Основные характеристики измерительных оптических приборов. Оптические измерительные приборы

С помощью оптических приборов, дающих действительное изображение предмета и имеющих в плоскости изображений пластинки с делениями или перекрестием можно производить измерения двояким путем.

1. Оптическая система вместе с жестко связанной с ней штриховой пластинкой может перемещаться относительно предмета. Точность визирования в основном обуславливается увеличением, даваемым микроскопом. Величина перемещения является измеряемой величиной размера. Погрешность при измерении входит целиком в результат измерения.

2. Оптическая система неподвижна. Штриховая система либо перемещается в плоскости изображения предмета относительно самого изображения, либо имеет шкалу. Средством измерения является оптическая система. Точность визирования (контакта) с измеряемой поверхностью та же, что и в первом случае. Величина перемещения штриховой пластинки соответствует размерам действительного изображения. Следовательно, в результат измерения входит погрешность масштаба изображения, поэтому она должна быть точно известна, а изображение строго подобно предмету.

Оптические приборы подразделяют на три разновидности:

1) приборы с оптическим способом визирования с измеряемой поверхностью и механическим измерением перемещения точки визирования;

2) приборы с механическим соприкосновением с контролируемым изделием и оптическим измерением перемещения точки соприкосновения;

3) приборы с оптическим устройством для наблюдения контролируемого изделия и оптическим измерением перемещения точки визирования.

К приборам первой разновидности относят инструментальные микроскопы и проекторы.

Микроскопы инструментальные предназначены для измерения наружных и внутренних линейных и угловых размеров изделий в прямоугольных и полярных координатах. Они состоят из головки главного микроскопа и приспособления, с помощью которого либо сама головка, либо контролируемое изделие могут перемещаться в одном или двух взаимно перпендикулярных направлениях. Во многих конструкциях микроскопов окулярная штриховая пластинка может вращаться, что позволяет производить как линейные, так и угловые измерения. Величина перемещения измерительного стола определяется с помощью окулярного микрометра, концевых мер или штриховой меры. Отсчеты по шкалам производят чаще всего с помощью отчетных окуляров с неподвижными делениями. Наиболее часто на инструментальных микроскопах проводят измерения параметров резьбы.

Инструментальный микроскоп малой модели (ММИ) имеет диапазон измерений в продольном направлении 75 мм, в поперечном – 25 мм. Цена деления резьбовой микропары перемещения – 0,01 мм, При размере свыше 25 мм используют концевые меры длины.

Инструментальный микроскоп большой модели (БМИ) имеет диапазон измерения в продольном направлении 150 мм, в поперечном – 50 мм. Цена деления резьбовой микропары – 0,005 мм, что достигается за счет увеличения диаметра барабана. Появились микроскопы, у которых микропара снабжается импульсным устройством с цифровым отсчетом.

Проектором в машиностроении называется оптический прибор, в котором оптическое устройство формирует изображение измеряемого объекта на рассеивающей поверхности, служащей экраном. Проектор служит для контроля и измерения изделий сложного профиля, например профильных шаблонов. Можно измерять контуры заточек, канавок, расстояние между центрами отверстий.

Различают:

Контроль увеличенного действительного изображения, спроектированного на экран или матовое стекло;

Измерение с помощью координатного измерительного стола и измерительного перекрытия на экране.

Приборы второй разновидности основаны на получении автоколлимационного изображения. Автоколлимацией называется ход световых лучей, при котором они, выйдя из одной части оптической системы параллельным пучком, отражаются от плоского качающегося зеркала и проходят систему в обратном направлении. К этим приборам относятся: оптиметр вертикальный и горизонтальный; оптический длинномер вертикальный и горизонтальный; интерферометр; измерительная машина; гониометр.

Оптиметр – прибор для измерения линейных размеров сравнением с мерой, калибром или деталью-образцом, преобразовательным элементом в котором является рычажно-оптический механизм. Измерительной головкой служит трубка оптиметра окулярного или проекционного (экранного) типа. В трубке окулярного типа отсчитываются значения размеров по шкале, наблюдаемой в окуляре, в трубке проекционного типа отсчет производится на экране.

Оптиметры изготавливают в двух вариантах – вертикальные с таким же расположением линии измерения и горизонтальные – с горизонтальной линией измерения. Вертикальный оптиметр служит для контактных измерений при контроле наружных линейных размеров, а горизонтальный – для наружных и внутренних размеров.

Оптический длинномер – прибор для измерения линейных размеров сравнением со значением по шкале, встроенной в этот прибор и перемещающейся вместе с измерительным стержнем. Дробные значения отсчитываются по шкале с помощью нониуса, встроенного в специальный окулярный или проекционный микроскоп. В зависимости от конструкции стоек, в которых устанавливают длинномеры, они, как и оптиметры, бывают вертикальные и горизонтальные.

Длинномеры на горизонтальных стойках типа ИЗВ предназначены для тех же целей, что и горизонтальные оптиметры, но измерения здесь ведут прямым методом без применения установочных мер длины. Горизонтальный длинномер типа ИКУ предназначен для измерения наружных и внутренних линейных и угловых размеров в прямоугольных и полярных координатах.

Длинномеры и измерительные машины предназначены для измерения больших длин по одной оси координат. Погрешность измерения длинномером при рекомендуемых условиях, в том числе температурных, составляет от 0,001 до 0,003 мм.

Гониометры служат для измерения углов бесконтактным методом с помощью автоколлиматора непосредственно по лимбу. Выпускают гониометры типов ГС-1, ГС-2, ГС-5, ГС-10 и ГС-30 с ценой деления соответственно 1, 2, 5, 10 и 30".

Прибор имеет ось вращения, установленную на опорах в основании. К оси прибора крепится лимб, алиада и предметный столик. Лимб может вращаться совместно со столиком или совместно с алиадой. Алиада имеет отсчетное устройство и колонку со зрительной трубой, к которой прилагаются автоколлимационные окуляры.

Интерферометр – измерительный прибор, основанный на интерференции света. Контактные интерферометры предназначены для измерения наружных диаметров с использованием стеклянных пластин. Диапазон измерения вертикального интерферометра до 150 мм, горизонтального – до 500 мм.

Погрешность измерения вертикальным интерферометром при использовании концевых мер длины второго разряда составлят от 0,25 до 0,40 мкм. Эти интерферометры чаще всего используют для аттестации концевых мер длины на третий разряд.

