Определение эксплуатационных характеристик фотометрических приборов

 

Отличительной чертой приборов фотометрического типа является наличие оптико-электрического измерительного преобразователя (ОЭИП) вносящего значительную долю погрешности в процедуру измерения оптических свойств биобъектов.

Рассматривая ОЭИП как узел электрической цепи преобразования сигналов, можно описать его свойства традиционными параметрами и характеристиками (статическими и динамическими) четырехполюсника (рис. 2.17).

Тогда входной и выходной характеристиками такой цепи будут вольт-амперные характеристики соответственно источника излучения и фотоприёмного устройства. Сквозная передаточная характеристика ОЭИП – F_ОЭИП будет определяться как зависимость сигнала на выходе ФПУ— F _ФПУ от сигнала управления интенсивностью излучения источника – U_упр:

F_ОЭИП = U_ФПУ (U_упр).

Линейность характеристики F_ОЭИП является одним из важных показателей, который во многом определяет метрологические свойства фотометра. Теоретическое определение формы характеристики F_ОЭИП связано с преодолением некоторых трудностей, поскольку необходимо знать выражения для описания передаточных характеристик источника излучения F_ии и фотоэлектрического преобразователя F_ФЭП. Кроме того, необходимо учитывать нелинейные искажения возникающие в электрических схемах (схемы управления и усилителя сигнала ФЭП), к которым подключаются эти элементы.

 

Рис.2.17. ОЭИП в виде четырёхполюсника.

 

Наибольшие трудности возникают при определении F_ИИ, отражающей зависимость интенсивности излучения от управляющего сигнала. Эти зависимости, рекомендуемые для инженерных расчетов, зачастую носятэмпирический характер и применимы для небольшого динамического диапазона управляющих сигналов. Для светодиодов зависимость мощности излучения Р_ИИ отпротекающего через диод тока I определяется как

,

где — энергия излучения фотонов; q — заряд электрона; η — внешняя квантовая эффективность, которая зависит от типа полупроводниковых материалов, геометрии p-n-перехода, конструкции диода и других показателей, в том числе и от тока через светодиод.

Так как квантовую эффективность при практических расчетах определить не удается, то выражение для Р_ИИ упрощают, считая, что относительная мощность излучения Р_отн=Р(I)/P(I₀) зависит от отношения тока I через светодиод к базовому току Iо

Р_отн = (I/I₀)^m,

где m = 0,6 ÷1,4 — коэффициент, зависящий от типа и конкретного образца светодиода.

Применение полученных выражений при оценке линейности F_оэип не дает удовлетворительных результатов. В некоторых справочниках приводятся графики зависимости мощности излучения (яркости, силы света) излучателей от управляющего сигнала. Однако эти данные получены для постоянных токов, не превышающих предельно допустимых. При работе светодиодов в импульсном режиме ток в импульсе может в несколько раз превышать предельно допустимый постоянный ток при среднем токе, не превышающем последний. Данные по таким режимам работы светодиодов в литературе, как правило, не приводятся, поэтому разработчику приходится снимать сквозную передаточную характеристику ОЭИП экспериментально. Для этого удобно воспользоваться устройством, структура которого приведена на рис.2.18,а. [44]

Исследуемый ОЭИП включается во внешнюю измерительную схему, в которой можно выделить две части. Первая часть схемы — блок управления (БУ) — обеспечивает управление интенсивностью излучения светодиода по линейно изменяющемуся закону, вторая — блок регистрации (БР) — позволяет оценить линейность сквозной передаточной характеристики.

Импульс, формируемый задающим генератором (ЗГ), запускает триггер (Тр), который определяет продолжительность одного цикла измерений и приводит все узы устройства в исходное состояние. Начинает работать генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛН), выход которогоподключен к схеме управления интенсивностью излучения источника (ИН) – устройства формирования излучения УФИ, входящего в состав ОЭИП. С выхода фотоприемного устройства (ФПУ), в состав которого включен фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) ОЭИПа, сигнал поступает на один вход пороговой схемы (нуль-органа НО с пороговым уровнем Uo = 0), на второй вход которого подается напряжение опорного уровня с цифроаналогового преобразователя (ЦАП). Вход ЦАП соединен со счетчиком уровня (СчУ), в котором в начальный момент времени устанавливается код, соответствующий первому уровню опорного напряжения U_o1.

 

Рис. 2.18. Устройство для измерения линейности сквозной передаточной характеристики ОЭИП.

