книги из ГПНТБ / Кривовяз, Л. М. Практика оптической измерительной лаборатории

Решением системы (2) определяются значения искомых тол- . щин б', б", б'". Коэффициенты при неизвестных б', б", б’" и сво­ бодные члены F lt F 2, F3 выражаются через коэффициенты исход­ ной системы, число уравнений которой равно п.

Степень достигнутого приближения цветности источника света к теоретически заданной составляет + 0,001 координат цветности и намного превосходит нормированные в 1931 г. Международной Осветительной Комиссией жидкостные светофильтры как по точ­ ности воспроизведения, так и по удобству эксплуатации и стой­ кости характеристик во времени. Полезные коэффициенты про­ пускания стеклянных светофильтров составляют 14—20% и для лабораторной практики вполне приемлемы.

2.

применяемые в оптических измерениях

Глаз наблюдателя долгие годы являлся основным регистри­ рующим прибором в практике оптических измерительных лабо­ раторий, и только в последние десятилетия объективные фото­ электрические методы регистрации начинают завоевывать при­ знание. Устройство глаза, зависимость световых ощущений наблюдателя от свойств поля зрения, механизм чувствительности глаза и другие вопросы подробно изложены в специальных трудах по психофизиологии зрения и потому здесь не рассматриваются

[37, 71].

Наиболее распространенными приемниками в практике опти­ ческой измерительной лаборатории являются вентильные и ва­ куумные фотоэлементы. К первой группе относятся, в частности, селеновые фотоэлементы, получившие благодаря своей надежности

ипростоте эксплуатации широкое применение [44]. Конструк­ тивно селеновые фотоэлементы оформляются в виде металлической пластины, на которую нанесен слой поликристаллического селена,

иполупрозрачного электрода. Фотоэлемент защищают пленкой влагостойкого лака и монтируют в корпус.

Диапазон спектральной чувствительности селеновых фото­ элементов (кривая 1 на рис. 4) близок к области чувствительности глаза (кривая 2), что позволяет с большой точностью корректи­ ровать его спектральную характеристику под средний глаз наблю­ дателя без существенной потери в чувствительности. Интеграль­

ная чувствительность средних промышленно выпускаемых селе­ новых фотоэлементов составляет 400—500 мкА/лм, что в практике фотометрической лаборатории вполне достаточно и не требует применения дополнительных усилительных устройств. Селеновые фотоэлементы обладают хорошей (в пределах 3%) равномерностью чувствительности по слою, малой утомляемостью, допускают использование при освещенностях до 3—5 тыс. лк.

20

леновому фотоэлементу. Интегральная чувствительность ФЭСС-У составляет примерно 10 мА/лм, внутреннее сопротивление ІО3— ІО4 Ом, сопротивление запирающего слоя фотоэлемента при осве­ щенностях порядка 500— 1000 лк уменьшается в 10— 15 раз, поэтому в лабораторной практике измерительная пара с сернисто­ серебряным приемником излучения должна быть тщательно выверена на линейность в рабочем диапазоне освещенностей. Чаще всего сернисто-серебряный фотоэлемент применяют как индикатор излучения в ближней ИК области спектра, например, при градуировке монохроматоров и спектрометров путем реги­ страции известных спектров излучения.

Особую группу приемников излучения составляют фотодиоды" Современные фотодиоды, изготовляемые на основе германия и кремния, могут работать как в фотодиодном (при значительных внешних напряжениях, приложенных в обратном направлении), так и в вентильном режимах.

Спектральные характеристики фотодиодов представлены на рис. 6. Интегральная чувствительность фотодиодов определяется как приращение тока, текущего через диод, к вызвавшему его

световому потоку, в мА

Как правило, интегральная чувствительность фотодиода опре­ деляется для стандартного источника света с Тцв = 2360° К и при значении внешнего приложенного к нему напряжения 1 В. Про­ мышленность выпускает ряд кремниевых и германиевых фото­ диодов, значения интегральной чувствительности которых в за­ висимости от типа диода колеблются в диапазоне от 10 до

20 мА/лм.

22

В лабораторной практике удобно использовать фотодиоды в качестве измерительного приемника излучения в ближней ин­ фракрасной области спектра, причем из-за малых размеров прием­ ной площадки фотодиода для удобства пользования следует мон­ тировать диод в стенке светомерного шара, как показано на рис. 7. Светочувствительная площадка фотодиода располагается за от­ верстием в стенке шара со стороны приемного отверстия, под углом 30—45° к оси падающего в шар потока излучения.

Для измерения потоков излучения в области от 1 до 3,5—4 мкм используются сернисто-свинцовые фоторезисторы. Выпускается несколько конструктивных модификаций малогабапитных сеонисто- ? .

свинцовь

тизированном корпусе.

