RU138046U1 - OPTICAL RADIOMETER - Google Patents

Abstract

1. Оптический радиометр, содержащий оптический блок, выполненный на основе дискового модулятора, имеющего секторную конструкцию, обеспечивающую поочередные пропускание измеряемого излучения и отражение излучения опорного излучателя, расположенного со стороны приемника излучений под углом к его центральной оси, и снабженный оптоэлектронной парой для контроля частоты прерываний дискового модулятора, приемник излучений, а также электрически связанный с выходами приемника излучений и оптоэлектронной пары электронный блок для усиления, синхронного детектирования и регистрации импульсных сигналов, отличающийся тем, что дисковый модулятор содержит прозрачный, зеркальный и черненый секторы, образующие его трехсекторную конструкцию, обеспечивающую поступление в приемник излучений дополнительного излучения, формирующегося с обратной стороны черненого сектора в результате попадания на него измеряемого излучения, для компенсации изменения температуры внутри корпуса радиометра, а к электрическому выходу приемника излучений подсоединен своим первым входом усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, соединенный своим выходом с первым входом распределителя импульсных сигналов, имеющего три выхода на соответствующие входы осуществляющих синхронное детектирование первого интегратора импульсных сигналов от измеряемого излучения, второго интегратора импульсных сигналов от отраженного зеркальным сектором излучения опорного излучателя и третьего интегратора импульсных сигналов от указанного дополнительного излучения, при этом первый и второй интеграторы своими выходами соединены с соответств�1. An optical radiometer comprising an optical unit based on a disk modulator having a sector construction that provides alternate transmission of the measured radiation and reflection of the radiation of a reference emitter located at the angle of its radiation axis from the receiver side and equipped with an optoelectronic pair to control the interrupt frequency a disk modulator, a radiation receiver, as well as an electronic unit for amplification, electrically connected to the outputs of the radiation receiver and optoelectronic pair, synchronous detection and registration of pulsed signals, characterized in that the disk modulator contains a transparent, mirror and blackened sectors, forming its three-sector design, which provides additional radiation to the radiation receiver, which is formed on the back side of the blackened sector as a result of the measured radiation falling on it, to compensate temperature changes inside the radiometer case, and an amplifier with its first input is connected to the electrical output of the radiation receiver an adjustable gain, connected by its output to the first input of the pulse signal distributor, which has three outputs to the corresponding inputs synchronously detecting the first integrator of pulse signals from the measured radiation, the second integrator of pulse signals from the reference emitter reflected from the mirror sector and the third pulse integrator from the specified additional radiation, while the first and second integrators are connected with their outputs to the corresponding

Description

Полезная модель относится к оптико-электронному приборостроению, в частности к прецизионной оптической радиометрии, основанной, преимущественно на пироэлектрическом преобразовании слабого измеряемого излучения в электрические сигналы, и может быть использована в медицинской практике в качестве высокоточного бесконтактного термометра, а также в широкой группе областей с высокоточным измерением излучаемой мощности, таких как, например радиоастрономия и физическое материаловедение.The utility model relates to optical-electronic instrumentation, in particular to precision optical radiometry, based primarily on the pyroelectric conversion of weak measured radiation into electrical signals, and can be used in medical practice as a high-precision non-contact thermometer, as well as in a wide group of areas with high-precision measuring radiated power, such as, for example, radio astronomy and physical materials science.

Не смотря на разнообразный и протяженный во времени опыт развития оптико-радиометрического приборостроения (см., отечественные изобретения, например авторские свидетельства СССР (а.с.) №787910, G01J 5/02, 1980 («Радиационный пирометр»); №1235305, G01J 5/10, 2000 («Инфракрасный радиометр»); №1749724, G01J 5/02, 1992 («Радиационный пирометр»); патент СССР №1321215, G01N 21/61, 1993 («Многоволновой радиометр»); и патенты РФ №2098779, G01J 5/00, 1997 («Пироэлектрический радиометр»); №2172476, G01J 5/00, 2001 («Инфракрасный радиометр»); №2345333, G01J 5/10, 2009 («Модуляционный радиометр инфракрасного излучения»); а также зарубежные изобретения, например патенты US №4005605, G01J 5/02, 1977 («Remote reading infrared thermometer»); №4797840, G01J 5/10, 1989 («Infrared electronic thermometer and method for measuring temperature»); №4883364, G01J 5/52, 1989 («Apparatus for accurately measuring temperature of materials of variable emissivity»); №4907895, G01J 5/62, 1990 («Optical chopper for infrared thermometer»); №5127742, G01J 5/62, 1992 («Apparatus and method for temperature measurement by radiation»); №5150969, G01K 13/00, G01J 5/00, 1992 («System and method for temperature determination and calibration in a biomedical probe»)) в качестве одной из основных проблем проектирования в указанном техническом направлении продолжает оставаться задача конструктивно-схемотехнической оптимизации прецизионного оптического радиометра, обеспечивающей стабильное высокоточное измерение излучаемой мощности.Despite the diverse and lengthy experience in the development of optical-radiometric instrumentation (see, domestic inventions, for example, copyright certificates of the USSR (a.s.) No. 787910, G01J 5/02, 1980 ("Radiation Pyrometer"); No. 1235305, G01J 5/10, 2000 (“Infrared Radiometer”); No. 1749724, G01J 5/02, 1992 (“Radiation Pyrometer”); USSR Patent No. 1321215, G01N 21/61, 1993 (“Multiwave Radiometer”); and Russian patents No. 2098779, G01J 5/00, 1997 (“Pyroelectric Radiometer”); No. 2172476, G01J 5/00, 2001 (“Infrared Radiometer”); No. 2345333, G01J 5/10, 2009 (“Modulating Infrared Radiometer”); and t also foreign inventions, for example, US Pat. Nos. 4,005,605, G01J 5/02, 1977 ("Remote reading infrared thermometer"); No. 4797840, G01J 5/10, 1989 ("Infrared electronic thermometer and method for measuring temperature"); No. 4883364, G01J 5/52, 1989 ("Apparatus for accurately measuring temperature of materials of variable emissivity"); No. 4907895, G01J 5/62, 1990 ("Optical chopper for infrared thermometer"); No. 5127742, G01J 5/62, 1992 ("Apparatus and method for temperature measurement by radiation"); No. 5150969, G01K 13/00, G01J 5/00, 1992 ("System and method for temperature determination and calibration in a biomedical probe")) as one of the main design problems in the indicated technical direction, the problem of structural design optimization of precision optical radiometer providing stable high-precision measurement of radiated power.

