Відмінності між версіями «Фотометр інтегральний ФІ-2»

Поточна версія на 17:51, 23 травня 2017

Роботу виконала: Боса Тетяна, студентка 31 групи, фізико-математичного факультету.Користувач:3421865

Загальний опис (принцип дії)

Фотометр - прилад для вимірювання будь-яких з фотометричних величин, частіше за інших - однієї або декількох світлових величин. При використанні фотометра здійснюють певний просторове обмеження потоку випромінювання і реєстрацію його приймачем випромінювання із заданою спектральною чутливістю. Освітленість вимірюють люксметрами, яскравість - яскравомірами, світловий потік і світлову енергію - за допомогою фотометра інтегруючого. Прилади для вимірювання кольору об'єкта називають колориметрами. Якщо в якості приймача використовується очей, фотометри називаються візуальними, або зоровими, якщо ж застосовується який-небудь фізичний приймач, фотометри називаються фізичними. Оптичний блок фотометра, іноді званий фотометричної головкою, містить лінзи, світлорозсіюючі пластинки, ослабители світла, світлофільтри, діафрагми і приймач випромінювання.

Найчастіше в фотометрах з фізичними приймачами потік випромінювання перетвориться в електричний сигнал, який реєструється пристроями типу мікроамперметра, вольтметра і т. Д. В імпульсних фотометрах застосовують самописці типу електрометрії, що запам'ятовує осцилографа, пікового вольтметра. У візуальному фотометрі рівність яркостей двох полів порівняння, освітлюваних окремо порівнюваними світловими потоками, встановлюється оком, який розташовується у окуляра фотометричної головки.

Фотометри знаходять широке застосування в лабораторній практиці. Наприклад, за допомогою фотометров можна визначати спектр зразків, що дозволяє встановити їх хімічний склад. Особливий клас цих приладів - полум'яні фотометри - призначений для виявлення в зразках наявності лужних металів (літій, натрій, калій). Для цього зразок спалюється при високій температурі, а аналіз спектра полум'я за допомогою фотометра дозволяє виявити наявність лужних металів в зразку. Вирішити цю задачу іншими способами набагато важче. В сучасних фотометрах світлове випромінювання зазвичай перетворюється в електричні імпульси, які реєструються за принципом вольтметра і амперметра і потім перетворюються в комп'ютерний формат.

Метод фотометрії - один з найпоширеніших і затребуваних методів хімічного аналізу. На фотометрі реалізується чи не половина всіх наявних методик.[1]

Фотометр Інтегральний ФІ-2

При проведенні дослідів з різними джерелами випромінюванн виникає необхідність вимірювання інтенсивності світлового потоку. Дуже часто запроваджувані у фізичному експеременті прилади (фотометри, фотоелементи, фотодіоди) не забезпечують необхідної якості та точності вимірювань. Оптичні фотомети, як наприклад фотометр Люм'єра-Бродхуна, не дають змогу отримати кількісні результати, а фотоелементи та фотодіоди у поєднанні з електровимірювальними приладами хоча й дають таку можливість та не забезпечують відносної чутливості. Тому виникає потреба створення приладу, який забезпечував би достатню чутлвість, водночас був компактним, практичним, з автономним джерелом живлення та відповідав санітарно-гігієнічним, технологічним та ергономічним нормам.

На базі Наукового центру розробки засобів навчання, який працює на кафедрі фізикита методики її викладання КДПУ ім. В. Винниченка був створений такий прилад - фотометр інтегральний ФІ-2. Данй прилад показав себе досить зручним, надійнимта необхідним при проведенні досліджень з вимірювання енергії світлового випромінювання, яка припадає на одиницю площі.

Фотометр інтегральний є перетворювачем "світловий потік-напруга" і може одночасно бути використаний для вимірювання потужності неперервного випромінювання He-Ne лазера (λ=0,63 мкм), а також для вимірювання потужності некогерентного випромінювання джерел у видимій та ближній інфрачарвоній ділянці спектра. Дякуючи наявності вузької діаграми спрямованості, прилад може бути використанийдля вимірювання локальної яскравості просторових джерел.

Якщо додатково визначити за еталонним вимірювачем залежний від довжини хвилі коефіцієнт перетворення, то прилад може бути ефективно використаний для абсолютних вимірювань потужностіонохроматичного випромінювання будь-якої іншої довжини хвилі в межах чутливості вмонтованих приймачів. Поряд з цим зазначимо, що фотометр може бути використаний для вирішення багатьох науково-дослідний та навчальний завдань, повязаний з оптичними вимірюваннями у лабораторних та польових умовах і одночасно для вимірювання величин струмів, напруг, опорів, що дуже часто є необхідним в лабораторній практиці під часвиконання різноманітних фізичних і технічних досліджень.

