Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы измерений. Учебное пособие
.pdf
один кристалл галогенида серебра, а кванты высоких энергий несколько кристаллов. Плотность почернения над уровнем фона при
съемках в рентгеновской области линейно растет с экспозицией и
отклонения от закона взаимозаместимости не наблюдается.
Поглощение электромагнитного излучения
γ
- и
высокоэнергетичных рентгеновских квантов в фотослое падает еще
больше, а число центров скрытого изображения, возникающих при
поглощении одного кванта, возрастает. Так, например, при
поглощении кванта с энергией 1 МэВ после проявления происходит
почернение примерно 80 зерен. Следует отметить, что при
поглощении γ-квантов и рентгеновских квантов с высокой энергией
вначале возникают быстрые электроны (в результате фотоэффекта,
комптоновского рассеяния, а выше 1,02 МэВ за счет образования
электронно-дырочных пар). Затем эти электроны тратят свою энергию
на ионизацию, и только освободившиеся при ионизации вторичные
электроны вызывают появление центров скрытого изображения.
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Оптические измерительные приборы чрезвычайно
разнообразны. По количеству типов оптических приборов их можно
сопоставить с электроизмерительными.
Спектральные оптические приборы - класс оптической техники,
для которого общим является разложение электромагнитного
излучения в спектр по длинам волн. Существуют спектроскопы визуальные приборы, монохроматоры, выделяющие излучение какойлибо фиксированной длины волны, полихроматоры, выделяющие
излучение на нескольких длинах волн, спектрографы регистрирующие весь спектр монохроматического излучения. Если в
приборе кроме разложения излучения в спектр имеется возможность
измерения каких-либо энергетических характеристик
электромагнитного излучения, то такой прибор называется
спектрофотометром или квантометром.
Интерферометрами называют приборы, в которых основной
измеряемой характеристикой является не амплитуда световой волны и
связанная с ней энергия, а фаза электромагнитного колебания. Именно
такой подход позволил создать самые точные в настоящее время
151
средства измерения, позволяющие измерять величины с погрешностями
Пирометры
Фотометры
Рефрактометры
Интерферометры
Поляриметры
Гониометры
в 11-12 знаке. Поэтому интерферометры применяются в основном для
решения задач, требующих от приборов предельно высокой точности,
например, в эталонах, в обслуживании уникальных научных программ,
в реализации сверхчувствительных методов анализа состава вещества и
т. п.
Другие классы оптических приборов, представленные также на
рис. 56 не так обширны, как фотометры и спектрометры. Тем не менее,
они выделены поскольку в основу принципа действия каждого
положено специфическое физическое явление.
Оптические измерительные приборы
Спектральные
Измерительные
микроскопы
Рисунок 56 - Классификация оптических измерительных приборов
Фотометрические оптические приборы - это класс оптики для
изменения световых потоков и величин, непосредственно связанных со
световыми потоками: освещенности, яркости, светимости и силы света.
Фотометры подразделяют на оптические, измеряемые характеристики в
которых имеют чувствительность, соответствующую чувствительности
человеческого глаза, и так называемые фотометры энергетических
фотометрических величин (характеристики безотносительно к
чувствительности глаза человека). Естественно, что в энергетических
фотометрах величины выражаются в механических единицах:
- в ваттах на метр квадратный - энергетическая освещенность;
- в ваттах на стерадиан - энергетическая сила света;
измерительные
приборы
152
- в ваттах с квадратного метра - энергетическая светимость;
- в ваттах с квадратного метра на стерадиан - энергетическая
яркость.
В поляриметрах используется такое волновое свойство света,
как поляризация, т. е. определенная ориентация колебаний
электромагнитной волны относительно направления распространения.
Многие вещества обладают свойствами изменять направление
поляризации. На этом принципе работают не только преобразователи
для измерения магнитных величин, но и некоторые приборы для
анализа состава веществ и материалов, например сахариметры.