Особенности устройства традиционного оптического радиометра, заключающиеся в разнородности его функционирующих с одной стороны оптического блока, выполненного, например на основе дискового модулятора с двумя секторными вырезами и зеркальной поверхностью диска, обращенного к приемнику излучений, для поочередного поступления при вращении дискового модулятора на оптический вход приемника излучений измеряемого излучения и излучения от опорного излучателя, и с другой стороны связанного с электрическим выходом приемника излучений электронного блока для усиления, синхронного детектирования и регистрации импульсных сигналов (см. статью Авдошина Е.С. «Волоконный инфракрасный радиометр» - Приборы и техника эксперимента, 1989, №4, с. 189-192), не смотря на введение в рассматриваемый радиометр оптоэлектронной пары для контроля частоты прерываний дискового модулятора, которая с помощью регулятора скорости вращения последнего обеспечивает стабилизацию указанного вращения, не исключают снижение точности измерений, имеющее многофакторный характер, в частности из-за возможного изменения температуры в корпусе радиометра, влияющей на излучения, поступающие на оптический вход приемника излучений, а также из-за нестабильности работы электронного блока, допускающей в рассматриваемом радиометре отклонения коэффициента усиления импульсных сигналов.Features of the device of a traditional optical radiometer, consisting in the heterogeneity of its functioning on one side of the optical unit, made, for example, on the basis of a disk modulator with two sector cut-outs and a mirror surface of the disk facing the radiation receiver, for alternating arrival of the disk modulator to the optical input of the radiation receiver measured radiation and radiation from the reference emitter, and on the other hand, connected with the electrical output of the radiation emitter throne block for amplification, synchronous detection and registration of pulsed signals (see the article Avdoshina ES "Fiber infrared radiometer" - Instruments and experimental equipment, 1989, No. 4, pp. 189-192), despite the introduction to the radiometer in question optoelectronic pair to control the frequency of interruptions of the disk modulator, which with the help of the speed controller of the latter provides stabilization of the indicated rotation, do not exclude a decrease in the measurement accuracy having a multifactorial nature, in particular because of the temperature in the radiometer case, which affects the radiation received at the optical input of the radiation receiver, and also because of the instability of the electronic unit, which allows deviations of the gain of pulsed signals in the radiometer under consideration.

В связи с вышеизложенным затруднением уровень техники в области оптической радиометрии пополнился радиометрами -аналогами с двумя опорными (калибровочными) излучателями с различными коэффициентами излучения (см., например а.с. №№787910, 1235305 и 1749724), в которых с целью уменьшения оптических и электронных погрешностей осуществлен метод коррекции на основе использования разницы импульсных сигналов от излучений этих двух опорных излучателей в качестве управляющего сигнала в схеме автоматической коррекции коэффициента усиления.In connection with the aforementioned difficulty, the prior art in the field of optical radiometry was replenished with analogue radiometers with two reference (calibration) emitters with different emission factors (see, for example, AS No. 787910, 1235305 and 1749724), in which, in order to reduce optical and electronic errors, a correction method was implemented based on the use of the difference of the pulsed signals from the radiations of these two reference emitters as a control signal in the automatic gain correction circuit.

