Пироэлектрическая ИК радиометрия высокотемпературных процессов в ближней зоне

• Автор: Хрулев, Алексей Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 125 с. : ил

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
1 ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИК ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ
1.1 Направленные свойства двухзеркальной оптической системы в ближней зоне
Обоснование рассмотрения в ближней зоне
Используемые критерии качества
Условия приближения системы сферических зеркал к системе
Кассегрена
Направленные свойства системы двух сферических зеркал
Критерий минимума коэффициента рассеяния
Влияние дифракции на коэффициент рассеяния
1.2 Эффективность диафрагмированного оптического датчика
Понятие диафрагмированной оптической системы
Моделирование диафрагмированной оптической системы
Квазиоптимальное положение диафрагм
Учет влияния дифракции в диафрагмированной оптической
системе
Расчет диафрагмированной оптической системы
Случай незеркального отражения
1.3 Выводы
2 ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИК ИЗЛУЧЕНИЯ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ИЗМЕРЯЕМЫХ МОЩНОСТЕЙ
2.1 Особенности режимов работы пироэлектрических приемников излучения
Пироэлектрические приемники излучения
Предельно достижимые характеристики приемника
Влияние спектральной чувствительности приемника на
характеристики системы
2.2 Флуктуационные погрешности механической модуляции ИК излучения
Сравнение различных типов модуляторов
Погрешность, обусловленная флуктуациями фазы периодов модуляции
2.3 Выводы
3 МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКИ СИГНАЛА ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПИРОМЕТРИИ
3.1 Компенсация дрейфа температуры диафрагмированного оптического датчика

Оценка влияния дрейфа температуры одноканальной оптической
системы на погрешность измерения
Подобие основной и компенсационной оптических систем
Нагрев оптической системы излучением объекта измерения.... 83 Моделирование процессов теплопередачи в оптической системе

Свойства некоторых вариантов диафрагмированных оптических систем
3.2 Измерение температуры вне точки нагрева
Схема экспериментальной установки
Численное моделирование процесса теплопроводности
Обобщение результатов на широкий класс систем
Сравнение различных вариантов бесконтактного измерения
температуры
3.3 Определение истинной температуры излучателя
Преобразование отклика приемника в температуру объекта
измерения
3.4 Экспериментальные данные
Экспериментальная установка
Калибровочные характеристики
Ошибки позиционирования
3.5 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Введение
Для контроля технологических процессов широко используются различные методы измерений параметров, характеризующих как динамику процессов, так и их качество. Широкое применение нашли акустические, оптические и температурные и др. 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 научно-технических и производственных задач [2] (контроль технологических режимов, дефектоскопия, регистрация тепловых аномалий 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 йзмерении 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 и динамическому диапазону ИК радиометров. Кроме того, возникает необходимость применения ИК радиометров в сложных внешних условиях: вакуум, высокая либо низкая температура, запыленность и т.д.
Область применения типичного радиометра для контроля технологических процессов можно сформулировать следующим образом: измерение широкого диапазона температур объекта с небольших расстояний (порядка 10"1 ч- 101 метров) в сложных внешних условиях. Таким образом, необходимо решать задачу эффективного измерения мощности ИК излучения объекта, расположенного в ближней зоне оптической системы радиометра, в широком динамическом диапазоне мощности как информативного, так и мешающего излучения. Радиометр должен обеспечивать:
• высокую пространственную разрешающую способность на малых расстояниях;
• широкий динамический диапазон входных ИК сигналов;
• высокую точность измерения;

1.2 Эффективность диафрагмированного оптического датчика
В бесконтактных ИК радиометрах, измеряющих мощность теплового излучения различных объектов, для формирования ДН обычно применяются оптические системы на основе линз или зеркал. Такие системы позволяют получить достаточно узкую ДН. В то же время в качестве оптической системы, формирующей ДН, можно взять набор диафрагм, расположенных соосно [60]. Подобная оптическая система позволяет сформировать диаграмму направленности приемника оптического излучения (в частности, ИК) путем «затенения» части пространства. Диафрагмированные системы применяются в фотометрии для выделения излучения некоторого участка поверхности тела [29, 61].
Как и в случае зеркальных оптических систем, будем рассматривать свойства диафрагмированных оптических систем в ближней зоне, что вполне соответствует области их практического применения.
Понятие диафрагмированной оптической системы
Строго говоря, термин «диафрагмированная оптическая система» не совсем подходит для определения описываемой сущности, т.к. под этот термин подпадают все оптические системы, содержащие диафрагмы. В данной работе рассматривается только диафрагмированные системы, содержащие диафрагмы и не содержащие линз либо зеркал.
В дальнейшем будем пользоваться определением диафрагмированная оптическая система. Родственными терминами являются также понятия бленда и камера-обскура.
Конструкция диафрагмированной оптической системы приведена на рис. 1.14. Цифрами обозначены: 1 - приемник излучения
непрозрачный корпус (трубка), 3 - внешние диафрагмы, 4 - внутренние диафрагмы.
рис. 1.14 Диафрагмированная оптическая система.
Конструкция диафрагмированной оптической системы достаточно произвольна. В качестве корпуса диафрагмальной оптической системы