Модуляционный радиометр инфракрасного излучения

Модуляционный радиометр инфракрасного излучения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, предназначено для измерения теплового радиоизлучения и может быть использовано в медицине, в таких областях как офтальмология, камбустиология, онкология, а также при исследовании физических свойств материалов и сред.

В настоящее время радиометры теплового радиоизлучения нашли применение при проведении медикобиологических исследований и при лабораторных исследованиях физических и химических свойств различных материалов и сред в тех случаях, когда необходимо исключение влияния на результаты измерений колебаний температуры окружающей среды.

Необходимость разработки радиометров теплового радиоизлучения, позволяющих измерять температуру человека с высокой точностью, обусловлена тем, что различные устойчивые изменения температурного профиля человека часто предшествуют клиническим проявлениям патологического процесса и, следовательно, являются показателями для ранней диагностики. Перспективность применения радиометров инфракрасного излучения подтверждается практикой их использования при медикобиологических исследованиях, при профилактических осмотрах населения, при оценке эффективности и выборе тактики лечения и определения сроков выздоровления.

В дальнейшем в настоящем описании использован термин «объект» для обозначения любого объекта, температуру которого необходимо измерить, включая человека, материал, среду, вещество и т.д.

Для модуляционных радиометров, которые являются достаточно простыми в технической реализации и надежными приборами для неинвазионных измерений, характерна высокая точность в широком диапазоне измеряемых температур, обусловленная слабым влиянием на результат измерений аномальных флюктуаций коэффициента усиления. Принципиальная схема модуляционных радиометров позволяет создать малогабаритные портативные приборы для проведения лабораторных и медицинских исследований на расстоянии (20-40) мм от объекта.

Модуляционный принцип измерения предусматривает формирование выходного сигнала, пропорционального разнице величин, одна из которых пропорциональна температуре объекта, а вторая, опорная величина, пропорциональная температуре эталонного излучателя. В модуляционных радиометрах инфракрасного излучения за эталонное излучение принимается излучение, пропорциональное температуре оптомеханического модулятора, установленного между оптической системой и приемником теплового излучения и предназначенного для снижения аномальных флюктуации коэффициента усиления сигнала в системе его обработки путем амплитудной модуляции теплового излучения и переноса сигнальной функции в область более высоких частот.

Для обеспечения высокой точности измерения температуру эталонного излучателя необходимо поддерживать неизменной или производить ее постоянное прецезионное измерение. Ввиду того, что в рабочем режиме радиометра модулятор находится в постоянном движении, применяются технические средства, позволяющие проводить косвенное измерение его температуры. В одних радиометрах для этих целей модулятор помещают в термостат, в котором поддерживается постоянная известная температура на протяжении всей работы радиометра (например, А.В.Афанасьев и др., Приборы и техника эксперимента, 2001, №2, с.156), в других радиометрах используют полупроводниковые датчики, установленные в области, максимально приближенной к модулятору (например, US 4634294, 1987.01.06). К недостаткам радиометров с термостатированием следует отнести достаточную громоздкость термостатов, а недостатки радиометров с использованием датчиков связаны с возможным несовпадением температур датчика и модулятора, что влияет на точность измерений.

Основными элементами модуляционного радиометра являются установленная на входе радиометра оптическая система, приемник теплового излучения, модулятор, система обработки принятого сигнала и, в ряде конструкций, источник эталонного излучения (например, RU 2172476 С1, 2001.08.20). Модулятор предназначен для прямоугольной модуляции входного излучения и представляет собой, как правило, насаженный на вал электродвигателя диск с поглощающим покрытием, обеспечивающим амплитудную модуляцию принимаемого излучения с глубиной, близкой к 100%. Диски с поглощающим покрытием не вызывают переотражения излучения в корпусе радиометра, что способствует повышению точности измерений. Система обработки формирует выходной сигнал, пропорциональный разности мощностей тепловых излучений объекта и теплового излучения модулятора.

Основной задачей, на решение которой направлены усовершенствования радиометров, является повышение точности измерений за счет снижения влияния температуры окружающей среды на измеряемую температуру объекта и снижения влияния температурных изменений элементов конструкций радиометров.

Известны модуляционные радиометры инфракрасного излучения, в которых для снижения влияния температуры окружающей среды на измеряемый параметр и компенсации влияния на результат измерений излучений от посторонних объектов использованы два измерительных канала, на вход одного из которых (сигнального) поступает тепловое излучение от объекта и окружающей среды, а на вход другого (опорного) - только тепловое излучение окружающей среды. Система обработки выходных сигналов обоих каналов призвана выделить сигнал, соответствующий только температуре объекта.