При этом радиометр по а.с. №787910 усложнен самими двумя опорными излучателями в отношении конструктивной реализации формирования двух эталонных излучений, по а.с. 1749724, имея недостаток а.с. №787910, дополнительно усложнен выполнением двойного дискового модулятора с разнесенными по оси его вращения ухудшающими балансировку секторами под два опорных излучателя, и по а.с. №1235305 усложнен установкой двух калибровочных излучателей на дисковый модулятор, отягощенный конструктивно кроме того набором фильтров дискового модулятора, соответственно усложняющим схемотехническое решение радиометра набором синхронных детекторов.In this case, the radiometer according to A.S. No. 787910 is complicated by the two reference emitters themselves with respect to the structural implementation of the formation of two reference radiation, as 1749724, having a lack of a.s. No. 787910, is additionally complicated by the implementation of a double disk modulator with spaced apart along the axis of its rotation sectors worsening the balancing sectors for two reference emitters, and A. with. No. 1235305 is complicated by the installation of two calibration emitters on a disk modulator, which is also structurally burdened with a set of filters of a disk modulator, respectively, complicating the circuitry of a radiometer with a set of synchronous detectors.

Остальные приведенные отечественные изобретения характеризуются: по патенту СССР №1321215 - частичным обеспечением стабильной работы радиометра в связи с использованием для компенсации изменения температуры внутри корпуса радиометра фильтра-заглушки (в ИК диапазоне) дискового модулятора с функцией эталонного излучателя и общим отягощением конструкции дискового модулятора набором фильтров, соответственно усложняющим схемотехническое решение (многоканальное) радиометра; по патенту РФ №2172476 - значительным усложнением схемотехнического решения повышающего точность измерений при одном опорном источнике в сочетании с использованием оптоэлектронной пары для дискового модулятора; по патентам РФ №№2098779 и 2345333 - решением, соответственно задачи увеличения динамического диапазона измерений (по первому патенту) и задачи обеспечения высокой точности измерения путем снижения температурного влияния оптической системы радиометра на точность измерений за счет конструктивного усложнения радиометра введением второго приемника (оптоэлектронного преобразователя) для отдельного приема излучения от опорного излучателя с процессорной фиксацией требуемой для измерения традиционной разницы мощности измеряемого излучения и излучения от опорного излучателя (по второму патенту).The remaining domestic inventions are characterized by: according to USSR patent No. 1321215 - partial ensuring the stable operation of the radiometer due to the use of a disk modulator with a reference emitter function and a total burden of the design of the disk modulator with a set of filters to compensate for temperature changes inside the radiometer case (in the IR range) , respectively, complicating the circuitry (multichannel) of the radiometer; according to the patent of the Russian Federation No. 2172476 - a significant complication of the circuitry that increases the accuracy of measurements with one reference source in combination with the use of an optoelectronic pair for a disk modulator; according to RF patents Nos. 2098779 and 2345333 - by solving, respectively, the task of increasing the dynamic measurement range (according to the first patent) and the task of ensuring high measurement accuracy by reducing the temperature effect of the optical system of the radiometer on the measurement accuracy due to the structural complication of the radiometer by introducing a second receiver (optoelectronic converter) for separate reception of radiation from the reference emitter with processor fixation required for measuring the traditional difference in the power of the measured radiation and radiation from the reference emitter (according to the second patent).

Что же касается приведенных выше зарубежных аналогов, то повышение точности измерения в патенте US №5150969 - за счет микропроцессорной обработки, учитывающей температуру внешней среды; в патентах US №№4797840, 4907895 и 5127742 - за счет временного дозирования приема измеряемого излучения и излучения от калибровочного источника; и обеспечение измерения слабых излучений в патентах US №№4005605 и 4883364 - за счет оптических приспособлений усиливающих сбор таких излучений до попадания в приемник (датчик) излучений.As for the above foreign counterparts, the increase in measurement accuracy in US patent No. 5150969 - due to microprocessor processing, taking into account the temperature of the environment; in US patent No. 4797840, 4907895 and 5127742 - due to the temporary dosing of the reception of the measured radiation and radiation from a calibration source; and ensuring the measurement of weak radiation in US patents Nos. 4005605 and 4883364 - due to optical devices that enhance the collection of such radiation before it enters the receiver (sensor) radiation.

Таким образом, оценка уровня техники в области оптической радиометрии позволила сделать выбор в качестве прототипа заявляемой полезной модели радиометра из упомянутой выше статьи Авдошина Е.С., характеризующегося по мнению заявителя максимальной близостью сущности к заявляемому радиометру и недостаточным уровнем конструктивных и схемотехнических мер по обеспечению стабильного высокоточного измерения.Thus, the assessment of the state of the art in the field of optical radiometry made it possible to make a choice as a prototype of the claimed utility model of the radiometer from the above article by Avdoshin E.S., characterized in the applicant’s opinion by the closest proximity of the entity to the claimed radiometer and the insufficient level of design and circuitry measures to ensure stable high precision measurement.

Технический результат заявляемой полезной модели - эффективное обеспечение стабильного высокоточного измерения за счет предлагаемого оптимального конструктивного и схемотехнического усовершенствования оптического радиометра.The technical result of the claimed utility model is the effective provision of stable high-precision measurement due to the proposed optimal design and circuitry improvement of the optical radiometer.

Предлагаемый оптический радиометр расширяет арсенал надежных, несложных и доступных по цене переносных приборов для измерения, преимущественно в ИК диапазоне.The proposed optical radiometer expands the arsenal of reliable, uncomplicated and affordable portable measuring instruments, mainly in the infrared range.

