Способ измерений оптических характеристик объектов

 

1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЙ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЪЕКТОВ, заключающийся в том, что световой поток формируют в опорный и измерительный каналы , помещают исследуемый объект в измерительный канал, измеряют разность интенсивностей излучения на выходе обоих каналов и рассчитывают оптические характеристики объекта, отличающийс я тем, что, с целью повьгщения точности измерений, дополнительно регистрируют интенсивность излучения в опорном канале, разность интенсивностей в каналах нормируют на интенсивность в опорном канале , повторяют все измерения в отсутствие исследуемого объекта в измерительном канале, а величину А относительного ослабления света o6bekTOM определяют по формуле b(J/U, ,/и,, где д Ug Ни и о, - соответственно разность интенсивностей в каналах и велшшна интенсивности в опорном канале без объекта в измерительном канапе; uU и О, - соответствующие величины с объектом в измерительном канале. 2. Способ поп. l,oтл.ичaющ и и с я тем, что, с целью получения максимальной точности, перед проведением измерений величин дУ, , U,, Uo определяют наименьшее время ut нечувствительности величины л и к дрейфу, при этом измерения начинают после того, как в результате дрейфа последовательно изменяется регистрируемая величина интенсивности излучения в опорном канале и регистрируемая величина разности интенсивностей излучения , измерения проводят в течение времени , не превышающего fli , а интенсивность светового потока выбирают не более величины Alal-D/SuA , 00 где D динамический диапазон изменесо ний интенсивности светового по00 тока за время Д ; 1 и 5 дА соответственно щумовой ток и чувствительность применяемого регистратора; требуемая погрещность измерений величины А

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И) 15@ 4 G 01 1/16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

fq» с

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и величина интенсивности в опорном канале беэ объекта в измерительном канале; — соответствующие величины с объектом в иэмейЦи (/, Р

° »

° ° с»

1Г2 I D)б а Д

1- ь0/О ! О/Ц й

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3694478/24 — 25 (22) 26.01.84 (46) 5.12.85. Бюл, Н 46 (71) Научно- исследовательский институт прикладных физических проблем им. акад. А. Н. Севченко (72) Е. С. Воропай, В. И. Карась, В. М. Ломако и П. А. Торпачев (53) 535.24 (088.8) (56) Патент Японии Х 52 — 13432, кл.-,С 01 1/04, опублик. 1977.

Патент Японии 11 47-15278, кл. G 01 J !/10, опублик. 1972. (54) (57) 1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЙ ОПТИ вЂ”

ЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЪЕКТОВ, заключающийся в том, что световой поток формируют в опорный и измерительный каналы, помещают исследуемый объект в измерительный канал, измеряют разность интенсивностей излучения на выходе обоих каналов и рассчитывают оптические характеристики объекта, о т л и ч а ю ш и йс я тем, что, с целью повышения точности измерений, дополнительно регистрируют интенсивность излучения в опорном канале, разность интенсивностей в каналах нормируют на интенсивность в опорном канале, повторяют все измерения в отсутствие исследуемого объекта в измерительном канале, а величину А относительного ослабления света объеКтом определяют по формуле где а 1! и а U соответственно разность интенсивностей в каналах рительном канале.

2.Способпоп.1,отличаю шийся тем, что, с целью получения. максимальной точности, перед проведением измерений величин ь 11, а 0 11, 00, опо, ределяют наименьшее время а Ф нечувствительности величины 6(! к дрейфу, при этом измерения начинают после того, как в результате дрейфа последовательно изменяется регистрируемая величина интенсивности излучения в .опорном канале и регистрируемая величина разности интенсивностей излучения, измерения проводят в течение времени, не превышающего Ь|, а интенсивность светового потока выбирают не более величины где 3) — динамический диапазон изменений интенсивности светового потока за время Ь ;

I и 5 — соответственно шумовой ток и чувствительность применяемого регистратора; л A — требуемая погрешность измерений величины А

1198387

Изобретение относится к технике фотометрии и может найти применение для измерений характеристик поглощения, отражения и рассеяния света.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

На чертеже изображено устройство, реализуюшее предлагаемый способ при измерениях пропускания образцов.