Чутливість приладу до світла одержується як виважена сума впливів світлових потоків у залежності від спектрального їх складу та напрямку поширення. Тому випромінювання потужності світловго потоку в абсолютних одиницях можливе при фіксуванні напрямку поширення і довжини хвилі. В іншихвипадках вимірювання здійснюються у відносних одиницях.

При вимірюванні освітленості (потужності світлового потоку) прилад може працювати у двох режимах: з вузькою діаграмою спрямованості і широкою (рис.1). Під діаграмою спрямованості (ДС) мається на увазі залежність коефіцієнта перетворення "світловий потік - напруга" від напрямку на віддалене точкове джерело світла.

Рис.1 Діаграма спрямованої чутливості фотометра.

Під діаграмою спрямованості (ДС) мається на увазі залежність коефіцієнта перетворення "світловий потік-напруга" від напрямку на віддалене точкове джерело світла.

Вузька ДС формується встановленням приймальної площадки фотодіода у фокусі лінзи, при цьому розкриття ДС (ширина її на рівні половини коефіцієнта перетворення відносно максимального його значення) дорівнює 2:

2υ=L/F

де L-розмірфотоплощадки діода у відповідній лощині-вертикальній або горизонтальній, F-фокусна відстаньлінзи. Діафрагматування діючого поля, а також вибором фокусної відстані можна змінювати розкриття діаграми спрямованості в широкихмежах від часток до десятків градусів.

При необхідності одержатишироку діаграму спрямованості в даному приладі використовується інтегрування занапрямком світлового потоку, яке здійснюється ідеальним (Ламбертовським) розсіювачем. Недолік останього - низький ККД, але при наявному запасі підсилення він суттєвий. У даному приладі використано саме цей спосіб.

З метою центрування вхідних отворів приладу в обох режимах фотодіоди розташовані на одній оптичній вісі: перший-у фокусі, а другий закріплено безпосередньо в площині лінзи, для чого в центрі лінзи просвердлено посадкове заглиблення, стінки якого відшліфовані. Збільшення ширини діаграми спрямованостізабезпечується трьома елементами: передньо сферичною поверхнею лінзи, шліфованою поверхнею заглиблення та лінзо фотодіода.

Вибір діаграми здійснюється комутацією вхідних кіл перетворювача "струм-напруга" без зміни положення приладу відносно джерела випромінювання. Світловий потік, що досягає приймальної площини фотодіода, викликає в останьому електричний струм, пропорційний освітленості. Реакціяна освітленість залежить від спектрального складу діючого випромінювання і від діаграми спрямованості в кожному з каналів. Абсолютній чутливості до світла в двох каналах відрізняються, бо діаграма спрямованості формується елементами з різними діючими апертурами. У випадку стандартизації світлового потоку (наприклад, лазерне випромінювання) може бути визначена і абсолютна чутливість в обох каналах до цього випромінювання - внаслідок порівняння з реакцією стандартного вимірювача. Урозробленому приладі чутливість нормована і складає 100 мВ/мВт для вимірювання He-Ne лазера з λ=0,63 мкм. Точність вимірювання потужності монохроматичного випромінювання обмежена похибками установки оптичної вісі приладу відностно напрямку поширння вмонтованого еталону, за допомоги якого проводилося градуювання приладу.

Відносна напруга фотометра пропорційна світловому потоку, який досягає поверхні фотодіода, аж до величини, при яких підсилювач"струм-напруга" насичується. Після досягнення рівня насичення вихідний сигнал відповідає струмунасичення вихідногокаскаду підсилювача, який, у свою чергу, залежить віднапруги джерела живлення.

Рис.2 Електрична схема фотометра

У приладі вмонтованеджерело живлення. Прилад не має елементів та функцій, що являють небезпеку для обслуговуючого персоналу. Електрична схема фотометра подана на рисунку 2.

Прилад складається з блока вимірювання (БВ1) та блока індикації (БВ2), з'єднаних між собою. Упершому вмонтовані формувачі просторової діаграми спрямованості та два фотодіода (ФД), перетворювач струму-напруга (ПНС), джерело живлення 9 В і комутатори рижимів роботи. Блок індикації являє собою переносний багатодіапазонний цифровий вольтметр з автономнимживленням. В основу роботи приладу закладенопринцип перетворення енергії світлового потоку в напругу постійного струму з відомим коефіцієнтом претворення з подальшим вимірюванням величини напруи. Як перетворувач срум-напруга використовується прецезійний МДМ - перетворювач на операційному підсилювачі типу LMC 6061, що дозволяє вимірювати струми до 10^(-14) А одночасно від чотирьох джерел.