Для достижения указанного технического результата в оптическом радиометре, содержащем оптический блок, выполненный на основе дискового модулятора, имеющего секторную конструкцию, обеспечивающую поочередное пропускание измеряемого излучения и отражение излучения опорного излучателя, расположенного со стороны приемника излучений под углом к его центральной оси, и снабженный оптоэлектронной парой для контроля частоты прерываний дискового модулятора, приемник излучений, а также электрически связанный с выходами приемника излучений и оптоэлектронной пары электронный блок для усиления, синхронного детектирования и регистрации импульсных сигналов, дисковый модулятор содержит прозрачный, зеркальный и черненный секторы, образующие его трехсекторную конструкцию, обеспечивающую поступление в приемник излучений дополнительного излучения, формирующегося с обратной стороны черненного сектора в результате попадания на него измеряемого излучения, для компенсации изменения температуры внутри корпуса радиометра.To achieve the specified technical result in an optical radiometer containing an optical unit based on a disk modulator having a sector design that provides alternate transmission of the measured radiation and reflection of the radiation of the reference emitter located at the angle of its radiation axis from the radiation receiver and equipped with an optoelectronic pair to control the frequency of interruptions of the disk modulator, the radiation receiver, as well as electrically connected to the outputs of the radiation receiver and optoelectronic pair electronic unit for amplification, synchronous detection and registration of pulsed signals, the disk modulator contains transparent, mirror and black sectors, forming its three-sector design, which provides additional radiation to the radiation receiver, which is formed from the back side of the black sector as a result of the measured radiation falling on it , to compensate for temperature changes inside the radiometer case.

При этом к электрическому выходу приемника излучений подсоединен своим первым входом усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, соединенный своим выходом с первым входом распределителя импульсных сигналов, имеющего три выхода на соответствующие входы осуществляющих синхронное детектирование первого интегратора импульсных сигналов от измеряемого излучения, второго интегратора импульсных сигналов от отраженного зеркальным сектором излучения опорного излучателя и третьего интегратора импульсных сигналов от дополнительного излучения, формирующегося с обратной стороны черненного сектора в результате попадания на него измеряемого излучения, причем первый и второй интеграторы своими выходами соединены с соответствующими из двух входов первого дифференциального усилителя, имеющего выход на регистратор, третий интегратор соединен своим выходом с первым входом второго дифференциального усилителя, который имеет второй вход, соединенный с выходом второго интегратора, и выход, соединенный с первым входом устройства управления, которое соединено своим выходом со вторым входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и вторым входом с выходом термодатчика, контролирующего температуру в корпусе радиометра, а ко второму входу распределителя импульсных сигналов подсоединен своим выходом генератор опорного напряжения, соединенный своим входом с выходом оптоэлектронной пары дискового модулятора.At the same time, an amplifier with an adjustable gain is connected to its output of the radiation receiver by its first input, connected to its output by the first input of the pulse signal distributor, which has three outputs to the corresponding inputs, which synchronously detect the first integrator of the pulse signals from the measured radiation and the second integrator of pulse signals from the reflected the mirror sector of radiation of the reference emitter and the third integrator of pulsed signals from the additional radiation generated on the reverse side of the blackened sector as a result of measured radiation falling on it, the first and second integrators connected to their outputs from the two inputs of the first differential amplifier having an output to the recorder, the third integrator is connected by its output to the first input of the second differential amplifier, which has a second input connected to the output of the second integrator, and an output connected to the first input of the control device, which is connected by its output a second input of the amplifier with adjustable amplification factor and a second input from the output of the temperature sensor, controlling the temperature of the radiometer housing and to a second input pulse signal distributor connected to its output a reference voltage generator coupled to its input to an output disk pair optoelectronic modulator.

Для улучшения конструктивно-компоновочной реализации предлагаемого усовершенствования предлагаемого радиометра в нем дисковый модулятор может быть установлен своей осью вращения под углом к центральной оси приемника излучений.To improve the structural and layout implementation of the proposed improvement of the proposed radiometer, a disk modulator can be installed in it with its axis of rotation at an angle to the central axis of the radiation receiver.

Для повышения рабочих и эксплуатационных характеристик, таких как быстродействие и устойчивость к климатическим и механическим воздействиям в предлагаемом радиометре предусмотрено выполнение приемника излучений пироэлектрическим.To improve the operating and operational characteristics, such as speed and resistance to climatic and mechanical stresses, the proposed radiometer provides for the implementation of a pyroelectric radiation receiver.

Для повышения надежности предлагаемого радиометра в нем генератор опорного напряжения может иметь дополнительный выход на вход регулятора скорости вращения дискового модулятора, которым следует оснастить двигатель вращения последнего.To increase the reliability of the proposed radiometer in it, the reference voltage generator may have an additional output to the input of the speed controller of the disk modulator, which should be equipped with the motor of rotation of the latter.