Устройство состоит из блока 1 питания, источника 2 света, системы 3 формирования излучения, светоделителя 4, фотодиодов 5 и 6 (например, кремниевые фотодиоды SP — 103), операционных усилителей

7 и 8 (например, операционные усилители

К 544 УДI), .вольтметров 9 и 10 (например, В7 — 23), сопротивлений 11 и 12 обратной связи операционного усилителя (например, R = 9 МОм), а между светоделителем .4 и фотодиодом 5 помещается исследуемый объект 13.

Способ осуществляется следующим образом.

Излучение источника 2 света, питаемого блоком 1, формируется системой 3 и разделяется светоделителем 4 на измерительный и опорный каналы, причем излучение в измерительном канале детектируется фотодиодом 5, излучение в опорном канале фотодиодом 6, Сигналы с выходов обоих фотодиодов усиливаются идентичными операционными усилителями 7 и 8, имеющими одинаковые сопротивления обратной связи, и поступают на два входа измерителя

9 разности сигналов, причем сигнал фото. детектора опорного канала поступает также на вход другого измерителя 10. Оба измерения начинают и заканчивают одновременно.

Измеряются одновременно разность д 0р интенсивностей и величина 0 р, интенсивности без объекта в измерительном канале.

Затем в измерительный канал помещается объект 13 измерений и фиксируются соответствующие величины д tJ и U, . Все измерения проводятся за время д h нечувствительности величины д " к дрейфу, которое определяется предварительно.

Так, при О, = 10,380 В интервал времени д нечувствительности разности сигналов к дрейфу составлял не менее 45 с, а ин>t тервал времени д нечувствительности опорного сигнала к дрейфу — не менее 130 с.

При этом интервал времени д4 постоянства величины А зависит от совмеспюго влияния двух дискретных сигналов Ll, и

AU, причем Ь с = 4, за исключением случаев, когда увеличение О, и д 0 в результате дрейфа на одну единицу младшего разряда происходит неодновременно, Для обеспечения минимальной погрешности определения Д измерения следует начинать сразу же после того, как изменяются последовательно цифры ()р,и д р и проводить их в течение времени дт, 45 с. В этом случае погрешность измерений А равна с1 и = +.:5-10 6. Поскольку система регистрации обеспечивает пять измерений в секунду, то при Ь1ч 40 с можно определить А в двухстах точках спектра.

Если д „) 45 с, возникает дополнительная погрешность за счет дрейфа, растущая с увеличением времени измерений.

Дрейф можно частично скомпенсировать либо по аналоговому, либо по цифровому сигналу, либо по интенсивности света посредством оптического клина. Компенсацию проводили с помошью средней скорости дрейфа (0,75 10 мин ) путем уменьшения цифры д(1 на единицу младшего разряда через 80 с. При этом отклонение от нуля при максимальной и минимальной . скоростях дрейфа не превышает

+2 10 в любой момент времени в течение 7 мин т.е. с учетом ошибки дискретизации 3 Д =+2,5 10 . Когда дрейф не . учитывается, J A=+4 ° 10 за 7 мин, а процесс измерений является наиболее простым.

4О

Для пояснения сути способа покажем, что операция выбора наименьшего времени д 4 нечувствительности разностного сигнала к дрейфу является характерной для предлагаемого способа, а не определяется применяемой системой регистрации света. Из проведенных измерений следует, что наблюдаемый дрейф пропорционален величине протекающего через фотодиод (ФД) фототока. Так, при отключении ФД и подаче на вход операционного усилителя (ОУ) стабилизированного напряжения дрейф в пределах погрешности измерений

1Д = 10 отсутствовал, при подключении защищенного от воздействия света ФД с темновым фототоком 10" А дрейф составил 2 ° 10, при засветке ФД, обеспечивиощей фототок, 10 6 А, дрейф составил 60 10 (измерения. дрейфа во всех случаях проводились в течение 1 ч через

2 ч после включения аппаратуры). Эту особенность обнаруженного дрейфа можно объяснить следуюшим образом. Поскольку спектральная плотность шума вида I!4 растет с уменьшением частоты, дрейф можно рассматривать как шум вида / на очень низких частотах (5 - 0,01 Гц). Известно, что величина этого шума пропорциональная величине протекающего через элемент тока.