Известны усовершенствования различных элементов радиометров, повышающие точность измерений.

Для компенсации паразитного нагрева элементов оптической системы известно использование в опорном канале трубки оптической системы со специальными отверстиями, находящимися вне апертуры окна опорного канала (RU 2215269 С1, 2002.05.06) и оптически связанными с излучением сигнального канала. При последующем вычитании сигналов опорного и сигнального каналов осуществляется учет паразитного нагрева трубки оптической системы.

Известны устройства для измерения температуры исследуемого объекта, в которых для снижения влияния температуры окружающей среды на измеряемый параметр используют прием визирования радиометра на объект через непосредственно подведенные к исследуемому объекту визирные трубы (например, Ф.Линевег. Измерение температур в технике. Справочник. М.: Металлургия, 1980 г.), прием геометрического ограничения апертур приемных окон сигнального и опорного каналов (например, US 5188458, 1993.02.23).

Ближайшим аналогом заявляемого радиометра является радиометр, известный по статье А.В Афанасьев и др., Приборы и техника эксперимента, 2003, №1, 149. Радиометр содержит сигнальный и опорный каналы, в каждый из которых входит оптическая система и оптоэлектронный преобразователь с приемником излучения, при этом выходы каналов подключены к микропроцессору. Модулятор установлен между оптическими системами каналов и приемниками излучения и помещен в термостат. Микропроцессор включает аналого-цифровой преобразователь с блоком вычитания для выделения сигнала, пропорционального разности мощностей тепловых излучений в сигнальном и опорном каналах.

Недостатком этого радиометра, как и других известных радиометров с термостатами, является наличие в конструкции термостата, имеющего большие габариты и потребляющего большое количество энергии. Другим недостатком является влияние на точность измерения температурных изменений оптической системы радиометров.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции при повышении точности измерений за счет устранения из конструкции радиометра термостата и за счет снижения влияния на результаты измерений изменений температуры оптической системы.

Технический результат выражается в упрощении конструкции при повышении точности измерений за счет изменения положения модулятора и изменения алгоритма обработки сигналов в соответствии с конструктивными изменениями радиометра. Достигнутый технический результат позволяет реализовать компактный портативный радиометр для медикобиологических и лабораторных исследований.

В соответствии с изобретением модуляционный радиометр инфракрасного излучения, включающий, как и известный, модулятор излучения, оптически связанный с сигнальным и опорным каналами, каждый из которых содержит оптическую систему и оптоэлектронный преобразователь, а также соединенный с выходами каналов микропроцессор, включающий блок определения разности мощностей тепловых излучений в сигнальном и опорном каналах, характеризуется тем, что в него введены источник опорного излучения и блок суммирования, при этом модулятор установлен перед оптическими системами сигнального и опорного каналов, источник опорного излучения оптически связан с опорным каналом, а выход микропроцессора подключен к первому входу блока суммирования, второй вход которого соединен с опорным источником излучения.

Целесообразно в опорном канале источник опорного излучения установить перед модулятором.

В качестве модулятора целесообразно использовать обтюратор.

При этом для повышения точности измерений обтюратор со стороны, обращенной к входному окну, желательно выполнить с отражающей излучение поверхностью, а с другой стороны - с поверхностью, поглощающей тепловое излучение.

Целесообразно источник опорного излучения установить так, чтобы в плоскости поперечного сечения сигнального и опорного каналов потоки излучений имели одинаковую площадь.

Для этих целей источник опорного излучения можно закрепить в плоскости, проходящей через входное окно, или ввести диафрагму, ограничивающую поток излучения в сигнальном канале в плоскости, проходящей через апертуру источника опорного излучения.

Установка модулятора перед оптической системой повышает точность измерений в радиометре за счет снижения влияния на результаты измерений изменений температуры оптической системы. В заявляемом радиометре, в отличие от известных, излучение, поступающее на оптоэлектронные преобразователи в сигнальном и опорном каналах, не содержит составляющих собственного излучения оптических систем на частоте модуляции, т.е. исключено влияние собственных шумов оптических систем на результаты измерения.