Актуальной и высоко востребованной характеристикой заявляемого оптического радиометра является предпочтительное его исполнение на основе пироэлектрического приемника излучений, что подтверждается известностью в уровне техники в области оптической радиометрии пироэлектрических радиометров без их исполнения на эффективном уровне обеспечения стабильного высокоточного измерения за счет заявляемого усовершенствования (см. например американский прецизионный пироэлектрический радиометр на основе дискового модулятора и синхронно электрически включаемой опорной тепловой мощности в пироэлектрическом приемнике, характеризующийся значительным резервом повышения его стабильности в условиях нестабильной работы его каскадов, - в книге Новика В.К. и др. «Пироэлектрические преобразователи». М., «Советское радио», 1979, с. 96-97, рис. 3.28. а.).A relevant and highly demanded characteristic of the claimed optical radiometer is its preferred design based on a pyroelectric radiation detector, which is confirmed by the prior art known in the field of optical radiometry of pyroelectric radiometers without their implementation at an effective level of ensuring stable high-precision measurement due to the claimed improvement (see, for example, American precision pyroelectric radiometer based on a disk modulator and synchronously of electrically switched on reference thermal power in a pyroelectric receiver, which is characterized by a significant reserve of increasing its stability in conditions of unstable operation of its cascades, in the book of Novik V.K. et al. “Pyroelectric Converters.” M., “Soviet Radio”, 1979, p. 96-97, Fig. 3.28. A.).

На фиг. 1 показана структурная схема заявляемого оптического радиометра; на фиг. 2а - форма импульсных сигналов, соответствующих трем видам принимаемых излучений (сигналы U₁ - от измеряемого излучения, сигналы U₂ - от дополнительного излучения, формирующегося с обратной стороны черненного сектора в результате попадания на него измеряемого излучения и сигналы U₃ In FIG. 1 shows a structural diagram of the inventive optical radiometer; in FIG. 2a is the shape of the pulsed signals corresponding to the three types of received radiation (signals U ₁ from the measured radiation, signals U ₂ from the additional radiation generated from the back side of the black sector as a result of the measured radiation falling on it and signals U ₃

- от отраженного зеркальным сектором излучения опорного излучателя) на выходе приемника излучений на фиг. 1 и на фиг. 2б - форма управляющих импульсных сигналов на выходе генератора опорного напряжения на фиг. 1.- from the radiation reflected by the mirror sector of the reference emitter) at the output of the radiation receiver in FIG. 1 and in FIG. 2b is a form of control pulse signals at the output of the reference voltage generator in FIG. one.

В предлагаемом примере выполнения заявляемого оптического радиометра, последний содержит (см. фиг. 1) на входе дисковый модулятор 1, имеющий трехсекторную конструкцию на основе прозрачного сектора 2, черненного сектора 3, покрытого составом, поглощающим измеряемое излучение (коэффициент излучения α≈0,95) и зеркального сектора 4 (коэффициент излучения β≈0,05).In the proposed example, the implementation of the inventive optical radiometer, the latter contains (see Fig. 1) at the input a disk modulator 1 having a three-sector design based on transparent sector 2, blackened sector 3, coated with a composition that absorbs the measured radiation (emissivity α≈0.95 ) and mirror sector 4 (emissivity β≈0.05).

При этом радиометр снабжен опорным излучателем 5 для формирования его излучения, отраженного зеркальным сектором 4, и оптоэлектронной парой 6 для контроля частоты прерываний дискового модулятора 1, образующими с модулятором 1 оптический блок радиометра.In this case, the radiometer is equipped with a reference emitter 5 for generating its radiation reflected by the mirror sector 4, and an optoelectronic pair 6 for controlling the interrupt frequency of the disk modulator 1, forming the optical block of the radiometer with the modulator 1.

Оптический радиометр содержит приемник излучений 7, представляющий собой оптоэлектронный преобразователь, чувствительный к измеряемому излучению и расположенный за оптическим модулятором 1 в направлении поочередного поступления на оптический вход приемника 7 прошедшего через прозрачный сектор 2 измеряемого излучения, дополнительного излучения, формирующегося с обратной стороны черненного сектора 3 в результате попадания на него измеряемого излучения и отраженного зеркальным сектором 4 излучения опорного излучателя 5 и.The optical radiometer contains a radiation receiver 7, which is an optoelectronic transducer sensitive to the measured radiation and located behind the optical modulator 1 in the direction of alternating receipt of the measured radiation transmitted through the transparent sector 2 of the measured radiation 2, additional radiation generated from the back side of the blackened sector 3 in as a result of the incident of measured radiation and reflected by the mirror sector 4 of the radiation of the reference emitter 5 and.

Дисковый модулятор 1 установлен своей осью вращения под углом 45° к центральной оси приемника излучений 7 (на фиг. 1 указанный угол 45° для удобства изображения показан как угол между смещенной вертикальной координатной осью в плоскости вращения модулятора 1 и центральной осью приемника 7), а опорный излучатель 5 - под углом 90° к указанной оси.The disk modulator 1 is mounted with its axis of rotation at an angle of 45 ° to the central axis of the radiation receiver 7 (in FIG. 1, the indicated angle of 45 ° is shown as the angle between the offset vertical coordinate axis in the plane of rotation of the modulator 1 and the central axis of the receiver 7), and reference emitter 5 - at an angle of 90 ° to the specified axis.

