции измерительного устройства и методики измерений. Применяемая в настоящее время контактная термометрия [1] приводит к искажению температурного поля объекта, требует углубления термопары в объект и, как следствие этого, нарушается возможность перемещения исследуемого объекта. Наиболее перспективно в этой ситуации бесконтактное измерение яркостной температуры объекта с помощью ИК радиометров [1], [116]. Однако использование ИК радиометров, измеряющих температуру обрабатываемого материала через смотровое окно [117] вакуумной камеры, при ионно-плазменном воздействии невозможно вследствие большого поглощения ИК излучения освинцованными стеклами. Размещение же оптического блока внутри вакуумной камеры сопряжено с проблемой воздействия паров металла на оптические элементы, что ограничивает использование зеркальной и линзовой оптики [118].

Условия, в которых используется современный радиометр для контроля физических экспериментов и технологических процессов, могут выглядеть следующим образом: измерение температуры объекта в широком диапазоне (от отрицательных до нескольких тысяч градусов) с расстояния от 10 мм до 10 метров, с учетом внешних факторов (пыль, рентгеновское излучение, широкий диапазон внешних температур и др.) и особенностей самого объекта измерения (излучательная способность, характер поверхности, размеры и т.д.). Таким образом, возникает необходимость в решении задачи эффективного измерения мощности ИК излучения объекта в широком динамическом диапазоне мощности, как информативного излучения, так и излучения, являющегося помехой. Радиометр должен обеспечивать:

- высокую пространственную разрешающую способность;

- широкий динамический диапазон значений мощности входного излучения;

- высокую точность измерения;

- достаточное быстродействие;

- устойчивость к внешним факторам;

- высокую надежность и простоту эксплуатации и обслуживания.

При создании радиометров для измерения температуры высокотемпературных процессов, медико-биологических исследований, для физических измерений в ближней зоне радиометра, возникают следующие внешние мешающие факторы:

- диаграмма направленности оптической системы в ближней зоне не сформирована;

- внешние факторы (запыление оптической системы парами металла, при контроле термической обработки металлов);

- помеха, связанная с приемом фонового (мешающего) ИК излучения;

- внешние механические воздействия на радиометр;

- нагрев оптической системы радиометра излучением объекта при измерении высоких температур с небольших расстояний, значительные изменения температуры окружающей среды;

- особенности теплового излучения объектов, нагретых до высоких температур (выше 500°С);

- зависимость излучательной способности объекта от его состояния и угла наблюдения.

Из общей постановки задачи по разработке методики измерений и соответствующего приборного парка вытекает необходимость решения следующих частных задач:

- определение оптимальной конфигурации оптической системы для различных измерительных задач;

- выбор типа приемника оптического излучения, оценка свойств приемника и потенциальных характеристик радиометра с данным приемником;

- разработка эффективных алгоритмов обработки информации;

- создание методов компенсации нагрева оптики;

- разработка методики измерения и оценка погрешностей измерений.

Рассмотрим, как в настоящее время решаются перечисленные задачи, в частности, в существующих серийных ИК радиометрах.

При работе в сложных внешних условиях специфические требования предъявляются, прежде всего, к оптической системе радиометра. Оптическая система обязательно в том или ином виде присутствует в любом бесконтактном измерителе температуры. Она обеспечивает необходимую пространственную избирательность прибора, т.е. определяет область пространства предметов, в которой температура объектов влияет на показания радиометра. Используемые в ИК радиометрах оптические системы можно разделить на четыре типа: зеркальные, линзовые, диафрагмированные и светопроводные (в т.ч. световодные). Зеркальные и линзовые системы представляют собой набор соответственно отражающих или преломляющих поверхностей, формирующих на приемнике изображение объекта. Диафрагмированные системы представляют собой набор хорошо поглощающих излучение бленд и диафрагм, формирующих сектор визирования путем затенения части пространства. Светопроводные системы представляют собой полости с отражающей внутренней поверхностью.