 

В момент t₁ выходной сигнал с ОЭИП достигает уровня U_o1 (рис.2.18б), нуль-орган срабатывает (рис.2.18в), а его импульс поступает на СчУ и формирователь (Ф). С ЦАП на вход НО подается очередной уровень опорного напряжения U₀2; НО переводится в исходное состояние. Дешифратор Д формирует импульс длительностью t₂ - t_1, который открывает схему совпадений И, и счетные импульсы с генератора опорной частоты ГОЧ поступают на счетчик памяти СчП. В счетчике формируется код, пропорциональный крутизне начального участка сквозной передаточной характеристики ОЭИП. В момент t₂ нуль - орган вновь срабатывает, счетчик СчУ получает новый импульс и через ЦАП формируется новый опорный уровень U_о3, НО возвращается в исходное состояние. Формирователь Ф вырабатывает импульс, который поступает на цифровой компаратор (ЦК) и реверсивный счетчик (РСч), в который переписывается код из счетчика памяти. После этого счетные импульсы от генератора опорной частоты поступают на вычитающий вход реверсивного счетчика и одновременно через схему И — опять на счетчик памяти. Таким образом, из переписанного в реверсивный счетчик кода, соответствующего интервалу t₂—t₁ вычитаются импульсы, число которых соответствует интервалу t₃ —t₂. В счетчике памяти СчП формируется код интервала t₃ —t₂. В момент t₃ срабатывает нуль-орган, формируется очередной уровень U₀₄. Импульс с выхода формирователя Ф поступает на компаратор ЦК, который срабатывает, если на реверсивном счетчике сохранится код ±ΔN_доп.

Устройство работает до такого интервала t_n-1 - t_n, для которого остаточный код в РСч превышает допустимую величину ±ΔN_доп., что соответствует допустимому значению ±Δt_доп. изменения соседних интервалов. В момент t_n+1 сформированный импульс проходит через компаратор и поступает на триггер (Тр), возвращая его в исходное состояние. Цикл исследования заканчивается. Наибольшее значение тока через светодиод в момент t_n+1 запоминается в устройстве выборки и хранения (УВХ) и поступает на регистратор (Р).

Превышение интервала t_n+1 - t_n при некотором n начального интервала t₂-t₁ на величину t пропорционально определенному отклонению крутизны сигнала на выходе от его крутизны на начальный момент нарастания пилообразного напряжения. Величина допустимого отклонения (интервал ±Δt_доп и код ±NΔ) задается на цифровом компараторе соответствующей коммутацией сигналов разрядов реверсивного счетчика.

Погрешность устройства определяется в основном точностью формирования опорных уровней, частотой генератора счетных импульсов, нелинейностью пилообразного напряжения. Такие факторы, как запаздывание срабатывания нуль-органа, дрейф порога срабатывания, конечное время срабатывания цифровых элементов и другие подобные факторы на точность оценки линейности сквозной передаточной характеристики влияния не оказывают или влияют незначительно, поскольку их воздейcтвие можно считать идентичным для всех интервалов t₂ - t₁ ÷ t_n+1- t_n. Устройство позволяет оценить влияние оптико-электрического контура отрицательной обратной связи на линейность передаточной характер и ОЭИП. В этом режиме в него вводится дополнительный фотометрический канал, включающий фотодиод и усилительный тракт с контуром автоматического управления мощностью излучения светодиода по сигналу ошибки.

Приведенная схема, конечно, не является единственно возможной, она лишь иллюстрирует принцип построения подобных устройств.

В качестве конкретного примера рассмотрим процедуру настройки и проверки работоспособности элементов и узлов серийного спектрофотометра типа СФ-26 работающего в спектральном диапазоне от 186 до 1100нм.

Спектрофотометр СФ-26 предназначен для измерения коэффициента пропускания исследуемого образца Т, равного отношению интенсивности потока излучения I, прошедшего через измеряемый образец, к интенсивности потока излучения I₀, падающего на измеряемый образец или прошедшего через контрольный образец, коэффициент пропускания которого принимается за единицу и выражается формулой

.

Измерение производитсяпо методу электрической автокомпенсации.

В монохроматический поток излученияпоочередно вводятся контрольный иизмеряемый образцы.При введении контрольного образца стрелка измерительнойприбора устанавливаетсяна деление «100» регулировкой ширины щели, и значение установившегося при этомсветового потока принимают за 100%пропускания. При введении впоток излучения измеряемого образца стрелка измерительногоприбора отклоняется пропорционально изменению потока, величина коэффициента пропускания отсчитывается по шкале в процентахпропускания.