В то же время вынесение модулятора на вход радиометра делает его более подверженным влиянию колебаниям температуры внешней среды и температуры исследуемого объекта. Для компенсации этих изменений температуры модулятора используется источник опорного сигнала, излучение которого является входным излучением для сигнального канала радиометра. Излучение опорного источника подвергается амплитудной модуляции, которая при дальнейшей обработке позволяет скомпенсировать разность температур модулятора и температурного эквивалента излучения, формируемого опорным источником. Компенсация измерений тем выше, чем симметричнее сигнальный и опорный каналы относительно поступающих на их вход излучений. Это требует расположения источника опорного сигнала перед модулятором и, желательно, одинаковой площади поперечного сечения тепловых потоков, поступающих на оптоэлектронные преобразователи обоих каналов. Следует отметить также, что желательно использовать источник опорного излучения, излучательная способность которого эквивалентна излучательной способности поверхности модулятора, обращенной к опорному каналу. В противном случае при обработке необходимо учитывать показатель излучательной способности источника опорного излучения.

На фиг.1 представлена схема радиометра, на фиг.2 приведено напряжение на выходах отдельных блоков радиометра.

Радиометр содержит расположенные в корпусе 1 с входным окном 2 модулятор 3 излучения, сигнальный и опорный каналы 4 и 5 соответственно, источник 6 опорного излучения, микропроцессор 7, блок 8 суммирования и регистратор 9.

Модулятор 3 оптически сопряжен со входами сигнального и опорного каналов 4 и 5. Канал 4 содержит оптическую систему 10 и оптоэлектронный преобразователь 11, а канал 5 содержит оптическую систему 12 и оптоэлектронный преобразователь 13.

Оптоэлектронные преобразователи 11 и 13 могут быть выполнены по любой известной схеме, например по схемам, представленным в статье «Инфракрасный пирометр для контроля температуры материалов в вакуумных установках», Приборы и техника эксперимента, 2001 г., №2, стр.156 или в книге Аксененко М.Д. и др. «Приемники оптического излучения», 1987 г., стр.273. Микропроцессор 7 может быть выполнен в виде устройства, известного по схеме, приведенной в журнале Приборы и техника эксперимента, 2001 г., №2, стр.157, или в виде микропроцессорного каскада, известного по US 4634294, 1987.01.06.

В простейшем варианте исполнения радиометра микропроцессор 7 включает синхронные детекторы 14 и 15, подключенные в выходам сигнального и опорного каналов 4 и 5 соответственно, и блок 16 вычитания, соединенный с выходами детекторов 14 и 15. Выход блока 16 микропроцессора 7 соединен с первым входом блока 8 суммирования, второй вход которого соединен с источником 6 опорного излучения, который установлен так, что модулятор 3 находится между источником 6 и оптической системой 12.

В качестве модулятора 3 может быть использовано любое устройство, позволяющее периодически прерывать поток излучения на входе, например вращающиеся диски с одним или несколькими отверстиями (обтюраторы), растры, колеблющиеся или вращающиеся заслонки, зеркала, призмы. Однако наиболее целесообразно использовать в качестве модулятора 3 обтюратор с двумя секторными вырезами. Обращенная к входному окну поверхность обтюратора выполнена отражающей излучение, а поверхность, обращенная к оптической системе, выполнена поглощающей тепловое излучение. Использование в качестве модулятора такого обтюратора не только упрощает конструкцию радиометра, но и способствует более высокой точности измерений.

Для снижения влияния температуры внешней среды и колебаний температуры модулятора на результаты измерений источник 6 опорного излучения установлен так, что на входы оптических систем 10 и 12 сигнального и опорного каналов 4 и 5 соответственно поступают потоки излучения с одинаковой площадью в плоскости поперечного сечения. Это можно реализовать различными путями. В приведенной схеме радиометра источник 6 опорного излучения закреплен на стенке корпуса 1 так, что его апертура лежит в плоскости, проходящей через входное окно 2. Можно ввести диафрагму, ограничивающую поток излучения в сигнальном канале 4, и установить ее перед оптической системой сигнального канала 4 в плоскости, проходящей через апертуру источника 6, при этом источник 6 может быть установлен внутри корпуса 1 на любом расстоянии от его стенки опорного излучения (схема не приведена).

Для повышения точности измерений целесообразно использовать систему, обеспечивающую такой тепловой контакт элементов сигнального и опорного каналов 4 и 5, что их температуры Т одинаковы. В частном случае для выравнивания температур можно использовать систему, известную по RU 2215269 С1, 2002.05.06.

Радиометр работает следующим образом.