Зеркальные и линзовые оптические системы наиболее распространены, другие оптические системы используются сравнительно редко. Зеркальные оптические системы обладают рядом преимуществ по сравнению с линзами: широкий рабочий спектральный диапазон, более высокая механическая прочность, низкая стоимость изготовления [4, 5]. По этим причинам (особенно важны спектральные характеристики) применение зеркальных систем представляется наиболее оправданным [6] для ИК радиометров.

В силу того, что инфракрасный диапазон длин волн находится на «стыке» радио - и оптического диапазона, в расчете ИК оптических систем есть определенная специфика.

С одной стороны, для расчета могут быть использованы методы геометрической оптики, с другой стороны, необходимо учитывать дифракционные эффекты. Соотношение размеров оптической системы и длины волны принимаемого излучения таково, что диаграмма направленности формируется на относительно больших расстояниях (порядка сотен метров). В то же время в большинстве случаев (преимущественно в технических, химических, биологических и медицинских применениях радиометров) объект измерения находится на расстоянии от единиц сантиметров до десятка метров, т.е. в зоне геометрической оптики (отметим, что в случае сильно удаленного объекта возникает задача учета затухания ИК излучения в атмосфере [7, 8]).

Тип используемого приемника также накладывает определенные ограничения на метод расчета оптических систем. Как правило, в ИК радиометрах используются приемники оптического излучения, и, в частности, тепловые приемники излучения. Данные типы приемников являются протяженными (линейные размеры много больше длины волны) и нечувствительными к фазе излучения (чувствительны только к суммарной мощности, падающей на приемник). Исключением являются только антенные тепловые приемники излучения (АТП) [99], которые близки по параметрам к дипольным антеннам радиодиапазона.

В [21] рассматриваются общие вопросы проектирования сферических двухзеркальных антенн. Вопросы, связанные с обеспечением неискаженного качания ДН сферической двухзеркальной системы типа системы Кассегрена, рассматриваются в [15]. Подразумевается, что для качания ДН производится перемещение малого зеркала. Также приводятся данные о необходимой точности установки отдельных элементов системы. Результаты данных работ ориентированы на антенны радиодиапазона и не учитывают всей специфики ИК систем.

Диафрагмированные оптические системы, как показывает практика, находят достаточно широкое применение в реализациях радиометров [25, 26, 27, 28, 29, 30]. Диафрагмированную оптическую систему следует рассматривать как вынужденную альтернативу другим оптическим системам в тех случаях, когда использование последних невозможно из-за внешних воздействий (пыль, испарение металла и т.п.). Главным недостатком такой системы является малое относительное отверстие и, следовательно, меньший по сравнению с другими оптическими системами) отклик на выходе приемника. Тем не менее, диафрагмированная система в ряде случаев обеспечивает удовлетворительные характеристики при гораздо меньшей стоимости чем зеркальные или линзовые системы.

Датчик инфракрасного излучения, описанный в [25], комплектуется насадками с 7 сменными диафрагмами, позволяющими дискретно регулировать угол обзора через 20°. Максимальный угол обзора датчика составляет 150°. Аналогичная система [26] обеспечивает сектор визирования диаметром 20 мм на расстоянии 40 мм, т.е. угол визирования достаточно велик. В приборе, описанном в [27], применена аналогичная диафрагмированная оптическая система, для которой заявлено разрешение по телесному углу Q =7.85-10-3-Я). 125 ср. Роль оптической системы выполняет круглое окно в корпусе, на которое насаживается нужная диафрагма для достижения необходимого угла визирования. Очевидно, подобные характеристики приводятся исходя из рассмотрения идеальной модели оптической системы, что вполне оправдано в случае столь простых систем.