Измерительная машина – прибор для измерения линейных размеров сравнением со шкалой, встроенной неподвижно в этот прибор, с отсчетом дробных значений с помощью дополнительной шкалы, перемещающейся с одним измерительным наконечником и по трубке оптиметра. В машине имеется шкала с большим интервалом, который делится с помощью дополнительной шкалы, и устройство для отсчета значений с ценой деления 0,0001 мм. Измерительные машины предназначены в основном для измерения больших размеров (более 1000 мм) и относятся к горизонтальному типу. Измерения на машине производятся непосредственным методом или методом сравнения с мерой. В последнем случае отсчитывается отклонение от настроенного размера с использованием шкалы трубки оптиметра.

Применяют измерительные машины в основном для больших концевых мер длины и очень часто для определения размера микрометрических нутромеров после их сборки. Погрешность измерения методом сравнения с мерой до 500 мм составляет от 0,0004 до 0,002 мм. При измерении методом непосредственной оценки, т. е. с использованием всех шкал, погрешность измерения при рекомендуемых условиях составляет от 0,001 до 0,020 мкм.

Основными представителями третьей разновидности оптических приборов являются универсальный микроскоп и универсальный измерительный микроскоп.

Универсальный микроскоп (УИМ) используется для измерения линейных и угловых размеров в плоскости с визированием измеряемых точек или линий с помощью микроскопа и отсчетом значений по оптическим шкалам. УИМ представляет собой двухкоординатную измерительную машину. Положение продольных и поперечных салазок определяется по стеклянным шкалам с помощью отсчетных микроскопов, снабженных окулярами со спиральным нониусом. При измерении резьб для повышения точности часто используют измерительные ножи.

УИМ имеет диапазон измерений в продольном направлении 200 мм, в поперечном – 100 мм. Цена деления отсчетных линейных устройств 0,001 мм, угломерного устройства – 1".

Изготавливают микроскопы с диапазоном измерений 500х200 мм. В некоторых микроскопах имеется проекционное устройство и цифровой отсчет размера. Микроскопы снабжаются различной оснасткой для проведения разнообразных измерений, поэтому они называются универсальными.

Применение лазеров для линейных измерений. Использование лазеров, особенно газовых лазеров видимого диапазона, чрезвычайно расширило область применения оптических методов измерений расстояний и углов. Пространственная погрешность лазерного света позволяет коллимировать пучки с расходимостью, вызванной только дифракцией. Благодаря этому приборы с применением лазера обеспечивают угловую точность около 1 мкрад при работе на расстоянии порядка сотен метров.

Благодаря высокой интенсивности лазерного излучения твизирование можно выполнять путем непосредственной посылки пучка света в заданном направлении, а интерферометрические измерения проводить в нормально освещенном помещении и даже на открытом воздухе.

Одним из наиболее простых способов применения лазеров является техника визирования. Установив лазер, можно идти вдоль его условной «оптической струны, выверяя положение различных элементов контролируемой конструкции. Технику визирования широко применяют при сборке и монтаже самолетов, нефтехимического оборудования, кораблей, при нивелировании, проходке тоннелей, при строительстве больших сооружений.

Наиболее распространенным методом измерения с помощью лазера является измерение длины с использованием обычной оптической интерференции для коротких дистанций и техники модулированного света – для длинных дистанций. Точность лазерных приборов определяется главным образом степенью стабилизации частоты применяемого лазера и реально может быть порядка 10 -9 – 10 -10 мм.

С помощью лазеров можно осуществлять непрерывный интероферометрический контроль размеров деталей в производственном процессе. Лазерные интерферометры и цифровая техника сделали доступным контроль крупногабаритных изделий по отклонениям размеров, формы и расположения поверхностей.

Одним из перспективных направлений развития техники линейных измерений является голографическая интерферометрия с использованием лазера.

В лазерных интероферометах цехового назначения применяют лазерный измеритель перемещений ТПЛ-ЭОК1 с устройствами автоматического управления и ЭВМ. Прибор имеет кнопку установки нулевого положения, что дает возможность реализации измерений по методу сравнения с мерой. Прибор имеет стойку и измерительный столик, что позволяет проводить измерения как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.

6 СТАНДАРТИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ НОРМ ВЗАИМОЗАМЕНЕМОСТИ

Оптико-механические измерительные приборы. Эти приборы находят широкое применение в измерительных лабораториях и в цехах для измерения размеров калибров, плоскопараллельных концевых мер длины, точных изделий, а также для настройки и проверки средств активного и пассивного контроля. Эти приборы основаны на сочетании оптических схем и механических передач. К оптико-механическим измерительным приборам относятся: пружинно-оптические измерительные головки (оптикаторы), оптиметры, ультраоптиметры, длиномеры, измерительные машины, интерферометры и ряд других приборов.

Рис. 2.25. Оптиметр: а - вертикальный; б - горизонтальный

Рис. 2.26. :

7 - окуляр; 2 - зеркало; 3 - трехгранная призма; 4 - стеклянная пластинка; 5- призма полного отражения; 6 - измерительный стержень; 7 - зеркало поворотное; в - объектив

Состоит из измерительной головки, называемой трубкой оптиметра, и вертикальной или горизонтальной стойки. В зависимости от вида стойки оптиметры подразделяют на вертикальные (например, ОВО-1, или ИКВ) (рис. 2.25, а) и горизонтальные (например, ОГО-1, или ИКГ) (рис. 2.25, б). Выпускают также горизонтальные и вертикальные проекционные оптиметры (ОГЭ-1 или ОВЭ-02). У последних отсчет результата измерения производится по шкале, проецируемой на экран. Вертикальные оптиметры предназначены для измерений наружных размеров деталей, а горизонтальные - для измерения как наружных, так и внутренних размеров.

В оптической схеме оптиметров использованы принципы автоколлимации и оптического рычага. Принцип действия трубки оптиметра показан на рис. 2.26. Лучи от источника света направляются зеркалом 2 в щель трубки и, преломляясь трехгранной призмой 3, проходят через шкалу, имеющую 200 делений, нанесенных на плоскость стеклянной пластинки 4. Пройдя шкалу, луч попадает на призму полного отражения 5 и, отразившись от нее под прямым углом, направляется на объектив 8 и зеркало поворотное 7. Качающееся зеркало пружиной прижимается к измерительному стержню 6. При перемещении стержня 6, опирающегося на измеряемую деталь, зеркало 7 поворачивается на угол а вокруг оси, проходящей через центр опорного шарика, что вызывает отклонение отраженных от зеркала 7 лучей на угол 2а. Отраженный пучок лучей объективом превращается в сходящийся пучок, который дает изображение шкалы. При этом шкала смещается в вертикальном направлении относительно неподвижного указателя на некоторую величину, пропорциональную измеряемому размеру. Изображение шкалы наблюдается в окуляр 1, как правило, одним глазом, что утомляет контролера. Для обеспечения отсчета на окуляр 1 надевают специальную проекционную насадку, на экране которой можно наблюдать изображение шкалы обоими глазами. Основные метрологические характеристики оптиметров см. в табл. 2.9.

