Содержание к диссертации
Введение
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
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 рік 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
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 1 136
- Влияние условий измерения на оптико-электронную систему радиометра
- Экспериментальная рік радиометрия при точечном нагреве материалов в условиях вакуума
- О некоторых возможностях расширения динамического диапазона ик радиометра
- Погрешности, обусловленные нагревом оптической системы излучением объекта измерения
Введение к работе
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
5 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 РІК
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 500С);
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.
7 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 РЖ 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 РІК 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
8 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
9 (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-^0.125 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
10 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 (ТГТИ). 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 (95-И 00)% 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.
12 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 (0ч-99)%,
13 управляющее напряжение Оч-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 ІЧ-2 мс, время выключения 2ч-30 мс, управляющее напряжение 0ч-400 В, А,=0.45-^3 мкм, плотность мощности излучения до 2 кВт/см2.
В [71] рассмотрены различные аспекты применения ЖК в качестве модуляторов РІК 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 ^=0.2-И.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.
14 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 А,<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 (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 также приведена обширная библиография. Из общих и обзорных материалов
15 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.
17 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
18 превышающей 2% при времени накопления 1с); широким динамическим
диапазоном измеряемых температур (от 20С до 1200С) 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 РІК 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
21 интегрирования сигнала в цифровом модуляционном РІК
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
22 Вятском госуниверситете и Нижегородском госуниверситете им.
Н.И.Лобачевского.
Влияние условий измерения на оптико-электронную систему радиометра
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 20С до 1200С) и нелинейной зависимостью яркостной температуры объекта от его физической температуры, обусловливают необходимость создания микропроцессорной системы измерения ИК излучения, способного работать в сложных внешних условиях.
Экспериментальная рік радиометрия при точечном нагреве материалов в условиях вакуума
Таким образом, возникает необходимость использования диафрагмированной оптической системы в неоптимальной конфигурации, показанной на Рис. 1.6-6. В этой конфигурации модулятор размещается между оптической системой и приемником, при этом сигнал на выходе приемника зависит не только от температуры объекта измерения, но и от температуры оптической системы. Для исключения влияния температуры оптической системы на показания радиометра могут быть использовать различные методы. Например, можно измерять контактными датчиками температуру в различных точках оптической системы и вычитать из отклика радиометра эти температуры с соответствующими весовыми коэффициентами. Такой подход имеет ряд недостатков, одни из которых: - необходимость контактного измерения во многих точках; - при большом диапазоне изменения температуры оптической системы усложняется алгоритм компенсации, т.к. радиационная температура есть нелинейная функция от температуры физической; - расчет весовых коэффициентов затруднителен. Другой вариант - радиометр с охлаждаемой диафрагмированной оптической системой - практически неприемлем вследствие его достаточной сложности и высокой стоимости. Представляется перспективным подход, основанный на использовании второго («компенсационного») оптического канала, который находится в тех же условиях, что и основной канал, но не пропускает излучение объекта [30]. При этом сигнал, полученный с компенсационного канала, необходимо вычитать из сигнала основного канала (здесь и далее считаем приемник излучения линейным). 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. Остановимся на группе механических модуляторов, 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. Проблема, которая зачастую возникает, связана с исследованием свойств материалов, находящихся в условиях ионно-плазменных воздействий, а также с разработкой новых технологий упрочнения обработки и сварки металлов в вакууме. Эта проблема требует разработки приборов для контроля и управления температурными режимами этих процессов. Итак, рассмотрим структуру ИК радиометра, разработанного для ИК радиометрии локальных температурных неоднородностей в широком диапазоне температур. ИК радиометр функционально состоит из двух блоков: ИК датчика и блока управления и индикации (БУИ). Внешний вид ИК радиометра представлен на Рис. 1.7.
О некоторых возможностях расширения динамического диапазона ик радиометра
Применение бесконтактных способов измерения температуры наиболее целесообразно в тех случаях, когда применение контактных методов в силу ряда факторов затруднено или невозможно. К таким факторам можно отнести, во-первых, относительно высокую температуру объекта, что может привести к механическому разрушению контактного датчика; во-вторых, нежелательность внесения посторонних тел в область нагрева; в третьих, изменение положения точки нагрева. Данные проблемы в различной степени имеют место при таких процессах, как зонная плавка, сварка и локальная термическая обработка металлов электронными пучками и т.п.
В данном разделе обосновывается метод «смещенного» измерения, при котором измерение яркости производится на некотором расстоянии от области нагрева, а затем полученный результат пересчитывается в искомую температуру в точке нагрева [82].