В [28] описаны радиометры, один из которых имеет оптический блок, построенный на основе камеры-обскуры со сменными диафрагмами. Фактически, диафрагмированная оптическая система является камерой-обскурой, однако в дальнейшем будем использовать определение «диафрагмированная оптическая система», чтобы подчеркнуть устройство и функциональную принадлежность системы. Следует отметить, что система, описанная в [28], используется в неоптимальной конфигурации, т.к. модулятор расположен между оптической системой и приемником, причем каких-либо объяснений в защиту данной конфигурации не приведено. Также не рассматриваются дополнительные погрешности, появление которых в системе с подобной конфигурацией неизбежно.

Некоторые данные о свойствах диафрагмированных оптических систем приведены в [29], где описывается система, применяемая для фотометрии. Указывается, что «хорошо задиафрагмированная трубка значительной длины» обеспечивает погрешность измерения не более 0.2%. Однако никаких данных о размерах этой трубки не приводится; неизвестно также, получены ли эти данные теоретически или экспериментально.

Таким образом, как и в случае зеркальных систем, возникает необходимость исследования свойств диафрагмированной оптической системы с протяженным тепловым приемником в ближней зоне.

Из всех типов приемников излучения будем рассматривать пироэлектрические приемники излучения (ПЛИ), которые являются подмножеством тепловых приемников излучения (ТПИ). Теория пироэлектричества, пироэлектрические материалы, их свойства и особенности, а также принципы применения в качестве приемников излучения, подробно описаны в ряде книг [40, 41, 42, 43]. В этих книгах приведена обширная библиография. Из общих и обзорных материалов можно также отметить статью [44], содержащую обзор работ по ПЛИ опубликованных в отечественной литературе; также в статье обсужден механизм быстродействия пироэлектрических приемников и дано описание пироэлектрических линеек и матриц.

Для непрерывного измерения мощности ИК излучения с помощью ПЛИ излучение должно быть промодулировано по амплитуде, т.к. ПЛИ чувствительны только к переменной составляющей падающего потока излучения. Модуляторы можно делить на различные типы по нескольким критериям: механические-электронные, поглощающие-отражающие и т.п. Поскольку типов модуляторов не очень много, не будем проводить подобную «многомерную» классификацию, а рассмотрим три группы, наиболее отличающиеся функционально: механические модуляторы, модуляторы на изменении коэффициента поглощения среды и активная микромодуляция.

Механические модуляторы. К данной группе будем относить модуляторы, которые производят прерывание потока излучения подвижной непрозрачной шторкой (поглощающие) или подвижным зеркалом (отражающие). В большинстве известных систем ИК радиометров используется механическая модуляция. Для нахождения абсолютного значения измеряемой температуры всегда необходимо знать температуру эталонного излучателя, излучение которого падает на приемник в фазе перекрытия излучения объекта измерения. В случае поглощающего модулятора эталонным излучателем является шторка модулятора, в случае отражающего - объект, «видимый» в зеркале в фазе перекрытия излучения объекта измерения.

Основное преимущество механических модуляторов перед всеми другими типами заключается в уникальной совокупности характеристик -большая глубина модуляции (высокий контраст) при почти неограниченном спектральном окне прозрачности. Глубина модуляции составляет практически 100% для поглощающих и несколько меньше (95ч-100)% для отражающих модуляторов. Преимущество отражающих модуляторов в том, что измерение температуры неподвижного эталонного излучателя проще, чем измерение температуры шторки модулятора, что в ряде случаев может иметь существенное значение. Отличительной особенностью всех механических модуляторов является относительно плавный переход между фазами визирования объекта и эталонного излучателя.

Механические модуляторы обеспечивают преимущественно низкие частоты модуляции: от нулевой частоты до нескольких тысяч Гц, реализация более высоких частот затруднена вследствие сложности и инерционности механической системы. Известна система, обеспечивающая частоту модуляции 3000 Гц (комплекс СКАТ-Б для измерения температуры букс движущегося поезда, в качестве приемника используется элемент кадмий-ртуть-теллур).