(рис. 2.27, а) состоит из измерительной головки и вертикальной или горизонтальной стойки. Схема работы длиномера показана на рис. 2.27, б. Конструкция длиномера соответствует принципу Э.Аббе, т. е. основная шкала является продолжением измеряемой детали 3. В пиноли 5 закреплен измерительный наконечник 4, входящий в соприкосновение с измеряемой деталью 3. Сила тяжести пиноли 5 уравновешена противовесом 1, который перемещается внутри масляного демпфера 2. Пиноль 5 соединена с противовесом стальной лентой 9, перекинутой через блоки, причем измерительная сила длиномера определяется разностью масс пиноли 5 и противовеса 1. Эта сила регулируется с помощью грузовых шайб 8. Отсчеты по стеклянной шкале 6, освещаемой источником света S, производят с помощью отсчетного микроскопа 7 со спиральным нониусом.

В настоящее время все большее распространение получают длиномеры с цифровым отсчетом, на табло которых высвечивается непосредственно измеряемый размер.

Основные метрологические характеристики оптических длиномеров см. в табл. 2.9.

Таблица 2.9. Основные метрологические характеристики оптико-механических приборов

Наименование и тип прибора	Цена деления шкалы, мкм	Пределы измерений по шкале, мкм	Пределы допускаемой погрешности на любом участке шкалы в пределах 100 делений, мкм	Наибольшее измерительное усилие (колебание измерительного усилия), Н	Вариация показаний, мкм
Оптикаторы ГОСТ 28798-90:
Улътраоптиметры ИКП-2
Оптические длиномеры:
Интерферометр мод. 264 (вертикальный)				1,5 ± 0,10 (0,02)
				1,5 ± 0,10 (0,02)
				1,5 ± 0,10 (0,02)

Рис. 2.27. Оптический длиномер [а) и схема его работы (б) :

1 - противовес; 2 - масляный демпфер; 3 - измеряемая деталь; 4 - измерительный наконечник; 5 - пиноль; 6 - стеклянная шкала; 7 - отсчетный микроскоп; 8 - грузовые шайбы; 9 - стальная лента; S - источник света

Измерительные машины (одно-, двух- и трехкоординатные) предназначены для контроля сложных корпусных деталей, деталей значительных длин, измерения расстояний между осями отверстий, лежащих в одной или разных плоскостях, контроля параметров плоских профильных шаблонов в прямоугольных и полярных координатах. Двух- и трехкоординатные измерительные машины позволяют получать цифровой отсчет с автоматической выдачей результатов измерений на ЭВМ с последующим применением полученных программ в станках с ЧПУ для обработки аналогичных деталей (обработка по моделям). Более подробно измерительные машины рассмотрены в гл. 3.

Интерферометры относятся к весьма точным оптико-механическим приборам. Они применяются в основном для проверки концевых мер длины, размеров и формы особо точных изделий и основаны на использовании явления интерференции световых волн. Интерферометры для линейных измерений подразделяются на контактные (ИКПВ - вертикальные, ИКПГ - горизонтальные) и бесконтактные. Контактные интерферометры имеют одинаковые интерференционные трубки с возможностью регулирования цены деления от 0,05 до 0,2 мкм.

В трубке интерферометра (рис. 2.28) свет от лампы 1 направляется конденсором 2 через диафрагму 3 на разделительную полупрозрачную пластину 6.

Рис. 2.28. :

1 - лампа; 2 - конденсор; 3 - диафрагма; 4 - шторка; 5 - поворотное зеркало; 6 - полупрозрачная пластина; 7 - объектив; 8 - сетка; 9 - механизм перемещения окуляра; 10 - окуляр; 11 - компенсатор; 12 - зеркало; 13 - измерительный стержень; 14 - объект измерения

Часть лучей, пройдя через полупрозрачную пластину 6 и компенсатор 11, отразится от зеркала 12, закрепленного на верхнем конце измерительного стержня 13, и через компенсатор 11 вновь вернется к полупрозрачной пластине 6. Другая часть пучка света, отразившись от рабочей поверхности разделительной полупрозрачной пластины 6, попадает на поворотное зеркало 5 и после отражения также возвратится к полупрозрачной пластине 6. Рис. 2.29. Вертикальный контактный интерферометр:

Рис. 2.29. :

1 - кронштейн; 2 - кремальера; 3 - стойка; 4 - основание; 5 - винт; 6 - винт микроподачи; 7 - стол; 8 - теплозащитный экран; 9 - хомут трубки; 10 - трубка интерферометра

Таким образом, на рабочей поверхности полупрозрачной пластины 6 обе части пучка света интерферируют при небольшой разности хода. Объектив 7 проектирует интерференционную картину полос равной толщины в плоскость сетки 8. Интерференционные полосы и нанесенную на сетку шкалу наблюдают через окуляр 10.

Интерференционные полосы равной толщины образуются в результате поворота зеркала 5 на небольшой угол относительно поверхности зеркала 12. При освещении белым светом на фоне шкалы видна одна черная (ахроматическая) полоса и по обе стороны от нее несколько окрашенных полос убывающей интенсивности. Черная полоса служит указателем при отсчетах по шкале, имеющей по 50 делений в обе стороны от нуля, который смещается пропорционально перемещению измерительного стержня 13.

Вертикальный контактный интерферометр (рис. 2.29) имеет жесткое литое основание 4 и стойку 3. По направляющей стойки может перемещаться с помощью кремальеры 2 кронштейн 1, несущий трубку интерферометра 10. На хомуте трубки 9 закреплен теплозащитный экран 8. Стол 7 можно перемещать в вертикальном направлении винтом микроподачи 6 и стопорить в установленном положении винтом 5.

Основные метрологические характеристики интерферометров см. в табл. 2.9.

В последнее время отечественная промышленность стала выпускать бесконтактные лазерные интерферометры с цифровым отсчетом. Они позволяют измерять абсолютным методом детали больших размеров (до 60 м и более) с высокой производительностью и точностью. Цена деления таких приборов составляет от 0,1 до 0,01 мкм; погрешность измерения составляет 0,5 мкм на 1 м. Принципиальная схема одной из конструкций бесконтактного лазерного интерферометра представлена на рис. 2.30.