На вход сигнального канала 4 радиометра поступает тепловое излучение мощностью, пропорциональной температуре Т_х исследуемого объекта, а на вход опорного канала 5 - излучение с эквивалентной температурой Т_о, формируемое источником 6 опорного излучения.

Модулятор 3, имеющий температуру Т_м, периодически прерывает поступление на входы сигнального и опорного каналов 4 и 5 излучения объекта и излучения источника 6, модулируя их интенсивность с периодом модуляции Δt_м по закону меандра. Вследствие модуляции в канале 4 в течение первого полупериода мощность излучения пропорциональна Т_вхс1=Т_х+Т, а в течение второго полупериода - Т_вхc2=T_м+T; в канале 5 в течение первого полупериода мощность излучения пропорциональна Т_вхо1=Т_о+Т, а в течение второго полупериода - Т_{вх o2}=Т_м+Т.

Напряжение U₁ на выходе оптоэлектронного преобразователя 11 канала 4 имеет вид меандра (фиг.2а), максимальное значение которого пропорционально измеряемой температуре Т_х+Т, а минимальное - температуре Т_м+Т. На выходе оптоэлектронного преобразователя 13 канала 5 напряжение U₂ (фиг.2б) соответственно имеет максимальное значение, пропорциональное Т_м+Т, и минимальное значение, пропорциональное Т_о+Т.

Напряжения U₁ и U₂, подаваемые на входы синхронных детекторов 14 и 15, преобразуются ими в напряжения U₃ и U₄ (фиг.2в) соответственно. Напряжение U₃ на выходе синхронного детектора 14 пропорционально Т_х-Т_м, а напряжение U₄ на выходе синхронного детектора 15 пропорционально Т_о-Т_м.

Блок 16 вычитания, на входы которого поступают напряжения U₃ и U₄, формирует напряжение U₅, пропорциональное температуре Т_х-Т_о (фиг.2 г). С выхода блока 16 вычитания напряжение U₅ подается на первый вход блока 8 суммирования, на второй вход которого подается напряжение U_o источника 6 опорного излучения, эквивалентное температуре Т_о (фиг.2д). Напряжение U₆ на выходе блока 8, пропорциональное температуре Т_х исследуемого объекта (фиг.2е), поступает на регистратор 9.

Таким образом, в заявляемом радиометре за счет изменения положения модулятора и новой обработки информации, поступающей на входы сигнального и опорного каналов, исключается влияние на результаты измерений изменений температуры оптической системы, поскольку на выходе блока 8 суммирования отсутствуют составляющие собственного излучения оптических систем на частоте модуляции.

Заявляемая конструкция не требует использования в радиометре термостатов, что позволяет реализовать компактный портативный радиометр, удобный при проведении медикобиологических и лабораторных исследований.

1. Модуляционный радиометр инфракрасного излучения, включающий сигнальный и опорный каналы, каждый из которых содержит оптическую систему и оптоэлектронный преобразователь, а также оптически связанный с сигнальным и опорным каналами модулятор излучения и соединенный с выходами каналов микропроцессор, включающий блок определения разности мощностей тепловых излучений в сигнальном и опорном каналах, отличающийся тем, что в него введен источник опорного излучения и блок суммирования, при этом модулятор установлен перед оптической системой, источник опорного излучения оптически связан с опорным каналом, а выход микропроцессора подключен к первому входу блока суммирования, второй вход которого соединен с опорным источником излучения.

2. Радиометр по п.1, отличающийся тем, что в опорном канале модулятор расположен между источником опорного излучения и оптической системой.

3. Радиометр по п.1, отличающийся тем, что в качестве модулятора использован обтюратор.

4. Радиометр по п.3, отличающийся тем, что обтюратор со стороны, обращенной к входному окну, выполнен с отражающей излучение поверхностью, а с другой стороны - с поверхностью, поглощающей тепловое излучение.

5. Радиометр по п.2, отличающийся тем, что источник опорного излучения установлен так, что в плоскости поперечного сечения сигнального и опорного каналов потоки излучений имеют одинаковую площадь.

6. Радиометр по п.5, отличающийся тем, что источник опорного излучения закреплен в плоскости, проходящей через входное окно.

7. Радиометр по п.5, отличающийся тем, что в него введена диафрагма, установленная перед оптической системой сигнального канала, ограничивающей поток излучения в сигнальном канале в плоскости, проходящей через апертуру источника опорного излучения.