Спектральная характеристика ’сернисто-свинцового фоторези­ стора показана на рис. 8. Максимальная спектральная чувстви­ тельность расположена в области 1,8—2 мкм, длинноволновую границу чувствительности сернисто-свинцового фоторезистора можно сместить в ИК область спектра, применяя охлаждение приемника до температуры 150— 170° С. Рабочее напряжение сер­ нисто-свинцовых фоторезисторов промышленного типа 20—40 В, интегральная чувствительность при напряжении 20 В составляет 10 мА/лм. Так как сернисто-свинцовые фоторезисторы в основном применяются как приемники теплового излучения, принято ха­ рактеризовать их в энергетических, а не в световых единицах измерения. Интегральная чувствительность к температурному излучателю с Гцв = 2400° К, выраженная в энергетических еди­ ницах, составит 0,3—0,8 A/Вт. Сернисто-свинцовые фоторези­ сторы имеют сравнительно небольшую инерционность, что позво­

23

ляет использовать их в измерительных схемах с механической модуляцией измеряемого светового потока. Эксплуатация таких измерительных схем не требует защиты от внешних источников света, что облегчает проведение лабораторных исследований.

Все рассмотренные приемники излучения относятся к классу селективных, избирательно реагирующих на излучение различ­ ных длин волн, однако существует группа тепловых приемников, величина сигнала которых зависит только от величины регистри­ руемого излучения независимо от его спектрального состава. Принцип действия этих приемников основан на преобразовании возникающей под влиянием поглощенной энергии разности тем­ ператур в спае двух металлов в энергию электрического тока, регистрируемую как отклонение рамки чувствительного гальва­ нометра. Для тепловых приемников излучения величина реги­ стрируемого тока с большой степенью точности пропорциональна падающему потоку Ф:

I = эФ,

где / — вырабатываемый ток;

S — чувствительность приемника.

Спаи помещают в вакуумный сосуд с окном из материала, про­ зрачного в широкой области спектра. Близки по устройству к опи­ санной термопаре болометры, представляющие собой две метал­ лические полоски, включенные в два плеча измерительного моста. Обе полоски расположены близко друг к другу, и перед началом измерений температуры их равны. Измеряемое излучение попадает только на одну полоску, возникающий разбаланс моста усили­ вается и регистрируется.

Тепловые приемники применяются для регистрации потоков излучения в инфракрасной области спектра в лабораторных спек­ трометрах и спектрофотометрах. Как правило, их используют при низкочастотной механической модуляции падающего потока излу­ чения. Некоторые характеристики тепловых приемников приве­ дены в табл. 9.

24

При выборе приемника излучения в той или иной измеритель­ ной схеме необходимо принимать во внимание чувствительность — отношение сигнала к измеряемому потоку энергии и предел чув­ ствительности — величину, обратную минимальному потоку, ко­ торый можно зарегистрировать при определенных стандартных условиях.

Последняя величина в основном определяет погрешность изме­ рений в случае, когда величина потока превосходит предел чув­ ствительности. Возможности приемников излучения ограничены различного вида «шумами» измерительной схемы, исключающими рациональность дальнейшего усиления, так как одновременное'

Зависимость оптической плотности от логарифма экспозиции в общем случае изображается графиком, называемым в сенсито­ метрии характеристической кривой фотоматериала (рис. 9). На этом графике различают три области:

1 — область недодержек, в которой световой поток производит очень малое фотографическое действие;

2 — линейная область, или область нормальных почернений; угол наклона кривой этого участка обычно называется коэффи­ циентом контрастности фотоматериала у;

3 — область передержек, в которой дальнейшее увеличение длительности экспозиции дает малое изменение почернения или совсем не изменяет, его. В линейной области фотографическому

sматериалу присущи некоторые свойства линейного приемника излучения. Определение минимальной экспозиции, необходимой для образования изображения, достаточного, чтобы отличить его от фотографической вуали, во многих случаях имеет большой практический интерес.

25

Фотографическая фотометрия использует способ измерения световых потоков, основанный на регистрации светового потока на фотоматериале с последующим фотометрированием полученных почернений и переходом к величине освещенности. Методы фото­ графической фотометрии используют для определения световых потоков, например кратковременных вспышек, или потоков, сконцентрированных на малых площадях. Однако чувствитель­ ность метода фотографической фотометрии так же ограничена порогом чувствительности, как и в обычной фотометрии, исполь­ зующей приемники излучения, основанные на фотоэффекте.

Причина ограничения чувствительности в методе фотографиче­ ской фотометрии заключается в нерегулярном распределении зерен в фотографической эмульсии, приводящем к эффекту, ана­ логичному «шуму» в других приемниках излучения. При прояв­ лении некоторое число зерен подвергается почернению, причем частично и в неэкспонированной области фотоматериала. Число почерневших зерен на участке фотоматериала при заданной экспозиции зависит от статистической флюктуации, которая уве­ личивается при уменьшении фотометрируемой площади. Этот «шум» ограничивает возможность фотографического воспроизведе­ ния мелких деталей изображения и определяет предел чувстви­ тельности фотоматериала как приемника излучения [19].