К механическим модуляторам можно также отнести системы, в которых шторка неподвижна, а приемник движется. Чаще всего приемник выполняется в виде вращающегося секционированного диска, в котором секции включены параллельно противофазно [40], [67]. Подобные системы чаще применяются для измерения интенсивных потоков излучения.

К недостаткам механических модуляторов можно отнести низкую надежность (свойственную всем механическим системам), относительную сложность управления частотой и фазой модуляции, сложность высокочастотной модуляции, относительно высокую потребляемую мощность. Но, несмотря на это, механические модуляторы применяются наиболее часто благодаря своей простоте, низкой стоимости и 100%-ной глубине модуляции.

Модуляторы на изменении коэффициента поглощения среды. К данной группе будем относить модуляторы, в которых излучение от объекта измерения проходит через среду с изменяемым коэффициентом поглощения. Модуляторы данной группы являются поглощающими, поэтому эталонным излучателем является сама поглощающая среда, т.е. для измерений необходимо знать ее температуру.

Степенью поглощения среды управляет электронная схема модулятора. Управление коэффициентом поглощения может быть осуществлено на основе различных физических эффектов, рассмотрим некоторые из них.

Жидкокристаллические модуляторы. На основе жидких кристаллов могут быть построены различные устройства для поляризации и модуляции оптического излучения. Так, в [68] описан жидкокристаллический аттенюатор неполяризованного светового потока, обладающий пропусканием 65% (без просветления) или (90ч-92)% (с просветлением) и коэффициентом контрастности свыше 300 при управляющем напряжении до 10 В. В данном аттенюаторе ЖК-ячейка помещается между двумя двулучепреломляющими пластинами. Полоса пропускания аттенюатора ^=0.45ч-2 мкм, частота модуляции до 1 кГц.

В [69] описано устройство для модуляции плоскополяризованного излучения. В устройстве используется полимерная пленка с капсулированным в ней сегнетоэлектрическим жидким кристаллом, помещенная между прозрачными подложками, на внутренней поверхности которых расположены прозрачные электроды. Достигнуты следующие характеристики: частота модуляции до 1 МГц, глубина модуляции (0-:-99)%, управляющее напряжение 0ч-300. В, потребляемая мощность 1 мВт/см2, А,=0.45ч-2 мкм, плотность мощности излучения до 3 кВт/см2.

В устройстве, описанном в [70], используется планарно-ориентированная пленка капсулированных полимером холестерических жидких кристаллов (К.П.Х.Ж.К.), размещенная между прозрачными подложками, на внутренней поверхности которых напылены прозрачные электроды. В зависимости от приложенного электрического поля пленка может находиться в трех основных состояниях: не пропускать свет, пропускать только одну линейнополяризованную компоненту света, пропускать свет любой поляризации. Характеристики устройства: коэффициент пропускания 50%, время включения 1ч-2 мс, время выключения 2ч-30 мс, управляющее напряжение 0-Й00 В, А,=0.45-К3 мкм, плотность мощности излучения до 2 кВт/см2.

В [71] рассмотрены различные аспекты применения ЖК в качестве модуляторов Ж излучения и описана реальная конструкция приемника ИК излучения с ЖК модулятором.

Электрооптические фазовые модуляторы света [72], выполненные на кристаллах DKDP с продольным эффектом Поккельса, имеют полосу пропускания А,=0.2ч-1.5 мкм и очень высокую допустимую частоту модуляции - 0-г200 МГц. Коэффициент пропускания для них достигает 80%, а остаточное пропускание 0.03%. Серьезными недостатками подобных систем являются высокая сложность конструкции и большая потребляемая мощность.

Также отметим еще более «экзотический» вариант - оптический вентиль импульсного действия [73] на основе эффекта Фарадея. Для управления подобным устройством требуется очень большая энергия.