Рис. 3 Загальний вигляд фотометра інтегрального ФІ-2

Прилад має такі органи керування:

1. Вимикач внутрішнього джерела живлення 9 В, тумблер розташований на панелі приладу.
2. Перемикач діаграми спрямованості.
3. Перемикач розмірності вихідного сигналу, призначений для встановлення режиму "Вимірювання потужності He-Ne лазера у ватах", або режиму вимірювання інтенсивності в довільних одиницях.
4. Перемикач чутливості приладу: в положенні "10^3" повзунка перемикача чутливість зростає в 1000 разів.
5. З'єднання з блоком індикації.

Загальний виглад примаду зображений на рисунку 3.

[Величко С.П., Сірик Е.П. Нове навчальне обладнання для спектральних досліджень: посібник для студ. фіз..-мат. фак-тів пед. вищих навч. закладів. 2-е вид., перер.-Кіровоград: ТОВ «Імекс ЛТД», 2006.- 202с.]

Історична довідка

Прилад Фотометр інтегральний ФІ-2 розроблений, виготовлений та опробований на базі наукового центру розробки засобів навчання НАПН України, який працює на кафедрі фізик та методики її викладання ЦДПУ(КДПУ) ім. Володимира Винниченка під керівництвом д.п.н. професора Величка С. П. У розробці даного приладу приймали участь завідувач кафедри, професор, доктор педагогічних наук, Заслужений діяч науки і техніки України, Керівник наукового центру розробки засобів навчання Інституту ІТЗН НАПН України в Кіровоградському державному педагогічному університеті імені Володимира Винниченка, Величко Степан Петрович та кандидат педагогічних наук, доцент Сірик Едуард Петрович

Технічні характеристики

Технічні характеристики фотометра

1. Область спектральної чутливості, мкм

                                                                                                  0,4-1,0

2. Діапазон вимірювання потужності монохроматичного випромінювання, мкВт,

                                                                         *для множника х1         5х10^4 - 50
                                                                         *для множника х1000      50 - 5х10^(-2)

3.Час встановлення вихідного сигналу до рівня 95%, мс, не більше

                                                                                                  0,5

4.Коефіцієнт перетворення для осьового пучка, потужність світлового потоку/напруга, λ=0,63 мкм, мВт/В

                                                                         *для перемикача х1	   10
                                                                         *для перемикача xlOOO	   10^(-2)

5.Коефіцієнт перетворення фотострум/напруга, А/В

                                                                         *для перемикача х1	   10^3
                                                                         *для перемикача xlOOO	   10^6

6.Ширина діаграми спрямованості на рівні 0,5, градуси

                                                                         *вузька, не більше	   4
                                                                         *широка, не менше	   60

7.Точність вимірювання потужності лазерного випромінювання, %

                                                                                                  ±10

8.Відтворюваність значення вимірюваної величини, % плюс одиниця останнього розряду

                                                                                                  ±1

9.Напруга джерела живлення, В

                                                                                                  9

10.Струм споживання, мА, не більше

                                                                                                  2,5

11.Габарити, мм,

                                                                         *блок 1                  42х95х130
                                                                         *блок 2                  25х65х125

12. Маса, кг, не більше

                                                                                                  0,5

Сфера застосування

На базі Наукового центру розробки засобів навчання, який працює на кафедрі фізики та методики її викладання ЦДПУ(КДПУ) ім. В. Винниченка був створений такий прилад - Фотометр інтегральний ФІ-2. Даний прилад показав себе досить зручним, надійним та необхідним при проведенні досліджень звимірювання енергії світлового випромірнювання, яка припадає на одиницю площі.

Використання даного приладу у поєднанні з ціфровими вимірювальними пристроями дає змогу отримати достовірні та реальні результати, оцінити якісно та, що більш важливо, кількісно досліджувані явища, пов'язані з розподілом та поширенням світлової енергії. Тому даний прилад використовують на лабараторно-практичих заннятях з фізики.

Фото, відео-матеріали

Список використаних джерел

1. Вікіпедія:Фотометр
2. Величко С.П., Сірик Е.П. Нове навчальне обладнання для спектральних досліджень: посібник для студ. фіз..-мат. фак-тів пед. вищих навч. закладів. 2-е вид., перер.-Кіровоград: ТОВ «Імекс ЛТД», 2006.- 202с.