Рефрактометры - приборы для измерения показателя
преломления твердых тел, жидкостей и газов. В них используется
явление изменения направления пучка света на границе раздела двух
сред. Эти приборы используются в качестве индикаторов в
хроматографах, в метеорологических приборах специального
назначения, в газовом анализе и т. д.
Гониометры - приборы для угловых измерений - представляют
собой зрительные трубы или лазеры, оптическая ось которых снабжена
отсчетным угловым лимбом. Таким прибором можно измерять углы,
последовательно наводя оптическую ось на два раздельных объекта.
Сюда же можно отнести и оптические дальномеры, использующие
измерения углов наблюдения одного и того же объекта двумя
зрительными трубами.
Измерительные микроскопы представляют собой приборы для
увеличения видимых размеров (или углов наблюдения) различных
объектов и измерения размеров увеличенных деталей. Наиболее
массовыми приборами такого типа являются обычные микроскопы,
снабженные окуляр-микрометром. Это позволяет оценивать размеры
объема при непосредственном наблюдении.
Фотометрические приборы. Термин «фотометрия» образован
от двух греческих слов: «фос»-свети «метрео» - измеряю. В
измерительных приборах, регистрирующих область спектра, видимую
человеческим глазом (λ = 350 - 760 нм) важно не только измерить
энергетические характеристики, но и изготовить прибор таким
образом, чтобы его чувствительность к излучению соответствовала бы
чувствительности человеческого глаза. Такие приборы измеряют
153
оптические величины в оптических единицах, основной из которых
ω
d
dS
dS
является кандела (свеча). Сила света определяется как энергия потока,
видимого человеческим глазом, т. е. механическая энергия, умноженная
на видность глаза, распространяющая в единичном телесном угле, т. е.:
dФ
I = ,
Если сила света выражена в канделах, а телесный угол в
стерадианах, то световой поток выразится в люменах.
Освещенность какой-либо поверхности, перпендикулярной к
направлению распространения света, есть поверхностная плотность
светового потока, т.е.
dФ
E = ,
Связь освещенности и силы света дается фундаментальным
законом фотометрии, гласящем, что освещенность от точечного
источника изменяется обратно пропорционально квадрату
расстояния от источника до освещаемой поверхности, т. е.
I
E
ϕ=ϕCos
2
r
где φ - угол между нормалью к поверхности и направлением
распределения света. Освещенность выражается в люменах. Если
поставлена задача охарактеризовать фотометрические параметры
самосветящегося объекта: нити накаливания лампы, экрана
монитора, колбы люминесцентной лампы и т. д., измерять следует
величину, называемую светимостью:
dMФ
=
где dS - элемент светящейся поверхности. Светимость в оптических
единицах выражается в люменах с квадратного метра (лм/м2).
Распространенной оптической физической величиной,
измеряемой на практике, является яркость. Яркость определяется для
светящегося объекта как сила света единицы поверхности,
перпендикулярной лучу:
154
I
B =
dS
n
Рисунок 57 - К определению яркости: а) самосветящаяся
поверхность; б) поверхность, освещенная сторонним источником
света
Для поверхности, освещенной сторонним источником света,
яркость определяется как отношение освещенности поверхности к
телесному углу опирающемуся на эту поверхность, и имеющему
вершину в точке наблюдения:
E
B
ω=d
Еще одно определение яркости относится к лучу света
безотносительно к тому, является он исходящим от самосветящейся
поверхности или падает на какую-либо поверхность. Яркость
элементарного луча определяется как освещенность, которую он
создает на перпендикулярной к нему поверхности в единичном
телесном угле, который он заполняет:
2
dE
B
d
Фd
==
dSd
ωω
n
В тех случаях, когда создаются приборы, работающие в
инфракрасном или в ультрафиолетовом диапазонах, вместо
оптических единиц используются механические единицы, т. е.
мощность измеряется в ваттах, энергетическая освещенность - в
ваттах на квадратный метр, энергетическая сила света - в ваттах на
стерадиан, энергетическая яркость - в ваттах на метр квадратный на
стерадиан. Связь между относительными фотометрическими
155
единицами осуществляется использованием понятия механического
эквивалента света и функции видимости человеческого глаза.