Рис. 2.30. :

1 - источник лазерного луча; 2 - неподвижное зеркало; 3 - пластина; 4 - V-образный рефлектор; 5 - основание рефлектора; 6 - измерительный стол; 7 - основание измерительного стола; 8 - неподвижное зеркало; 9- приемник; 10 - основание; 11 - показывающий прибор; 12 - корпус

Таблица 2.10. Основные метрологические показатели микроскопов

Тип микроскопа	Верхние пределы измерений, мм		Диапазон измерений плоских углов,	Линейное увеличение объективов визирного микроскопа	Цена деления шкалы барабанов микрометрических головок, мм	Цена деления шкалы наклона линии центров	Максимальный диаметр проверяемого изделия, мм	Цена деления шкалы угломерной головки	Предел основной допускаемой погрешности микроскопа в диапазоне измерений, мкм
	в продольном направлении	в поперечном направлении
				1; 3; 5; 10; 20; 40х
ИМЦ 100x50, А				1; 3; 5; 10; 20; 40х					0...25 мм ± 3 мкм
				1; 3; 5; 10; 20; 40х					0...50 мм ± 5 мкм
ИМЦ 150x50, А				1; 1,5; 3,0; 5,0х					0... 100 мм ± 6 мкм
				1; 1,5; 3,0; 5,0х
ИМЦЛ 160x80, Б
				10; 15; 30; 50х
				10; 15; 30; 50х

Поступающий от источника лазерного луча 1 пучок света полупрозрачной пластиной 3 делится на два потока. Один направляется на неподвижное зеркало 2 и, отразившись от него, возвращается к пластине 3. Другой, проходящий сквозь пластину 3, попадает на неподвижное зеркало 8. Отразившись от неподвижного зеркала 8 и V-образного рефлектора 4, пучок возвращается к пластине 3, где интерферирует с первым пучком.

При помощи лазерных интерферометров проверяют двух- или трехкоординатные измерительные машины, микроскопы, прецизионные станки и другие точные механизмы.

Оптические измерительные приборы .

Эти приборы нашли применение в измерительных лабораториях для абсолютных и относительных измерений бесконтактным методом различных изделий сложного профиля (резьб, шаблонов, кулачков, фасонных режущих инструментов) и малых габаритных размеров, для точных измерений длин, углов, радиусов. Эти приборы построены на оптических схемах. К наиболее распространенным оптическим измерительным приборам относятся: микроскопы (инструментальный, универсальный, проекционный), проекторы, оптические длиномеры и угломеры, делительные головки, столы и др.

Инструментальные и универсальные микроскопы предназначены для абсолютных измерений углов и длин различных деталей в прямоугольных и полярных координатах. В соответствии с ГОСТ 8074-82 выпускают микроскопы с микрометрическими измерителями двух типов: типа А - без наклона головки и типа Б - с наклоном головки. У микроскопов ИМ 100x50, А; ИМ 150x50, Б предусмотрен отсчет по шкалам микрометрических головок 25 мм и применение концевых мер длины, тогда, как микроскопы ИМЦ 100x50, А; ИМЦ 150x50, А; ИМ 150x50, Б; ИМЦЛ 160x80, Б оснащены цифровым отсчетом.

Универсальные измерительные микроскопы отличаются от инструментальных большим диапазоном измерений и повышенной точностью. В них вместо микрометрических измерителей применены миллиметровые шкалы с отсчетными спиральными микроскопами.

Основные метрологические характеристики указанных микроскопов представлены в табл. 2.10.

Рис. 2.31. Микроскоп инструментальный модели ММИ [а], его отсчетное устройство (б), оптическая схема микроскопа [в) :

1 - визирный микроскоп; 2 - стойка; 3 - винт; 4 - лампа подсветки; 5 и 12 - маховики; 6 и 8 - микрометрические винты; 7 - основание; 9 - измерительный стол; 10 - шариковые направляющие; 11- объектив; 13 - кронштейн; 14 - кольцо; 15 - тубус; I - миллиметровая шкала; II - круговая шкала

Несмотря на конструктивные различия инструментальных и универсальных микроскопов принципиальная схема измерения во всех микроскопах общая - визирование различных точек контролируемой детали, перемещаемых для этого по взаимно перпендикулярным направлениям, и измерение этих перемещений посредством отсчетных устройств. Для обеспечения лучшего визирования микроскопы снабжают сменными объективами различной степени увеличения.

В качестве примера рассмотрим конструкцию (рис. 2.31, а) и принцип измерения микроскопа инструментального модели ММИ. На массивном чугунном основании 7 в двух взаимно перпендикулярных направлениях на шариковых направляющих 10 перемещается измерительный стол 9 с помощью микрометрических винтов 6 и 8. Для отсчета перемещений на гильзе, скрепленной с метрической гайкой, имеется миллиметровая шкала I (рис. 2.31, б), а на барабане, связанном с микрометрическим винтом, - круговая шкала II с 200 делениями (на рис. 2.31, б показание микрометра равно 29,025). Объектив 11 с тубусом 15 установлен на кронштейне 13, который перемещается в вертикальном направлении по стойке 2. Стойка 2 с помощью маховика 5 может наклоняться у микроскопов типа Б в обе стороны для установки микроскопа под углом подъема измеряемой резьбы. Имеется лампа подсветки 4. Маховик 12, перемещающий кронштейн 13, служит для фокусировки микроскопа, причем установленное положение фиксируется винтом 3. Для точного фокусирования микроскопа вращают рифленое кольцо 14, при этом тубус 15 смещается по цилиндрическим направляющим кронштейна. К верхней части тубуса крепится сменная угломерная окулярная головка с визирным микроскопом 1 и отсчетным устройством.

Оптическая схема микроскопа представлена на рис. 2.31, в. Измеряемая деталь АБ рассматривается через объектив ОБ микроскопа. Изображение детали АБ получается действительным, обратным и увеличенным.

Глаз наблюдателя через окуляр ОК видит мнимое, обратное и еще раз увеличенное окуляром изображение детали А2Б2.

Проекторы предназначены для контроля или измерения деталей сложного контура. Проектор состоит из объектива, дающего увеличенное изображение контролируемого изделия, и экрана, на котором оно рассматривается или сравнивается с сетками или предельными контурами. Проекторы бывают с экранами, работающими в проходящем и отраженном свете. Основные метрологические характеристики этих приборов представлены в табл. 2.11.