Таким образом, модуляторы на изменении коэффициента поглощения среды обладают следующими недостатками: узкое спектральное окно прозрачности; относительно низкий коэффициент пропускания; более высокие, чем у механических модуляторов, сложность и стоимость.

Достоинства модуляторов данной группы: высокая надежность; простота управления частотой и фазой; возможна высокая частота модуляции.

Несмотря на указанный ряд достоинств, модуляторы данной группы в настоящее время практически не находят применения в ИК радиометрах.

Активная микромодуляция. Практическая реализация данного принципа модуляции описана в [45], где принцип назван «активная лазерная микромодуляция». В данном случае образец периодически подогревается импульсами лазера с длиной волны вне спектра чувствительности радиометра. Указывается, что при соответствующей калибровке можно измерять температуру даже полупрозрачных и сильноотражающих объектов при наличии сильных посторонних источников излучения. В работе описана следующая система. Измеряется температура стеклянной пластинки с покрытием из аморфного кремния (0.5 мкм). Микромодуляция осуществляется лазером на АИГ:Ш с длиной волны ^=1.06 мкм, мощность 0.1 Вт, луч механически модулируется с частотой 20 Гц. Приемник имеет германиевую оптику, непрозрачную для длин волн Х<2 мкм. Амплитуда микромодуляции равна АТ=0.1 °С.

Преимущества активной микромодуляции: нечувствительность к фоновому излучению; очень высокое пространственное разрешение (определяется размером пятна лазера на объекте); возможность измерения температуры прозрачных и отражающих объектов.

Недостатки: высокая сложность и стоимость реализации; необходима калибровка для конкретного объекта; для приемника необходим фильтр, ослабляющий лазерное излучение на несколько порядков.

Из всех типов приемников излучения будем рассматривать пироэлектрические приемники излучения (ППИ), которые являются подмножеством тепловых приемников излучения (ТПИ). Теория пироэлектричества, пироэлектрические материалы, их свойства и особенности, а также принципы применения в качестве приемников излучения, подробно описаны в ряде книг [40, 41, 42, 43], в этих книгах также приведена обширная библиография. Из общих и обзорных материалов можно также отметить статью [44], содержащую обзор работ по ППИ, опубликованных в отечественной литературе; также в статье обсужден механизм быстродействия пироэлектрических приемников и дано описание пироэлектрических линеек и матриц.

Интегральной характеристикой ППИ, определяющей предельную чувствительность радиометра, является обнаружительная способность D*, которая, как правило, нормируется для конкретных моделей приемников. Зная обнаружительную способность приемника, геометрические размеры оптической системы и некоторые другие характеристики радиометра, можно вычислить его предельное температурное разрешение. Для уточнения предельного температурного разрешения необходимо определить, как на него влияют вид спектральной характеристики пропускания оптического фильтра приемника и флуктуации фазы периодов модуляции.

При высокотемпературной радиометрии имеют место различные эффекты, снижающие точность измерений. К таким эффектам, в частности, относятся нагрев радиометра тепловым излучением объекта измерения и зависимость коэффициента излучения объекта от температуры. Кроме того, при высокой температуре объекта и низком давлении возможно распыление нагретого вещества, что приводит к загрязнению датчика. Загрязнение может также происходить из-за пыли, содержащейся в атмосфере.

В ситуации, когда излучение оптической системы радиометра не промодулировано, флуктуации температуры оптической системы не приводят к негативным последствиям (например, при расположении модулятора между оптикой и объектом или при лазерной микромодуляции [45]). В остальных ситуациях проблема нагрева радиометра актуальна, причем актуальна для всех типов оптических систем. Меняющаяся мощность теплового излучения оптической системы приводит к изменениям отклика радиометра, т.е. имеет место погрешность измерения.