Таким образом, характеристики дрейфа определяются интенсивностью йсточника света, а не применяемой аппаратурой, !

Измеряемая по способу величина А определяется двумя сигналами с различными характеристиками дрейфа (если бы измеряемой величиной была разность сигналов.

h U то измерения следовало бы начийать сразу после того, как изменится показание измерителя разности на 1 ЕМР (единица младшего разряда), и указанные операции были бы тривиальными), вследствие чего необходимо определять: дрейф какого из двух измеряемых сигналов определяет дрейф величины их отношения; время начала и конца измерений; продолжительность измерений. Кроме того, ввести понятие "время а нечувствительности измеряемой величины к дрейфу" можно лишь для дрейфа с высоким постоянством, что имеет место для дрейфа. определяемого величиной сигнала (при наличии дрейфа в системе регистрации света h4 — О, так как причины дрейфа и степень их влияния на прибор изменяются со временем, иначе их компенсацию можно было бы осуществить в самой аппаратуре в ппоцессе ее разработки).

Таким образом, вводить минимальное время ат. нечувствительности измеряемой величины к дрейфу оказалось необходимым и возможным лишь в предлагаемом способе, в котором в отличие от известных способов ограничивающим фактором является дрейф, зависящий от величины сигнала. Кроме того, необходимость определения времени начала . измерений и их продолжительности обусловлена тем, что определяемая величина рассчитывается на основании двух измеренных сигналов с различными характеристиками дрейфа. То, что ь1 представляет собой время нечувствительности разностного сигнала к дрейфу, обусловлено применяемым способом регистрации A . Кроме того, скорость дрейфа зависит от интенсивности излучателя., I

Пункт 2 формулы представляет собой способ получения максимального времени измерений с минимальной погрешностью, которую можно получить в зависимости от необходимой погрешности измерений с А уровня компенсации фототоков М, шумового тока фотоприемника I чувствительW p ности фотоприемника 5 и динамического

1198387 диапазона интенсивностей 0 . Поскольку

A.<-ф-а/u,), где (обычно Й вЂ” 00,1 и представляет собой постоянную аппаратуры), то „„<(1jd(au) du, (1 Ьи u,) 15 Считая чувствительности обоих измерителей одинаковыми, получим ь0/О, = а1/1,, где а I и 1, — соответственно разность фототоков и фототок в опорном канале.

Аналогично

25 " /" 1=

Считаем, что фототоки обоих детекторов близки: Iq = Г = Т. Тогда для уменьше ния дрейфа I должен быть минимален, а

30. следовательно, должна быть минимально" и интенсивность излучателя

РИ = I (А)/е (л/в,)

35 т.е, I=9/5, За минимальное значение Р примем такую его величину Рмин, при которой погрешность измерений определяется шумовым токов детектора I„,,т.е.

gI, ° I J (ьyj. „ я,т (в разност40 ном сигнале шумы обоих детекторов складьт ваются по квадратичному закону). Тогда

I ai(42 1ц I ) Я 1щ так как т (<1 0,< 1), . Учтем, что интенсивность излучателя за время измере-,,ний может изменяться в П =ф с,„ /Фц„и P )1.

50;тогда

-Гг. I,.в " (<-a)e da

1198387 т2

Составитель В. Калечиц

Техред Л. Микеш

Корректор Л. Патай Редактор М. Петрова

Тираж 896

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Заказ 7712/41

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4