Оптические делительные головки (рис. 2.32, а, б) служат для измерения углов, а также для разметки и нанесения делений на деталях при обработке. Прибор состоит из корпуса 8, внутри которого в подшипниках помещен шпиндель 9, отсчетного микроскопа 11 с нониусами, переднего центра 6 для установки детали, задней бабки 12 и станины 13. Поворот шпинделя отсчитывается предварительно по шкале 14, а. точно - по стеклянной шкале с помощью отсчетного микроскопа, которая жестко закреплена на шпинделе (рис. 2.32, в). Ось шпинделя может быть установлена в любое положение в пределах между горизонталью и вертикалью. Отсчет углов в этом случае ведут по шкале 14. Основные метрологические характеристики оптических делительных головок типа ОДГЭ см. в табл. 2.11.

Таблица 2.11. Основные метрологические характеристики оптических приборов

Наименование и тип прибора	Цена деления основной шкалы (нониуса)	Цена деления отсчетного устройства	Увеличение отсчетного микроскопа	Поле зрения	Пределы показаний шкалы	Пределы измерений прибором	Предельные погреш­ности прибора (отсчет­ного устройства)
Проекторы измерительные (ГОСТ 19795-82):	Линейной:	Дискретного цифрового отсчета:				В продольном
						0 ... 100 мм, в
						поперечном
						вертикальном
Оптические делительные головки (ТУ 3.3.199 - 80):		Основного лимба
							±(1 + sina/2) ±
							± (2 + 2pisina/2)
							±(5 / 5pisina/2)
Оптический угломер		Минутной шкалы 5"
Автоколлиматоры визуальные (ТУ 3.3.1495 - 84):	Минутной:	Секундной шкалы:			Предел разрешающей способности

Оптические круглые столы предназначены для точных угловых измерений или поворотов на требуемые углы деталей, которые из-за Своей массы, формы и размеров не могут быть установлены в центрах или на оправках оптической делительной головки. Оптические круглые столы могут применяться также для точной разметки деталей по окружности или как точное приспособление для обработки деталей в полярной системе координат.

Для измерения наружных и внутренних углов применяют различные оптические угломеры . Величина отсчета по шкале равна 10", а допустимая погрешность ±5".

Наиболее точными угломерными приборами являются приборы, основанные на применении автоколлимационных зрительных труб. Одним из представителей таких приборов является автоколлиматор .

Он предназначен для измерения углов, измерения прямолинейности и плоскостности направляющих, а также для определения взаимного углового расположения осей и плоскостей изделий в пространстве. Кроме визуальных автоколлиматоров бывают автоколлиматоры с фотоэлектрической регистрацией результатов, например автоколлиматор АФ-2, предназначенный для измерения угловых перемещений с точностью 1",

Автоколлиматоры с фотоэлектрической регистрацией по сравнению с визуальными обеспечивают более высокую точность и скорость измерений. Основные характеристики некоторых автоколлиматоров см. в табл. 2.11.

Рис. 2.32. Оптическая делительная головка (а), ее схема (б) и стеклянная шкала (в] :

1 - тубус; 2 - лампа подсветки; 3, 4 и 74 - шкалы; 5 - поводок; В - передний центр; 7 - червячное колесо; 8- корпус; 9 - шпиндель; 10 - полусфера; 11 - микроскоп; 12 - задняя бабка; 13 - станина

В последнее время в условиях возрастающей сложности контролируемых изделий находят все более широкое применение измерительные двухкоординатные системы. Они позволяют без переустановки изделия проводить более сложные измерения его угловых и линейных размеров в прямоугольной системе координат. К этим приборам относятся измерительные микроскопы, измерительные проекторы и измерительные двухкоординатные машины.

Измерительные двухкоординатные машины (ИДМ) появились как результат естественного развития измерительных микроскопов и проекторов. Мерами в них служат штриховые или концевые меры длины, а также прецизионные измерительные винты. Эти машины характеризуются использованием высокоточных оснований, опор, направляющих и приводов для перемещения стола с изделием или измерительной головки. Результаты измерений в современных ИДМ выводятся на ЭВМ, чем достигается значительное повышение производительности измерений.

Основные метрологические характеристики оптико-механических двухкоординатных машин, их преимущества, недостатки и область применения представлены в табл. 2.12.

Таблица 2.12. Основные метрологические характеристики оптико-механических измерительных двухкоординатных машин

Тип прибора	Пределы измерений, мм	Погршность измерения	Инерционность, с	Преимущества	Недостатки	Область применения
Измеритель ный микроскоп	х = 0...70 у = 0...50	1 мкм; 10 мкм; 6"		Легко переоснащаемый визуальный измерительный микроскоп для работы в проходящем и отраженном свете	Небольшое поле зрения (от 2... до 6 мм) в зависимости от увеличения	Лаборатории и производство, линейные и угловые измерения наружных и внутренних размеров
Инструментальный проекционный микроскоп	х= 0...150 у = 0...75			Можно вести наблюдения либо через окуляр, либо по экрану проектора как в отраженном, так и в проходящем свете	Дороже измерительного микроскопа	Измерительные лаборатории, измерение калибров, резьб, зубчатых колес, шаблонов, изделий сложной формы
Универсальный измерительный микроскоп	х = 0...200 у = 0...100	0,2 мкм; 1 мкм; 30"		Высокая точность, удобство контроля резьбовых калибров-пробок, легкая переоснащаемость	Большие масса и габаритные размеры, настольный прибор	Измерительные лаборатории, линейноугловые измерения наружных и внутренних размеров

Оптические приборы для измерения параметров шероховатости поверхности (ГОСТ 9847 - 79) основаны на принципе одновременного преобразования профиля поверхности и предназначены для измерения параметров Rmax; Rz; S по ГОСТ 2789-73. Стандартом устанавливаются следующие типы приборов: ПТС - приборы теневого сечения; ПСС - приборы светового сечения; МОМ - микроскопы однообъективные муаровые; МИИ - микроскопы интерференционные, действие которых основано на двухлучевой интерференции света; МПИ - микроскопы-профилометры интерференционные, действие которых основано на интерференции света с образованием полос равного хроматического порядка.

Рис. 2.33. :
а - оптическим методом светового сечения; б - с помощью двухлучевого интерферометра; в - рефлектометрическим методом; 1 - фотоприемник (окуляр); 2 - линза; 3 - объект измерения; 4 - объектив; 5 - осветитель

Диапазоны измерений параметров шероховатости для указанных типов приборов следующие: ПТС - Rz\ S - 0,2... 1,6 мм; Rmax-40...320 мкм; МИИ - Rz; Rmax - 0,05…0,8 мкм; S - 0,002…0,05 мм; ПСС - Rz\ Rmax - 0,5 ...40 мкм; S - 0,002 ...0,5 мм; МПИ - Rz\ Rmax - 0,05…0,8 мкм; MOM - Rz\ Rmax - 0,8...40 мкм; S- 0,0005... 0,5 мм.