Нагрев радиометра и, в частности, его оптической системы тепловым излучением объекта проявляется преимущественно при близко расположенном объекте измерения, при этом имеет место ярко выраженный случай использования оптической системы в зоне геометрической оптики. В общем случае флуктуации температуры оптической системы могут происходить не только от нагрева тепловым излучением объекта, но и в результате изменения температуры окружающей среды.

В некоторых конструкциях радиометров [27, 28] нагрев оптики никак не учитывается, несмотря на высокие заявленные верхние пределы измеряемых температур. В других случаях используются различные приемы для устранения негативного влияния нагрева оптики: в системе, описанной в [46], применяется термостабилизация оптической головки радиометра (не следует путать термостабилизацию оптической головки и термостабилизацию опорного излучателя, которая применяется очень часто). В [47] описана система, в которой излучение диафрагмированной оптической системы минимизируется за счет охлаждения диафрагмы. Так, и термостабилизация оптической системы и охлаждение диафрагмы достаточно сложны в реализации, поэтому вопрос о системе компенсации или учета нагрева оптической системы остается открытым.

Для устранения направленного потока частиц нагретого вещества, вызывающего загрязнение оптики, применяются различные системы крыльчаток. Так, в [48] используется система вращающихся лопастных колес, которая размещается между расплавленной массой и радиометром.

Вследствие конечной скорости движения молекул, при приеме ИК-излучения от исследуемого объекта, молекулы расплавленного материала остаются на лопастях, а зеркало, установленное после данного фильтра, свободно от нежелательного запыления. В подобной системе вращающиеся лопасти могут также служить модулятором, однако при этом возникает проблема измерения температуры лопастей.

Другой подход борьбы с загрязнением оптики заключается не в предотвращении, а в компенсации погрешности, связанной с загрязнением. В [49] предлагается компенсировать погрешность, возникающую вследствие изменения оптических свойств входного окна.

Зависимость коэффициента излучения объекта от его температуры, свойственная некоторым веществам, приводит к тому, что полная мощность теплового излучения объекта зависит от его температуры сложным образом [50], что затрудняет бесконтактные измерения. Известно кардинальное решение проблемы: использование многоспектральных (и, в частности, биспектральных) методов бесконтактного измерения температуры [51, 52]. Сложность многоспектральных систем, как правило, превосходит сложность односпектральных. Потенциальное температурное разрешение многоспектральных систем хуже [53], чем одно- и двухспектральных. Кроме того, в работе [54] указывается, что многоспектральные системы пригодны для получения точных результатов только в ограниченном классе задач и очень требовательны к точности настройки. В частности, отмечено, что ошибка аппроксимации функции е(Х) порядка 0.1% могут привести к погрешности измерения в десятки процентов. Таким образом, актуален вопрос о разработке методов, позволяющих производить измерения односпектральным радиометром. Однако в случае односпектрального измерения также имеют место принципиальные проблемы. В частности, не существует способа определения температуры при неоднозначной зависимости температуры от мощности излучения.

Из сказанного следует, что достаточно актуальной является задача уменьшения погрешностей, возникающих вследствие ряда негативных эффектов при ИК измерениях: нагрев радиометра тепловым излучением объекта измерения, запыление и загрязнение оптики радиометра, зависимость коэффициента излучения объекта от температуры и.т.д. Необходимо находить новые технические решения, позволяющие снизить указанные погрешности без существенного увеличения стоимости радиометра.

Итак, вышеперечисленные особенности, наряду с требованиями высокого пространственного разрешения (угол визирования не хуже 1:50); возможности изменения угла визирования (от 1:10 до 1:100) в зависимости от исследуемого объекта; незначительной относительной погрешностью (не превышающей 2% при времени накопления 1с); широким динамическим диапазоном измеряемых температур (от 20°С до 1200°С) и нелинейной зависимостью яркостной температуры объекта от его физической температуры, обусловливают необходимость создания микропроцессорной системы измерения ИК излучения, способного работать в сложных внешних условиях.