Оптическая схема монохроматора - автоколлимационная. Излучение от источника 1 (рис.2.19) или 1^´ падает на зеркальныйконденсор 2, который направляет его на плоское поворотное зеркало-3 и дает изображениеисточника излучения в плоскости линзы 4, расположенной вблизи входной щели 5. Прошедшее через входную щель излучение падает на зеркальный объектив 6и, отразившись, параллельным пучком направляется на призму 7.

 

 

Рис. 2.19. Оптическая схема монохроматора спектрофотометра СФ-26

 

Пройдя призму под углом, близким к углу наименьшего отклонения, и отразившись от ее алюминированной грани, диспергированныйпучок направляется обратно на объектив и фокусируется им на выходной щели 8, расположенной над входной щелью. При вращении призмы монохроматическое излучение различных длин воли проходит через выходную щель 8, линзу 9, контрольный или измеряемый образец, линзу 10и с помощью поворотного зеркала 11 собирается на светочувствительном слое одного из фотоэлементов 12или 13.

Объектив представляет собой сферическое зеркало с фокусным расстоянием 500 мм.

Диспергирующая призма имеетпреломляющий угол 30°, основание 30 мм и эффективныйдиаметр 44 мм.

Призма,линзы и защитные пластинки изготовлены из кварцевого стекла с высоким коэффициентом пропускания в ультрафиолетовой областиспектра.

Для обеспеченияработы спектрофотометра в широком диапазоне спектра используются два фотоэлемента и два источника излучения сплошного спектра. Сурьмяно-цезиевый фотоэлемент с окном изкварцевого стекла применяется для измерений вобласти спектра от186 до 650 Нм, кислородно-цезиевый фотоэлемент - для измерений в области спектра от 600 до 1100 Нм. Длина волны, прикоторой следует переходить отизмерений с одним фотоэлементом к измерению с другим фотоэлементом,указывается в паспорте спектрофотометра.

Дейтериевая лампапредназначается для работыв области спектра от 186 до 350 Нм,лампа накаливания - работы в области спектра от 340 до 1100 Нм. Для проверки градуировки используется ртутно - гелиевая лампа.

Упрошенная структурнаясхема фотометра показанана рис. 2.20.

Сигнал с фотоприемника поступает на вход усилителя. Нагрузкой фотоприемника является делитель, состоящий из резисторов R12...R15,включенных в цепь обратной связи усилителя.

 

Рис.2.20 Структурная схема фотометра СФ-26

 

Регистрирующим устройством является измерительный прибор ИП. Добавочные резисторы R16...R18служат для растяжки шкал прибора ИП. Шкалы переключаются с помощью переключателя S3 и подобраны так, что при переключении из положения «xl» в положение «x0,1» показания прибора изменяются и 10 раз, при переключении из положения КАЛИБР в положение «х0,01» - 100 раз.

Для повышения точности отсчета при измерении образцов, мало отличающихся друг от друга по пропусканию, в спектрофотометре предусмотрена возможность включения компенсирующего напряжения, которое вводится в измерительную систему с помощью делителя, состоящего из резисторов R1...R10, позволяющих дискретно компенсировать целые десятки процентов. Изменение напряжения компенсации от 10% и выше производится переключателем S2.

При этом в положении «x1» переключателя S1можно компенсировать дискретно любое показание измерительного прибора от 10 до 100 делений шкалы. В положении КАЛИБР переключателя S3 компенсируются показания прибора в пределах 1 - 10 делений шкалы.

В ходе эксплуатационного обслуживания фотометра типа СФ - 26 соответствующим техническим описанием и инструкцией по эксплуатации предусмотрен ряд подготовительных мероприятий состоящих из следующей последовательности действий.

1. Подготовка к включению.

В соответствии с инструкцией по эксплуатации производится установка фотоэлемента и источника излучения, соответствующих выбранному спектральному диапазону измерений, после чего прибор включается в сеть. Стабильная работа спектрометра обеспечивается через 1 час после включения. Измерения могут осуществляться как по собственному стрелочному прибору, так и с помощью внешнего цифрового вольтметра типа Щ1312, Щ1413, Щ1513 или подобных. Если последняя цифра отсчета на стабильна, то параллельно входу вольтметра следует подключить конденсатор порядка 100 мкФ.

При работе с цифровым вольтметром не следует снимать показания со стрелочного прибора, так как шкала цифрового вольтметра и стрелочного прибора могут быть не согласованы.