Оптический метод светового сечения (рис. 2.33, а) позволяет наблюдать в окуляр 1 сильно увеличенный профиль неровностей и, измеряя их с помощью шкал окулярного микрометра, определять Ra и Rz.

С помощью двухлучевого интерферометра (рис. 2.33, б) измеряют разность длин путей двух пучков света, отраженных от разных участков исследуемой поверхности.

Оптический прибор, построенный по схеме, изображенной на рис. 2.33, в, реализует рефлектометрический метод измерения и автоматизирует процесс измерения, обеспечивая получение интегрального значения высоты неровностей.

Оптический измерительный прибор в машиностроении, средство измерения, в котором визирование (совмещение границ контролируемого размера с визирной линией, перекрестием и т.п.) или определение размера осуществляется с помощью устройства с оптическим принципом действия. Различают три группы оптических измерительных приборов: приборы с оптическим способом визирования и механическим (или др., но не оптическим) способом отсчёта перемещения; приборы с оптическим способом визирования и отсчёта перемещения; приборы, имеющие механический контакт с измеряемым объектом, с оптическим способом определения перемещения точек контакта. Рентгеновский аппарат Арина-1.

Из приборов первой группы распространение получили проекторы для измерения и контроля деталей, имеющих сложный контур, небольшие размеры (например, шаблоны, детали часового механизма и т.п.). В машиностроении применяются проекторы с увеличением 10, 20, 50, 100 и 200, имеющие размер экрана от 350 до 800 мм по диаметру или по одной из сторон. Проекционные насадки устанавливают на микроскопах, металлообрабатывающих станках, различных приборах. Инструментальные микроскопы наиболее часто используют для измерения параметров резьбы. Большие модели инструментальных микроскопов обычно снабжаются проекционным экраном или бинокулярной головкой для удобства визирования.

Наиболее распространённый прибор второй группы - универсальный измерительный микроскоп УИМ, в котором измеряемая деталь перемещается на продольной каретке, а головной микроскоп - на поперечной. Визирование границ проверяемых поверхностей осуществляется с помощью головного микроскопа, контролируемый размер (величина перемещения детали) определяется по шкале обычно с помощью отсчётных микроскопов. В некоторых моделях УИМ применено проекционно-отсчётное устройство. К этой же группе приборов относится компаратор интерференционный.

Приборы третьей группы применяют для сравнения измеряемых линейных величин с мерами или шкалами. Их объединяют обычно под общим названием компараторы. К этой группе приборов относятся оптиметр, оптикатор, измерительная машина, контактный интерферометр, оптический длиномер и др. В контактном интерферометре (разработан впервые И. Т. Уверским в 1947 на заводе "Калибр" в Москве) используется интерферометр Майкельсона, подвижное зеркало которого жестко связано с измерительным стержнем. Перемещение стержня при измерении вызывает пропорциональное перемещение интерференционные полос, которое отсчитывается по шкале. Эти приборы (горизонтального и вертикального типа) наиболее часто применяют для относительных измерений длин концевых мер при их аттестации. В оптическом длиномере (длиномер Аббе) вместе с измерительным стержнем перемещается отсчётная шкала. При измерении абсолютным методом размер, равный перемещению шкалы, определяется через окуляр или на проекционном устройстве с помощью нониуса.

Перспективным направлением в разработке новых типов оптических измерительных приборов является оснащение их электронными отсчитывающими устройствами, позволяющими упростить отсчёт показаний и визирование, получать показания, усреднённые или обработанные по определённым зависимостям, и т.п.

Ни для кого не секрет, что применение оптических линий связи вошло в нашу повседневную жизнь очень и очень плотно. Трудно представить компанию по предоставлению телекоммуникационных услуг, которая бы не применяла в качестве линий связи оптическое волокно. Несомненно, исключения из правил бывают, но это скорее уже пережитки прошлого, и рано или поздно придется применять оптическое волокно для передачи данных.

Сейчас на рынке существует просто огромный выбор продукции для построения оптических линий связи: это и кабель для различных условий прокладки, и кроссовое оборудование, и различные аксессуары. Казалось бы, покупай, строй и на этом все закончится. Но не тут-то было!

Главным элементом оптических сетей является оптический кабель, а точнее - оптическое волокно, которое в нем находится. От качества монтажа при строительстве зависит надежность и долговечность сети, а также минимальные затраты на аварийно-восстановительные работы. Возникает вполне логичный вопрос «А как же контролировать качество оптических линий?». Вот здесь уже не обойтись без целого класса оборудования, называемого измерительным оборудованием для оптических сетей.

В первую очередь к ним можно отнести: оптические рефлектометры (OTDR), оптические тестеры, измерители оптической мощности, источники лазерного излучения, источники видимого лазерного излучения (дефектоскопы), идентификаторы активных волокон и т.д.
Если Вам все же предстоит работать с оптическим волокном, то необходимо ознакомится с основными видами измерительного оборудования. В данной статье мы попытаемся детально разобраться с принципом действия данных устройств, покажем типичные схемы включения и некоторые нюансы.

А зачем это нужно?

Многие могут задаться вопросом «А зачем это нужно?», ведь оно и так работает! Несомненно, каждый решает для себя сам, стоит ли приобретать измерительное оборудование. Но те, кому довелось столкнуться с проблемами при построении, эксплуатации или ремонте оптических сетей ответят вам однозначно - без него не обойтись.
В первую очередь строительные организации в процессе строительства оптических линий, как и везде, должны контролировать качество проделанной работы, здесь уж точно «на глаз» не скажешь правильно и качественно ли сделаны работы. При подготовке к сдаче оптических сетей (ввод в эксплуатацию) также необходимо применять измерительное оборудование для контроля различных характеристик (например, уровень оптического сигнала, затухание в линейном тракте, потери на сварных соединениях и др.). В случае с ремонтом при авариях вообще сложно будет что-то сделать, не зная точного места повреждения.
Перейдем более конкретно к сути вопроса, а именно: какие характеристики оптических линий необходимо знать в первую очередь и с помощью каких приборов их можно изменять.
Первая и, наверное, самая главная характеристика - это затухание (измеряется в дБ) в оптическом тракте на рабочей длине волны. Данная величина показывает, насколько будет затухать (ослабевать) оптический сигнал при прохождении через данную линию. Ее еще называют «Вносимое затухание» или «Вносимое ослабление», англоязычные варианты «Attenuation» или «Insertion loss».
Основные элементы, которые вносят затухание в оптический тракт - это непосредственно оптическое волокно (характеризуется потерями на единицу длины, дБ/км), сварные соединения, механические разъемы, оптические делители.
Вторая немаловажная характеристика - это обратное отражение («Optical Return Loss» или «Back Reflection»). Эта величина характеризует значение оптической мощности, которая отражается и обратно к источнику излучения, выражается также в дБ.
Источником обратного отражения могут быть механические разъемы, трещины в волокне, а также свободный конец оптического разъема.