Однако при бесконтактном измерении высоких температур возникают дополнительные специфические проблемы, свойственные только бесконтактным методам. Радиометр теплового излучения измеряет интенсивность теплового излучения физических объектов. Необходимо отметить, что в общем случае тепловое излучение объекта зависит как от его физической температуры, так и от излучательной способности, наличия фонового излучения, переотражений и т.д. Более подробно рассмотрим одну из этих проблем - зависимость коэффициента излучения вещества от его температуры. Возможны два качественно различных варианта поведения этой зависимости, которые схематично показаны на Рис. 2.1. где о=5.67051-10 Вт/(м -К )-постоянная Стефана-Больцмана; є(т) - излучательная способность. является монотонной функцией температуры. По измеренному значению яркости можно найти значение физической температуры Т, если известна зависимость є(Т) [79]. В случае б коэффициент излучения испытывает резкий скачок (например, при переходе в жидкую фазу); результирующая функция В(Т) также испытывает скачок. Подобное поведение є(Т) характерно, например, для кремния [50]. При немонотонной зависимости В(Т) обратная функция Т(В) становится неоднозначной в диапазоне аргументов Вє[Ві;В2] (Рис. 2.16) вследствие чего в соответствующем диапазоне температур Тє[Т/; Т2] определение физической температуры по измеренному значению яркости становится невозможным. Таким образом, наиболее неблагоприятным с точки зрения задачи односпектрального измерения температуры является случай резкого падения є с ростом Т. Для различных веществ характерно различное поведение є(Т) [79]. Возможно как уменьшение (характерно для всех металлов [80]), так и увеличение є с ростом температуры. Известно кардинальное решение проблемы Б(Т) - использование биспектральных или многоспектральных радиометров, которые определяют физическую температуру по соотношению яркостей в различных диапазонах длин волн. При этом, поскольку абсолютное значение яркости не играет роли, влияние скачков коэффициента излучения на точность измерения может быть сильно уменьшено. Однако интересно рассмотреть методы модернизации односпектрального измерения, позволяющие при некоторых условиях обойти проблему неоднозначной зависимости температуры от яркости. Таким образом, измерение температуры в широком диапазоне может натолкнуться на погрешности, обусловленные измерением излучательной способности материала в этом диапазоне температур. Рассмотрим возможности уменьшения погрешностей этого типа. Рассмотрим предложенный метод на примере установки для сварки и локальной термической обработки металлов электронными пучками [30]. Как отмечено выше, контактный способ имеет ряд трудноустранимых недостатков: необходимость закрепления датчика в точке нагрева, искажение температурного поля, расплавление датчика при высокой рабочей температуре, трудность контроля температуры движущихся объектов и т.п. [1]. Измерение температуры бесконтактными радиометрами более технологично, однако при этом имеет место ряд эффектов, увеличивающих погрешность измерения при высокой температуре объекта. Кроме отмеченной выше сложной зависимости коэффициента излучения от температуры, погрешность вносят особенности теплового излучения испаряющегося металла. К мешающим факторам можно отнести также большой градиент температуры в области нагрева, что приводит к необходимости узкого «поля зрения» радиометра в плоскости объекта.
Погрешности, обусловленные нагревом оптической системы излучением объекта измерения
На экспериментальной установке (Рис. 2.3) было проведено исследование радиометрического контроля температуры в широком диапазоне температур при электронно-лучевом воздействии на циркониевые материалы.
В итоге экспериментального исследований является определение калибровочной характеристики пироэлектрического ИК радиометра и оценки соответствия откалиброванных измерений температуры TR физической температуре объекта Т.
На Рис. 2.8 приведена зависимость напряжения Ump на выходе пироэлектрического ИК радиометра от физической температуры Т, измеренной контактным способом с помощью вольфрам-редиевой термопары. 80 ИК радиометра от физической температуры Т. Термопара зачеканена на уровне поверхности образца, что эквивалентно контактному измерению поверхностной температуры. Как видно из рисунка, эта зависимость имеет явно выраженный нелинейный характер. В результате экспериментальных исследований определено, что, для используемого модуляционного ИК радиометра, построенного на основе пироприемника ПМ-4, зависимость отклика от температуры объекта в диапазоне до 500С хорошо аппроксимируется выражением вида: где константы а и b зависят от смещения и коэффициента усиления. При этом ошибка аппроксимации несколько увеличивается на высоких температурах, но не превышает ±20С. Как видно из Рис. 2.8 при относительно низких температурах Т происходит увеличение напряжения ипир(Г) с уменьшением расстояния /. Однако это вполне закономерное поведение нарушается, начиная с температур 7 1400С: при этом может наблюдаться отклонение от монотонной зависимости Unup{l). По-видимому, это связано с сильными изменениями излучательной способности материала при высоких температурах Отметим, далее, что на сравнительно низких температурах (Т 600С) показания пироэлектрического ИК радиометра Unup при 3 / 30 мм слабо зависят от расстояния / до места нагрева. Учитывая хорошее подавление пироприемником ПМ-4 видимого излучения, можно предположить, что зависимость характеристик Ump=f(T) 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 [6] 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.
При малых расстояниях / между точкой нагрева и точкой измерения температуры погрешность SB имеет отрицательный знак и возрастает (по абсолютной величине) до значений 1.5- -2%, т.к. с уменьшением расстояния / через дифракционные боковые лепестки принимается излучение от областей объекта, гораздо более «холодных», чем объект в геометрооптическом поле зрения.
При больших расстояниях / между точкой нагрева и точкой измерения температуры погрешность SB 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 є от температуры, а также неидеальность направленных свойств оптики, целесообразно смещать точку измерения температуры радиометром на расстояние Al R, где R - 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 7?«6мм (что совпадает с радиусом поля зрения, полученном при оптическом тестировании диафрагмированной оптики радиометра).
Учитывая то, что с увеличением расстояния между точкой нагрева и точкой измерения при / 12 мм зависимости Unup=f(T) практически сливаются (Рис. 2.8), целесообразно оценить погрешность радиометрического измерения в зависимости от расстояния / в диапазоне /є(6; 12) мм. С этой целью сняты калибровочные характеристики Unup=f(T) при контроле измеряемой радиометром температуры вольфрам-редиевой термопарой на расстояниях /у=6 мм и /2=12 мм от места нагрева (Рис. 2.9).