С выходами приемника излучений 7 и оптоэлектронной пары 6 электрически связан электронный блок для усиления, синхронного детектирования и регистрации импульсных сигналов, включающий усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 8, соединенный своими входом с выходом приемника 7 и выходом с первым входом распределителя импульсных сигналов 9, имеющего три выхода на соответствующие входы осуществляющих синхронное детектирование первого интегратора импульсных сигналов 10 от измеряемого излучения, второго интегратора импульсных сигналов 11 от дополнительного излучения, формирующегося с обратной стороны черненного сектора 3 в результате попадания на него измеряемого излучения, и третьего интегратора импульсных сигналов 12 от отраженного зеркальным сектором 4 излучения опорного излучателя 5.The outputs of the radiation receiver 7 and the optoelectronic pair 6 are electrically connected to an electronic unit for amplification, synchronous detection and registration of pulse signals, including an amplifier with adjustable gain 8, connected to the input of the output of the receiver 7 and the output of the first input of the pulse signal distributor 9, which has three output to the corresponding inputs for synchronous detection of the first integrator of pulse signals 10 from the measured radiation, the second integrator of pulse signals 11 from the additional radiation generated on the reverse side of the blackened sector 3 as a result of the measured radiation falling on it, and the third integrator of pulsed signals 12 from the radiation of the reference emitter 5 reflected by the mirror sector 4.

Причем первый и второй интеграторы 10 и 11 своими выходами соединены с соответствующими из двух входов первого дифференциального усилителя 13, имеющего выход на регистратор 14, третий интегратор 12 соединен своим выходом с первым входом второго дифференциального усилителя 15, который имеет второй вход, соединенный с выходом второго интегратора 11, и выход, соединенный с первым входом устройства управления 16, которое в свою очередь соединено своим выходом со вторым входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 8 и своим вторым входом с выходом термодатчика 17, контролирующего температуру в корпусе радиометра, а ко второму входу распределителя импульсных сигналов 9 подсоединен своим выходом генератор опорного напряжения 18, соединенный своим входом с выходом оптоэлектронной пары 6.Moreover, the first and second integrators 10 and 11 are connected by their outputs to the corresponding of the two inputs of the first differential amplifier 13 having an output to the recorder 14, the third integrator 12 is connected by its output to the first input of the second differential amplifier 15, which has a second input connected to the output of the second integrator 11, and an output connected to the first input of the control device 16, which in turn is connected by its output to the second input of the amplifier with an adjustable gain of 8 and its second input with the output of the temperature sensor 17, which controls the temperature in the radiometer body, and the reference voltage generator 18 connected to the input of the optoelectronic pair 6 by its output is connected to the second input of the pulse signal distributor 9.

Для повышения надежности оптического радиометра в нем генератор опорного напряжения 18 может иметь дополнительный выход на вход регулятора скорости вращения дискового модулятора 1, которым следует оснастить двигатель вращения последнего (на фиг. 1 не показано).To increase the reliability of the optical radiometer in it, the reference voltage generator 18 may have an additional output to the input of the speed controller of the disk modulator 1, which should be equipped with the motor of rotation of the latter (not shown in Fig. 1).

Наконец предпочтительно выполнение приемника излучений 7 пироэлектрическим в связи с повышением при этом рабочих и эксплуатационных характеристик, таких как быстродействие и устойчивость к климатическим и механическим воздействиям.Finally, it is preferable that the radiation receiver 7 be pyroelectric in connection with an increase in operational and operational characteristics, such as speed and resistance to climatic and mechanical influences.

Предлагаемый оптический радиометр работает в примере его исполнения с пироэлектрическим приемником излучений в инфракрасной области измеряемого излучения следующим образом.The proposed optical radiometer operates in an example of its implementation with a pyroelectric radiation detector in the infrared region of the measured radiation as follows.

В результате вращения дискового модулятора 1 на оптический вход приемника излучений 7 поочередно поступают: измеряемое излучение через прозрачный сектор 2, дополнительное излучение от черненного сектора 3, формирующееся с его обратной стороны в результате попадания на него измеряемого излучения, и отраженное зеркальным сектором 4 излучение опорного излучателя 5, которые преобразуются приемником 7 в импульсные сигналы, снимаемые с его выхода, соответственно: U₁~T_X, U₂~αT_Φ и U₃~βT_Э (см. фиг. 2а, на которой величины этих напряжений указаны в условных единицах), где T_X - физическая температура источника измеряемого излучения (на фиг. 1 указанный источник не показан), T_Φ - физическая температура модулятора 1 и T_Э - физическая температура опорного (эталонного) излучателя 5.As a result of the rotation of the disk modulator 1, the optical input of the radiation receiver 7 alternately receives: the measured radiation through the transparent sector 2, additional radiation from the blackened sector 3, which is formed from its back side as a result of the measured radiation falling on it, and the radiation of the reference emitter reflected by the mirror sector 4 5, the receiver 7 are converted into pulse signals, the recorded from its output, respectively: U ₁ ~ T _X, U ~ αT _{Φ 2} and U ₃ ~ βT _E (see Figure 2a, in which the magnitudes of these voltages are indicated in cond.. overt units) where T _X -. physical source radiation temperature measured (in Figure 1 said source not shown), T _Φ - physical modulator 1 and the temperature T _E - physical temperature of the reference (reference) oscillator 5.