Чистота - залог успеха

Прежде чем приступить к измерениям в волоконной оптике, следует запомнить очень важное правило – оптические коннекторы необходимо содержать в чистоте. Поскольку диаметр сердцевины волокна составляет порядка 9 мкм, невооруженным глазом заметить загрязнения невозможно. Но загрязнения присутствуют всегда – это факт. И совершенно не важно где и как хранился разъем, старый или новый, в любом случае на торце ферулы будут загрязнения. Это, в первую очередь, повлияет на точность измерений, которые мы будем обсуждать ниже. Размеры потерь, которые могут вносить «грязные» разъемы, могут колебаться в очень широких пределах и достигать нескольких дБ. Также загрязнения увеличивают значения обратного отражения, что крайне не желательно при передаче АМ сигнала кабельного телевидения.
Очистка поверхностей оптических разъемов может проводиться различными методами. Самый простой и экономичный - это безворсовая салфетка , смоченная в чистом спирте. Следует отметить, что после протирки влажной салфеткой необходимо протереть сухой для устранения разводов. Один из самых удобных методов - это применение специальных безворсовых чистящих лент , при этом достигается быстрая и удобная очистка разъемов.

С помощью данного устройства проводится быстрая и качественная очистка торцевой поверхности ферулы от различных загрязнений, подходит для самых различных типов коннекторов: SC, FC, LC, ST, MU.

Процесс очистки выполняется буквально в два действия. Сначала необходимо открыть защитную шторку и, плотно прижав торцевую поверхность разъема к чистящей ленте, провести вдоль направляющих сначала от себя, а потом на себя. Для контроля чистоты поверхности можно применить специальный микроскоп с 200-кратным увеличением.

Источники видимого лазерного излучения

Это, пожалуй, самое простое устройство, представляет собой источник красного света (650 нм), излучение которого вводится в оптическое волокно. Главным назначением данного устройства является локальное выявление повреждений различного типа (трещины, изгибы, некачественные сварки и т.д.). В месте повреждения будет наблюдаться яркое свечение. Типичное расстояние, при котором можно применить данное устройство, составляет 3-5 км.

На следующей фотографии показаны дефекты оптического волокна в пигтейле. Они подсвечиваются красным светом и их легко обнаружить даже при ярком дневном свете. Это могут быть микротрещины или другие локальные повреждения в волокне, вызванные механическими повреждениями; но в любом случае дальше использовать этот пигтейл нежелательно. Следует обратить внимание, что внешне пигтейл выглядит совершенно нормально, но стоит применить источник видимого излучения - и все дефекты сразу же проявляются.
Данные приборы незаменимы при монтажных работах в кроссовом оборудовании, проверке работоспособности оптических патч-кордов с различными коннекторами (SC, FC, ST), пигтейлов, для идентификации нужных волокон путем «подсвечивания» их и т.д.
Основные преимущества: компактность, простота в использовании, универсальность, а самое главное - небольшая стоимость.

Источники лазерного излучения

Немного о конструкции данных приборов. Источник лазерного излучения представляет собой устройство, основным элементом которого является полупроводниковый лазер (лазерный диод), их количество может быть разным. Самые распространенные - это длины волн 1310 нм и 1550 нм, поскольку на этих волнах в основном происходит передача оптического сигнала. Могут существовать разнообразные варианты комбинаций различных лазеров, некоторые источники лазерного излучения могут иметь в своей конструкции источник видимого лазерного излучения, о которых говорилось выше.

Основным же предназначением данных устройств является генерация лазерного излучения на фиксированной длине волны для измерения потерь в оптических линиях. Типичное значение уровня оптической мощности -7дБм. К дополнительным функциям источников лазерного излучения можно отнести генерацию не только непрерывного сигнала, но и модулированного с заданной частотой (например, 270 Гц, 1 кГц, 2 кГц) для идентификации волокон, автоматическое выключение, уровень заряда батареи и т.д.

Выходной порт излучателя, как правило, имеет адаптер FC/UPC.

Некоторые модели этих приборов могут оснащаться встроенным излучателем красного света (отдельный порт) для визуального определения дефектов.

Измерители оптической мощности

Данный прибор регистрирует уровень входной оптической мощности и отображает значение на экране. Основным элементом устройства является фотоприемник.

Обычно используется широкополосный фотоприемник. Это означает, что он регистрирует всю оптическую мощность, приходящую на него в диапазоне 800 – 1800 нм. Выставляя измеряемую длину волны (калиброванную) мы получаем численное значение в дБм или Вт. Если в оптическом тракте будут присутствовать одновременно излучения на нескольких длинах волн, то прибор отобразит некую суммарную величину мощности.

Типичными значениями измеряемых длин волн (калиброванных) являются все те же 1310 и 1550 нм, но также могут быть и другие: 850, 980, 1300, 1490 нм и т.д. Динамический диапазон измерителя (оптические мощности, которые он может измерять) зависит от применяемого фотоприемника, типичное значение для InGaAs составляет порядка 60-70 дБ. В зависимости от конкретных применений можно подобрать оптимальный прибор. Для измерений в телекоммуникационных сетях подойдут измерители мощности с большей чувствительностью фотодетектора (+6…-70 дБм), а для оптических сетей кабельного телевидения важно измерение достаточно больших мощностей (+26…-50 дБм). Как и источники излучения, устройство работает от встроенной батареи, имеет подсветку экрана, функцию автоматического выключения, сохранения результатов и много другого. Входной оптический порт, как правило, имеет адаптер FC/UPC. Одной из важнейших функций данного устройства является возможность измерять потери оптического сигнала относительно произвольного начального уровня (более детально смотрите ниже).

Оптический тестер

Это устройство представляет собой источник излучения и измеритель оптической мощности в одном корпусе. Преимущества и недостатки, по сравнению с отдельными устройствами, каждый решает сам для себя, учитывая специфику применения данного устройства.

• компактность;
• независимая работа источника и измерителя;
• аналогичные функциональные возможности источника и измерителя.

Общий вид оптического тестера MULTITEST MT3204С

Перейдем к вопросу практического применения этих устройств. Первая и самая главная задача сводится к измерению затухания сигнала в оптической линии. Для этого нам необходимы как источник излучения, так и измеритель оптической мощности.