Среднюю статистическую флюктуацию почернения можно вы­

разить как среднее квадратическое отклонение АП2, пропорцио­ нальное 1/5, где 5 — площадь фотометрируемого участка, содер­

жащая N — среднее статистическое число почерневших зерен при заданной экспозиции:

а п 2 = 4 ,

где G — величина, постоянная для данного вида фотоматериала. Ассортимент и технические характеристики современных фото­ графических материалов приведены в специальной литературе-

114, 15].

3. Погрешности измерений и обработка результатов

Любые измерения неизбежно сопровождаются погрешностями, имеющими весьма разнообразный характер. В практике оптиче­ ских измерений различают три основных типа погрешностей: систематические, случайные и промахи (грубые ошибки).

Систематическими погрешностями называют такие, величина которых одинакова во всех измерениях, проводимых одним и тем же способом с помощью одних и тех же измерительных при­ боров при неизменных внешних условиях. Систематические по­ грешности можно учесть и исключить при обработке результатов

26

измерений. Среди систематических погрешностей можно выделить три характерные группы.

1. Погрешности, природа которых известна, а величина их может быть достаточно точно определена теоретически. Например, при измерении показателя преломления жидкости в видимой об­ ласти спектра можно с высокой точностью учесть влияние темпе­ ратуры на показатель преломления, пользуясь формулой

t — температура жидкости в момент измерения.

2. Погрешности известного происхождения, но неизвестной величины. Строго говоря, такие погрешности не могут быть исключены, но их максимальное значение, как правило, известно. Примером такого рода погрешностей могут служить погрешности, вносимые направляющими измерительных микроскопов, которые невозможно изготовить абсолютно прямолинейно. Однако в атте­ статах микроскопов указаны предельные погрешности, вносимые направляющими, что можно учесть при обработке результатов измерений.

3. Погрешности, постоянно действующие при многократных измерениях, но неизвестные экспериментатору. Например, при измерении показателя преломления плоско-параллельной пла­ стинки с помощью микроскопа путем наведения его на поверхности пластинки в зоне измерения может оказаться свиль, расположен­ ная вдоль оси микроскопа. Многократные измерения не избавят нас от совершенно ложного результата, так как мы будем изме­ рять показатель преломления свили, а не плоско-параллельной пластинки. Этот тип погрешностей является наиболее опасным, хотя и редко встречающимся. В ответственных случаях для исклю­ чения таких погрешностей необходимо выполнять измерения дру­ гим способом.

Случайными погрешностями называются такие, величина кото­ рых заранее неизвестна для измерений, выполненных одним и тем же способом. Появление случайных погрешностей вызвано рядом причин, действие которых неодинаково при каждом изме­

В дальңейшем рассмотрим лишь некоторые положения теории ошибок, необходимые для обработки результатов измерений.

Промахами, или грубыми ошибками, называют такие резуль­ таты, величина которых резко отличается от любого из получен­ ного ряда значений измеряемой величины. Источником грубых

27

ошибок чаще всего являются невнимательность экспериментатора или резко и кратковременно изменившиеся условия измерения. Грубые ошибки обязательно исключаются из ряда измерений и выявляются при контрольных измерениях.

Качество измерений принято также характеризовать абсолют­ ной и относительной погрешностями. Под абсолютной погреш­ ностью понимают разность

Ах = X — х 0,

где X — измеренная величина; х 0— ее истинное значение. Относительная погрешность

А х тн = ~л0 100% .

При определении абсолютной и относительной погрешностей чаще всего вместо истинного значение х 0 принимают среднее арифметическое из ряда измерений, т. е. полагают х 0 = хср.

Рассмотрим методику обработки результатов измерений в наи­ более типичных практических случаях.

Погрешности ряда дискретных измерений. Предположим, что измерения некоторой величины х 0 проведены одним и тем же наблюдателем при неизменных условиях с помощью одного и того же прибора, в результате чего получен ряд значений: х ъ х 2,

. . ., x-L, . . ., хп. Прежде всего определяют среднее арифметиче­ ское из полученных результатов:

І= п

^cp = — S

« 1=1 1 ’

где п — число измерении.

Установлено, что для надежной оценки результатов вполне достаточно п ~ 10. В повседневной практике обычно выполняют пять измерений.

Далее по формуле Бесселя определяют среднюю квадратиче­ скую ошибку, характеризующую точность данного ряда изме­ рений:

/і=п

У(х і — ХСр)2

-------------

Важным свойством средней квадратической ошибки является

п— 1

ее надежность в оценке точности при ограниченном числе изме­

рений.

Точность одного измерения можно характеризовать также величиной вероятной ошибки

р = ± 0,674сг,

определяющей границу значений случайных погрешностей с ве­ роятностью 50%.

28