Эти импульсные сигналы, усиленные усилителем с регулируемым коэффициентом усиления 8, поступают на распределитель импульсных сигналов 9.These pulse signals, amplified by an amplifier with an adjustable gain of 8, are fed to a pulse signal distributor 9.

В результате вращения дискового модулятора 1 синхронно оптоэлектронной парой 6 и генератором опорного напряжения 18 вырабатывается опорное напряжение U_ОП для управленияAs a result of rotation of the disk modulator 1 synchronously optoelectronic pair 6 and the reference voltage generator 18 produces a reference voltage U _OP for control

распределителя импульсных сигналов 9 по закону, изображенному на фиг. 2б с величиной опорного напряжения, указанной в условных единицах.pulse signal distributor 9 according to the law depicted in FIG. 2b with the value of the reference voltage specified in arbitrary units.

Распределитель 9 поочередно (синхронно с опорным колебанием U_ОП(t)) подключает выход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 8 для прохождения импульсных сигналов (см. фиг. 2а) к входам интеграторов 10, 11 и 12. С выходов дифференциальных усилителей 13 и 15 снимаются, соответственно напряженияThe distributor 9 alternately (synchronously with the reference oscillation U _OP (t)) connects the output of the amplifier with an adjustable gain 8 for the passage of pulse signals (see Fig. 2a) to the inputs of the integrators 10, 11 and 12. From the outputs of the differential amplifiers 13 and 15 are removed respectively voltage

и

, где τ - время накопления интеграторов.

and

, where τ is the accumulation time of integrators.

Напряжение на выходе дифференциального усилителя 13 пропорционально разности интенсивностей потоков теплового излучения черненного сектора 3 и источника измеряемого излученияThe voltage at the output of the differential amplifier 13 is proportional to the difference in the intensities of the thermal radiation fluxes of the blackened sector 3 and the source of the measured radiation

, где T₂=αT_Ф - яркостная температура черненного сектора, K - коэффициент усиления сигнального тракта.

where T ₂ = αT _Ф is the brightness temperature of the blackened sector, K is the gain of the signal path.

Напряжение на выходе дифференциального усилителя 15 пропорционально разности интенсивностей потоков теплового излучения черненного сектора 3 и зеркального сектора 4The voltage at the output of the differential amplifier 15 is proportional to the difference in the intensities of the thermal radiation fluxes of the blackened sector 3 and the mirror sector 4

, где T₃=βT_Э - яркостная температура зеркального сектора 4.

where T ₃ = βT _E is the brightness temperature of the mirror sector 4.

Отсюда U₅=K(αT_Ф-βT_Э).Hence, U ₅ = K (αT _Ф -βT _Э ).

Так как физические температуры T_Ф модулятора 1 и T_Э опорного излучателя 5 стабилизированы, а коэффициенты излучения α и β - const, то напряжение U₅~K. При отклонении коэффициента усиления (передачи) к от рабочей величины K₀ происходит изменение напряжения U₅~(K₀±ΔK)(αT_Ф-βT_Э), где K₀ - коэффициент передачи сигнального тракта на рабочей частоте модуляции F_мод (8 Гц) и ΔK - отклонение коэффициента передачи от рабочей величины K₀.Since the physical temperature T _F T modulator 1 and _E stabilized reference oscillator 5 and the radiation coefficients α and β - const, the voltage U ₅ ~ K. When the gain (transmission) k deviates from the operating value K ₀ , the voltage U ₅ ~ (K ₀ ± ΔK) (αT _Ф -βT _Э ) changes, where K ₀ is the transmission coefficient of the signal path at the operating modulation frequency F _mod (8 Hz ) and ΔK is the deviation of the transmission coefficient from the working quantity K ₀ .

Следовательно, этот сигнал (U₅) можно использовать как сигнал обратной связи для автоматического поддержания коэффициента передачи измерительного тракта, учитывающего в том числе изменение температуры внутри корпуса радиометра.Therefore, this signal (U ₅ ) can be used as a feedback signal to automatically maintain the transmission coefficient of the measuring path, taking into account, inter alia, the temperature change inside the radiometer case.

Коэффициент усиления усилителя 8 настраивается по управляющему напряжению U_упр=±ΔK(αT_Ф-βT_Э) после сравнения значения U₅ с пороговым значением U₀=K₀(αT_Ф-βT_Э). На выходе регистратора 14 фиксируется напряжение U_x~T_x.The gain of the amplifier 8 is adjusted by the control voltage U _Ex = ± ΔK (αT _F -βT _E) after comparing the value of ₅ U with a threshold value U ₀ = K ₀ (αT _F -βT _Oe). The output of the recorder 14 is fixed voltage U _x ~ T _x .