Механический эквивалент света есть мощность светового потока на
длине волны 555 мкм, равная 1 Ватту механической энергии. В
оптических единицах эта мощность равна 683 люмена, т. е.
1 Ватт = 683 лм (λ = 555 нм)
К = 683 лм/ватт (λ = 555 нм)
В приборах для измерения силы света - свечемерах —
используется закон измерения освещенности в зависимости от
расстояния. В этом случае сила света какого-либо источника
измеряется сравнением (компарированием освещенности,
создаваемой этим источником с освещенностью, создаваемой
источником, с известной силой света I1). Схема подобного прибора
представлена на рис. 58
Рисунок 58 - Оптическая схема свечемера:
ФП - фотоприемник; Л1 - эталонная лампа;
Л2 — измеряемая лампа; D — диафрагмы; Э — черные экраны
Перемещением экрана и лампы добиваются равенства
сигналов с фотоприемника при освещении обеими лампами. Затем
измеряют расстояние r1 и г2, соответствующие этому положению.
Сила света источника I2 находится из очевидного равенства:
2
r
2
II
= .
12
r
1
Существует большое количество вариантов этого метода как
по компарированию ламп с различным спектральным составом
излучения, так и с различными интенсивностями. Вместо
156
фотоприемника часто используют визуальное устройство, равенство
⋅=∆⋅=∆=
ω
освещенностей фиксируют без измерений фототоков.
Тот же самый принцип в отношении измерения силы света
мощных источников или при большом расстоянии от источника
света до фотоприемника реализован в так называемом
телеметрическом методе. Сущность этого метода основана на
выделении и измерении светового потока ∆Ф,
распространяющегося от источника в пределах малого телесного
угла ∆ω и определения таким образом силы света в
соответствующем направлении. Рисунок 59 поясняет сущность
телеметрического метода.
Излучение источника И, силу света которого надо
определить, падает на положительную линзу Л, оптическая ось
которой совпадает с направлением измеряемой силы света. В
фокальной плоскости F устанавливается Диафрагма D с площадью
отверстия S, равной δ. Телесный угол, в пределах которого лучи,
падающие на линзу Л, достигнут фотоэлемента, равен ∆ω = δ/f2, где f
- фокусное расстояние линзы. Фототок в цепи фотоэлемента
должен быть пропорционален световому потоку ∆Ф, используемому
в пределах постоянного для данного прибора телесного угла ∆ω. В
этом случае фототок равен
IKСIФCi
,
где К - постоянный коэффициент, I - искомая сила света.
Коэффициент К определяется при градуировке, и шкала
электроизмерительного прибора комбинируется непосредственно в
единицах силы света - в канделах или в ваттах на стерадиан.
Рисунок 59 - Телецентрический метод измерения силы света: И -
источник света, ∆ω - телесный угол наблюдения; D - диафрагма, ФЭ
- фотоэлемент; ИП - электроизмерительный прибор
157
ρ
Для измерения светового потока проводят измерения
освещенности внутренней поверхности белого матового шара. Если
в фотометрическом шаре между источником света, поток от
которого нужно измерить, и фотоприемником установить экран Э,
то освещенность в точке расположения фотоприемника
пропорциональна полному световому потоку:
E =⋅
=
−
где ρ — коэффициент отражения внутренней поверхности шара; г радиус шара; а - фотометрическая константа шара - коэффициент
пропорциональности между величиной светового потока от
источника и освещенностью поверхности фотоприемника. В
большинстве практических случаев коэффициент а определяется
экспериментально измерениями светового потока источника с известными
значениями полного светового потока.
Измерители освещенности - люксметры - являются наиболее
массовыми оптическими приборами, используемыми на практике. Именно
этими приборами контролируется уровень освещенности во всех случаях
- в помещении, на улице, при выполнении каких-либо технологических
измерений и т. д.