Цель исследования:

Целью работы является разработка принципов построения радиометров, работающих в широком диапазоне измеряемых мощностей при точечном нагреве материалов.

Задачи работы:

- исследование особенностей оптико-электронного преобразования ИК сигналов модуляционным пироэлектрическим приемником в широком диапазоне мощностей падающего излучения;

- оценка потенциальных свойств пироэлектрического приемника в составе радиометра;

- исследование возможности управления динамическим диапазоном измеряемых температур изменением частоты модуляции;

- разработка экспериментальной установки и методики высокотемпературной радиометрии.

Методы исследования:

Методы статистической радиофизики, теория погрешностей, методы радиофизических измерений, принципы построения микропроцессорных систем и программного обеспечения, методы теории сигналов и цепей.

Научная новизна:

- запатентован двухканальный ИК радиометр и разработана конструкция диафрагмированной оптической системы для исключения влияния нагрева оптической системы на погрешность измерения;

- впервые предложен способ исключения влияния частотной нестабильности опорного колебания на погрешности измерений пироэлектрического радиометра;

- обоснован метод «смещенного измерителя» для высокотемпературной ИК радиометрии при локальном нагреве материалов;

- предложены оригинальные способы исключения влияния флуктуации фазы при модуляции на погрешности при измерениях;

- разработаны и реализованы методы автоматической калибровки и динамического изменения шкалы измеряемых температур.

Научная и практическая значимость:

- запатентованный способ компенсации погрешности, обусловленной нагревом диафрагмированной оптической системы, с помощью компенсационного канала может использоваться при измерении высокотемпературных процессов;

- метод «смещенного измерителя», способ калибровки и пересчеты отклика радиометра в физическую температуру объекта могут использоваться для устранения влияния излучательной способности на результаты измерения;

- для измерения и контроля широкого диапазона температур и при сложных внешних условиях созданы комплект ИК радиометров и автоматизированная система их калибровки и тестирования;

- определены пути уменьшения погрешностей ИК радиометров с механической модуляцией потока излучения.

На защиту выносятся:

- двухканальный ИК радиометр с диафрагмированной оптикой, обеспечивающей защиту от внешних механических воздействий и компенсацию внешних температур;

- метод "смещенного" измерителя для высокотемпературной пирометрии при локальном нагреве материалов;

- способ исключения влияния частотной нестабильности опорного колебания на погрешности измерений пироэлектрического радиометра;

- способы исключения влияния флуктуации фазы модуляции принимаемого излучения на ошибку измерения.

Вклад автора

- обоснованы и экспериментально доказаны способы расширения динамического диапазона ИК радиометра;

- предложен и экспериментально подтвержден способ "смещенного" измерителя;

- предложен, теоретически исследован и обоснован способ компенсации нагрева оптической системы;

- разработан, обоснован и реализован алгоритм обработки модулированного колебания, синхронного детектирования и интегрирования сигнала в цифровом модуляционном ИК радиометре;

- предложен и экспериментально подтвержден алгоритм исключения влияния неправильной установки фазы опорного колебания;

- предложены и экспериментально проверены алгоритмы устранения погрешностей, связанных с флуктуацией фазы;

- разработан программно-аппаратный комплекс по проведению автоматической калибровки и тестирования ИК радиометров.

Публикации, апробации на конференциях, внедрение

По результатам работы опубликованы 7 статей в центральных рецензируемых журналах; получены патент РФ на изобретение и свидетельство Роспатента на полезную модель; опубликованы материалы 8 докладов в Трудах научных конференций по радиофизике в ННГУ.

Результаты исследований доложены на международной конференции «XVI Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения. 25-27 мая 2000г. г. Москва, Россия», на 7-ой Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии - ФРЭМЭ 2006, Владимир, 28-31 августа 2006 г. - 2006», на конференциях по радиофизике в ННГУ (1998 г., 1999 г., 2000 г., 2002 г., 2003 г. , 2004 г.). Участие в 2 научно-технических отчетах.