Таким образом, предлагаемая трехсекторная конструкция дискового модулятора 1 в сочетании с введением динамического управления коэффициентом передачи сигнального тракта позволяет устранить погрешности, связанные с эксплуатационным колебанием температуры внутри корпуса радиометра и с нестабильностью опорного генератора и усилительных свойств сигнального тракта.Thus, the proposed three-sector design of the disk modulator 1 in combination with the introduction of dynamic control of the transmission coefficient of the signal path eliminates errors associated with operational temperature fluctuations inside the radiometer body and with the instability of the reference generator and amplification properties of the signal path.

Claims (4)

1. Оптический радиометр, содержащий оптический блок, выполненный на основе дискового модулятора, имеющего секторную конструкцию, обеспечивающую поочередные пропускание измеряемого излучения и отражение излучения опорного излучателя, расположенного со стороны приемника излучений под углом к его центральной оси, и снабженный оптоэлектронной парой для контроля частоты прерываний дискового модулятора, приемник излучений, а также электрически связанный с выходами приемника излучений и оптоэлектронной пары электронный блок для усиления, синхронного детектирования и регистрации импульсных сигналов, отличающийся тем, что дисковый модулятор содержит прозрачный, зеркальный и черненый секторы, образующие его трехсекторную конструкцию, обеспечивающую поступление в приемник излучений дополнительного излучения, формирующегося с обратной стороны черненого сектора в результате попадания на него измеряемого излучения, для компенсации изменения температуры внутри корпуса радиометра, а к электрическому выходу приемника излучений подсоединен своим первым входом усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, соединенный своим выходом с первым входом распределителя импульсных сигналов, имеющего три выхода на соответствующие входы осуществляющих синхронное детектирование первого интегратора импульсных сигналов от измеряемого излучения, второго интегратора импульсных сигналов от отраженного зеркальным сектором излучения опорного излучателя и третьего интегратора импульсных сигналов от указанного дополнительного излучения, при этом первый и второй интеграторы своими выходами соединены с соответствующими из двух входов первого дифференциального усилителя, имеющего выход на регистратор, третий интегратор соединен своим выходом с первым входом второго дифференциального усилителя, который имеет второй вход, соединенный с выходом второго интегратора, и выход, соединенный с первым входом устройства управления, которое соединено своим выходом со вторым входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и вторым входом с выходом термодатчика, контролирующего температуру в корпусе радиометра, а ко второму входу распределителя импульсных сигналов подсоединен своим выходом генератор опорного напряжения, соединенный своим входом с выходом оптоэлектронной пары дискового модулятора.1. An optical radiometer comprising an optical unit based on a disk modulator having a sector construction that provides alternate transmission of the measured radiation and reflection of the radiation of a reference emitter located at the angle of its radiation axis from the receiver side and equipped with an optoelectronic pair to control the interrupt frequency a disk modulator, a radiation receiver, as well as an electronic unit for amplification, electrically connected to the outputs of the radiation receiver and optoelectronic pair, synchronous detection and registration of pulsed signals, characterized in that the disk modulator contains a transparent, mirror and blackened sectors, forming its three-sector design, which provides additional radiation to the radiation receiver, which is formed on the back side of the blackened sector as a result of the measured radiation falling on it, to compensate temperature changes inside the radiometer case, and an amplifier with its first input is connected to the electrical output of the radiation receiver an adjustable gain, connected by its output to the first input of the pulse signal distributor, which has three outputs to the corresponding inputs synchronously detecting the first integrator of pulse signals from the measured radiation, the second integrator of pulse signals from the reference emitter reflected from the mirror sector and the third pulse integrator from the specified additional radiation, while the first and second integrators are connected with their outputs to the corresponding from the two inputs of the first differential amplifier having an output to the recorder, the third integrator is connected by its output to the first input of the second differential amplifier, which has a second input connected to the output of the second integrator, and an output connected to the first input of the control device, which is connected by its output with a second input of an amplifier with an adjustable gain and a second input with an output of a temperature sensor that controls the temperature in the radiometer case, and to the second input of a distributor imp lsnyh signals connected to its output a reference voltage generator coupled to its input to an output disk pair optoelectronic modulator. 2. Радиометр по п.1, отличающийся тем, что дисковый модулятор установлен своей осью вращения под углом к центральной оси приемника излучений.2. The radiometer according to claim 1, characterized in that the disk modulator is mounted with its axis of rotation at an angle to the central axis of the radiation receiver. 3. Радиометр по п.1, отличающийся тем, что приемник излучений выполнен пироэлектрическим.3. The radiometer according to claim 1, characterized in that the radiation receiver is pyroelectric. 4. Радиометр по п.1, отличающийся тем, что генератор опорного напряжения имеет дополнительный выход на вход регулятора скорости вращения дискового модулятора, которым оснащен двигатель вращения последнего.

4. The radiometer according to claim 1, characterized in that the reference voltage generator has an additional output to the input of the rotational speed controller of the disk modulator, which is equipped with a rotation motor of the latter.

Images