Люксметры являются наиболее простыми из фотометрических
приборов. Фотоэлектрические люксметры состоят, как правило, из
фотоэлемента и чувствительного электроизмерительного прибора.
Необходимым условием правильности показаний люксметра является
соответствие спектральной чувствительности фотоприемника функции
видимости человеческого глаза, т. е. максимальная чувствительность
должна быть в желто-зеленой области со спадом в ультрафиолетовую (до
380 нм) область и в инфракрасную (более 760 нм) область. Поскольку
площадь фотоприемника строго фиксирована, сигнал с него
пропорционален освещенности, и шкала прибора, соответственно, может
быть проградуирована в люксах.
При создании фотометров для измерения энергетической
освещенности в ультрафиолетовой или в инфракрасной областях
устанавливаются светофильтры, выделяющие определенный участок
спектра излучения. Например, в переносных фотометрах отечественной
Ф
41
πρ
aФ
2
r
,
158
фирмы ТКА есть вариант установки светофильтров трех поддиапазонов
ультрафиолетового излучения: так называемая зона А от 400 нм до 314 нм,
зона В с диапазоном от 314 до 280 нм и зона С с диапазоном от 280 до 200
нм.
Приборы для измерений энергетических потоков в инфракрасной
области называют радиометрами, поскольку они, как правило, измеряют
суммарный поток инфракрасного излучения. Поскольку связь общей
энергии теплового излучения с температурой дается законом СтефанаБольцмана, показания спектрофотометров зависят от того, какой источник
света освещает данный объект. В большинстве случаев приборы
градуируются для освещения лампами накаливания (т. н. источник типа А).
Если объект освещен другими типами источников, например
люминесцентными или ртутными дуговыми лампами, то показания по
шкале люксметра можно скорректировать с помощью поправочного
коэффициента N, на который нужно умножить результат, чтобы найти
правильное значение измеряемой освещенности. Значения поправочного
коэффициента N для наиболее часто используемых источников света
приведены в табл. 8.
Таблица 8 - Поправочные коэффициенты для измерения
энергетических потоков источников света с различными
цветовыми температурам
Цветовая
температура
источника света, К
2360 2856 3100 3250 3400 4800 5800
Поправочный
коэффициент, N
1,003 1,00 0,99 0,975 0,973 0,843 0,78
Для измерения яркости необходимо измерить энергию
светового пучка, ограниченного двумя диафрагмами. Для этого
яркомер содержит, как правило, ахроматический объектив,
проецирующий изображение объекта в плоскость диафрагмы D, за
которой устанавливают фотоприемник. Схема яркомера приведена на
рис. 60.
159
Рисунок 60 - Оптическая схема яркомера
Прибор, построенный по этой схеме, реагирует на световой
поток, исходящий с поверхности определяемого размера dS под
определенным углом dω. Следовательно, регистрируемый фототок
будет пропорционален яркости объекта, и прибор может быть
проградуирован в единицах яркости. На практике яркомеры имеют
визирное устройство, позволяющее видеть глазом тот участок
поверхности, яркость которого измеряется.
При измерении яркости протяженных самосветящихся объектов
можно воспользоваться прибором для измерения освещенности люксметром, расположив его непосредственно на светящейся
поверхности. В этом случае фотоприемник соберет все излучение
объекта, исходящее в телесном угле в 2π стерадиан, а яркость
самосветящейся поверхности будет отличаться от освещенности на 2π,
т.е.
E
B
,
π=2
Этим способом часто пользуют на практике. Существуют также
промежуточные приборы, проградуированные в единицах яркости, хотя
по своей схеме они идентичны обычным люксметрам.
Спектральные измерительные приборы Общие сведения.
Спектральные измерительные приборы - спектрофотометры - являются
приборами для измерения фотометрических величин оптического
излучения с разложением в спектр, т. е. с разложением по длинам волн.
Существует огромное количество спектральных измерительных приборов, в
которых для регистрации используются не только различные устройства для
получения спектров, но и различные принципы. Прежде всего необходимо
выделить два больших класса спектральных приборов, разделяемых по
160
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]