Участие в международной выставке "Дни Нижегородской области в Чехии" 1999г., во Всероссийской выставке "Россия на рубеже веков" 1999г., во Всероссийской выставке "Воспитание, образование, карьера" 2000 г., во Всероссийском научно-промышленном форуме 2003г.

Результаты работы внедрены в научно-исследовательском конструкторском институте энерготехники им. Долежаля Н.А. г. Москва, в

Вятском госуниверситете и Нижегородском госуниверситете им. Н.И.Лобачевского.

2.6 Выводы

- Отклик пироэлектрического радиометра является функцией многих параметров, характеризующих температуру, излучательные свойства объекта, направленные свойства оптической системы, а также и амплитудно-частотные характеристики оптико-электронного блока и блока обработки.

- При высоких температурах нагрева для калибровки радиометра и проведения измерений целесообразно смещение точки измерения на ширину геометрооптической диаграммы направленности. Такой подход позволяет получить относительную методическую погрешность не более 3% (в зависимости от позиционирования радиометра), устранить возможность приема видимого излучения, уменьшить влияние изменения излучательной способности материала и появления его паров при температурах плавления, а также сделать менее строгими требования к динамическому диапазону радиометра.

- Минимизация погрешности соответствия радиационной температуры Тп и физической температуры Тк достигается при позиционировании радиометра в точку измерения, совпадающую с точкой калибровки. При ошибке позиционирования ДЬ*0 в процессе измерения вблизи точки нагрева погрешность увеличивается и при Д1=±6 мм она достигает максимального значения 5т =3%.

- С увеличением расстояния между точкой нагрева и точкой измерения (Д1>12 мм) требования к точности позиционирования радиометра существенно уменьшаются, т.к. зависимость Tn=f(l) имеет максимальную производную в пределах Д1б(0,12 мм).

- Динамическим диапазоном пироэлектрического ИК радиометра можно управлять путем изменения площади приемного элемента и частоты модуляции.

- Использование разработанного источника эталонного излучения и системы автоматической калибровки и тестирования ИК радиометра позволяет производить калибровку ИК-радиометра как в автоматическом, так и в ручном режимах с точностью до сотых долей градуса, осуществлять настройку аппаратной части приборов, производить измерение температуры в реальном времени с выводом данных в графическом виде на экран ПК, обрабатывать их и сохранять в файл.

1. Оцениа реальной чувствительности пироэлектрического преобразователя в модуляционном радиометре

2. Основными характеристиками ППИ, определяющими параметры радиометра, являются обнаружительная способность и постоянная времени.

3. Рис. 3.2 Обнаружительная Рис. 3.3 Зависимость вольтспособность тепловых ваттной чувствительности отдетекторов различных типов. частоты.

4. Цифрами обозначены: 1 идеальный тепловой детектор; 2 - пироприемник; 3 - оптико-акустический приемник; 4 - радиационный термоэлемент; 5 -иммерсионный термисторный болометр.

5. Пироэлектрический эффект является реакцией на достаточно быстрые перепады температуры, при стационарной температуре спонтанная электризация исчезает. Поэтому при температурных измерениях необходимо периодически прерывать поток излучения.

6. V= Е-а напряжение на электродах , а - толщина плёнки , C=e-S/a - ёмкость плёнки ,

7. Е диэлектрическая проницаемость пироэлектрика, R - сопротивление пироэлектрика.

8. Для идеального пироэлектрика (R—»оо) соотношение (3.2)принимает вид:

9. Известно 99., что зависимость приращения температуры ДТ от частоты пульсаций со падающего потока излучения для датчиков с поглощающей поверхностью определяется соотношением:где рп коэффициент поглощения падающего потока; ст - теплоёмкость;

10. Р(со) спектральная плотность мощности падающего потока;

11. А(со) параметр , определяемый конструктивными особенностями3.2)3.4)стсодатчика.