Фотометры с объективными приемниками излучения

В фотометрах этого типа для регистрации потока излучения применяют различные фотоэлектрические приемники излучения (болометры, термоэлементы, фотоэлементы, фотоумножители, фотодиоды, фотосопротивления и т.д.). В зависимости от того, известна или неизвестна световая характеристика приемника излучения (ПИ), под которой понимают зависимость реакции ПИ от величины светового потока излучения, фотометры строят либо по схеме прямого отсчета, либо по нулевой схеме.

Если световая характеристика ПИ известна и линейна, то величина действовавшего на такой ПИ потока излучения может быть определена непосредственно по реакции ПИ, то есть по величине измеренных тока или напряжения.

Пусть Ф_x - поток, действующий на ПИ; Ψ - чувствительность ПИ; N -измеренная реакция ПИ (ток или напряжение), тогда для величины сигнала можно записать

N = сΨФ_х,

где с - константа. Значение измеренного потока равно

Ф_х = N/сΨ.

Фотометры, построенные по этому принципу, называют фотометрами прямого отсчета. Схема такого фотометра показана на рис.1.7.

Рис.1.7. Схемы фотометров прямого отсчета. а). 1 - светофильтр; 2 - объектив; 3 - приемник излучения; Г - гальванометр. б). Схема прямого отсчета с усилителем 4.

Световой поток, пройдя светофильтр 1, при помощи объектива 2 фокусируется на приемнике излучения 3, сигнал которого измеряется гальванометром Г. Если сигнал, генерируемый  ПИ, мал, то применяют усилитель 4.

По такой схеме построены люксметры для измерения освещенности, экспонометры для определения параметров съемки и т.д.

Если световая характеристика ПИ неизвестна (например, глаз), нелинейна или известна неточно, то такой ПИ можно использовать в относительных измерениях для фиксирования равенства или неравенства сравниваемых потоков.

Поэтому такие ПИ применяют в схемах фотометров сравнения, которые строятся по нулевому принципу. Примером такого фотометра является, изображенный на рис.1.8, фотометр одновременного сравнения потоков излучения (или дифференциальный фотометр).

Общим принципом действия таких фотометров является сопоставление двух потоков излучения Ф₁ и Ф₂ , один из которых известен, а величины другого подлежит измерению.

Пусть потоки Ф₁ и Ф₂ направляются на ПИ, включенные в плечи мостиковой схемы  и имеющие чувствительности Ψ₁ и Ψ₂.

Возникающие в цепях фотоприемников токи i₁ и  i₂ сравниваются между собой. Пусть Ф₁ > Ф₂ , если при этом  Ψ₁ > Ψ₂ , то i₁ >  i₂ и стрелка гальванометра отклонится от нулевого положения.

Рис. 1.8. Схема дифференциального фотометра

Ослабляя поток Ф₁ в некоторое число Т раз с помощью градуированного ослабителя ФК (фотометрический клин), добиваются равенства нулю в показаниях гальванометра. Тогда  i₁T = i₂ или

ТΨ₁Ф₁ = Ψ₂Ф₂.

Откуда

Ф₂ = ТФ₁Ψ₁/Ψ₂.

Если Ψ₁ = Ψ₂, то  

Ф₂ = ТФ₁.

Фотометры, в которых потоки уравниваются с помощью оптических способов, называют фотометрами с оптическим нулем. Вместо ослабления потока Ф₁ можно проводить уравнивание токов в плечах мостиковой схемы за счет изменения сопротивления одного из плеч моста или изменения чувствительности ПИ путем изменения напряжения его питания. Приборы, действующие на таком принципе уравнивания сигналов, носят название фотометров с электрическим нулем.

Существуют также фотометры, в которых сравнение потоков производится поочередно с помощью одного ПИ. Фотометры этого типа позволяют осуществить сравнение потоков с большей точностью, так как исключаются ошибки, обусловленные неодинаковостью свойств  двух ПИ.

Рис.1.9. Схема фотометра с поочередным сравнением потоков Ф₁ и Ф₂

На рис. 1.9 показана схема фотометра с поочередным сравнением двух потоков. Потоки Ф₁ и Ф₂, подлежащие сравнению, при помощи модулятора М поочередно направляются на одну и туже часть чувствительной площадки ПИ, который будет вырабатывать переменный сигнал, амплитуда которого пропорциональна разности сравниваемых потоков.

Действительно, при поочередном воздействии каждого потока в цепи приемника излучения будут протекать фототоки, соответственно, i₁ = ΨФ₁ и i₂ = ΨФ₂. Если Ф₁ = Ф₂, то при поочередном воздействии на ПИ сравниваемых потоков в цепи  последнего потечет пульсирующий ток одного направления. Усилитель переменного тока пропустит и усилит только переменную составляющую пульсирующего тока, амплитуда которой  будет пропорциональна разности потоков излучения (рис.1.10).

Рис.1.10. Диаграммы токов на выходе ПИ (i₁, i₂ и i) и на входе усилителя

Оптический ослабитель ФК уравнивает потоки, сводя переменную составляющую тока до нуля, что фиксируется регистрирующим прибором РП. Зная пропускание Т ослабителя, при котором разностный ток Δi равен нулю, определяют либо отношение потоков, либо значение неизвестного потока.