Измерение потерь методом вносимых потерь

Поскольку измеритель определяет только уровень мощности, то для измерения потерь (затухания) в оптической линии нужно сделать два измерения. Сначала – определить уровень мощности на выходе источника излучения (опорный уровень), а потом – уровень мощности сигнала, прошедшего через тестируемую линию. Разность этих значений (в дБм) или их логарифмическое отношение (в Вт) и составит потери в линии.

Опорный уровень определяется при непосредственном соединении источника и измерителя соединительным шнуром (патч-кордом). При измерении выставляем соответствующую длину волны на источнике и измерителе. После получения результата переходим в режим измерения относительных потерь (кнопка dB), на экране измерителя появится значение 00.00 dB. Это позволяет не заниматься пересчетом, а при следующем измерении прямо получить значение затухания на экране измерителя.

Определение опорного уровня

При втором измерении, мы подключаем после шнура интересующий нас участок, на котором нам необходимо произвести измерение потерь, и сразу же получим на экране значение потерь в дБ.

Измерение потерь в линии методом вносимых потерь

Данный метод измерения очень прост, практичен, не требует длительного времени и дорогого оборудования. При этом достигается небольшая погрешность измерений, порядка 0,1 дБ. При отсутствии измерительного источника излучения для измерения затухания может использоваться любой оптический передатчик с длиной волны, которая есть в вашем измерителе мощности, имеющем режим непрерывного излучения (CW).

Если вам нужно проводить измерения потерь, когда оба конца оптической линии находятся в одном месте (например, бухта кабеля), то удобно будет воспользоваться оптически тестером. Принцип измерения таким прибором аналогичен с совместной работой источника и измерителя. Ниже приведена типичная схема измерения с помощью оптического тестера.

Измерение тестером опорного уровня и установка условного нуля

Измерение вносимых потерь с применением оптического тестера

На экране оптического тестера отображаются вносимые потери исследуемым образцом волокна. С помощью оптического тестера (а также пары приборов источник + измеритель) можно измерять вносимые потери не только линейных участков волокна, а также оптических делителей, механических соединений и т.д.

Измерение мощности в оптических сетях

Кроме потерь в линии измеритель мощности позволяет определять уровень оптической мощности в отдельных точках оптической сети. Например, существует оптическая сеть кабельного телевидения, и нам необходимо измерять уровень оптического сигнала на входе оптического приемника. Для этого мы в работающей сети (оптический передатчик включен) подключаем измеритель в нужном месте, выставляем длину волны, на которой происходит передача сигнала, и измеряем уровень сигнала. В результате данного измерения получаем некоторое значение в дБм. Если данное значение соответствует допустимому входному уровню оптического приемника и совпадает с расчетным значением по проекту, значит потери в оптическом тракте (оптический передатчик - оптический приемник) находятся в допустимых пределах (типичное значение входного уровня от -7 дБм до +3 дБм в зависимости от типа оптического приемника).

Более того, если есть возможность измерить уровень сигнала не только на входе приемника, но и на выходе оптического передатчика, то можно достаточно точно оценить потери в оптическом тракте.

Измерение уровня оптического сигнала в кабельном телевидении

Примечание: В сетях кабельного телевидения применяются оптические разъемы с угловой полировкой (APC), это нужно учитывать, поскольку измерители оптической мощности, как правило, имеют полировку типа UPC. В этом случае необходимо применять комбинированные оптические шнуры для предотвращения соединения коннекторов с различными полировками.

PON тестер

Следует отметить отдельный тип устройств для тестирования полностью пассивных оптических сетей (PON сети). Тестирование производится путем включения прибора в оптическую линию (в разрыв), с одновременным сканированием на трех длинах волн - восходящего потока (от абонента к станции) на длине волны 1310 нм, и нисходящих потоков (от станции к абонентам) - 1490/1550 нм, что экономит время и дает наиболее полную картину измерения. Основным отличием в сравнении с измерителями оптической мощности является наличие оптических фильтров и отдельных фотодетекторов для каждой измеряемой длинны волны.

Измерения могут отображаться в различных единицах - дБм или Вт.

В данном приборе предусмотрена функция сохранения результатов измерений во внутренней памяти прибора с возможностью дальнейшего анализа данных па ПК. А также очень полезная функция автоматического выключения, что позволит значительно увеличить время работы прибора от батареи.

PON тестер может применяться как при вводе PON сети в эксплуатацию для контроля уровней оптической мощности, так и при проведении ремонтно-восстановительных работ, а также для мониторинга сети.

Детально о применении PON тестера можно ознакомиться в статье «Измерения в пассивных оптических сетях (PON)» .

Идентификатор активных волокон

Внешний вид устройства

На рисунке выше представлен компактный прибор для обнаружения активных (наличие оптического излучения) оптических волокон MULTITEST MT3306A . Устройство обеспечивает быстрый неразрушающий способ определения наличия и направления распространения оптического сигнала в одномодовых волокнах. Прибор позволяет без отключения приемопередающей аппаратуры определить наличие сигнала в волокнах и его направление, а также оценить оптическую мощность. Если в качестве сигнала применяется модулированное излучение источника 270 Гц, 1 кГц или 2 кГц - идентификатор также определяет частоту модуляции. Принцип действия заключается в регистрации оптического сигнала в месте макроизгиба. Для универсальности предусмотрены сменные насадки под различные диаметры (волокно, пигтейлы и патч-корды).

С точки зрения практического применения это устройство очень удобно при поиске «активных» и «темных» волокон в оптических кроссах и муфтах, где используется много волокон и большая вероятность случайного разрыва соединения.

Проведение измерений с помощью оптического рефлектометра

Описанные выше методы измерений позволяют измерять уровень оптических потерь в линии, но обнаружить конкретное место повреждения в случае аварийной ситуации с их помощью невозможно. Единственным выходом из этой ситуации является применение оптического рефлектометра (OTDR) .

В рамках данной статьи постараемся выделить основные моменты при проведении измерений с помощью OTDR, уделим внимание практическим вещам, и не будем углубляться в теоретические основы.

Итак, какие измерения можно проводить с помощью рефлектометра:

• позволяет за один цикл измерений одновременно определить целый ряд основных параметров оптического волокна: его длину, величину затухания на километр, наличие мест неоднородностей, их характер и расстояние до них, потери в соединителях, местах сварки и т.д. без проведения подготовительных работ;
• проведение большого количества измерений с одного конца оптического волокна, в отличие от оптических тестеров.

Как и любой метод измерений, рефлектометрия также имеет и свои проблемные стороны:

• высокие требования к вводу излучения в тестируемое волокно;
• время для получения рефлектограммы с относительно неплохой точностью составляет не менее 30 секунд;
• относительно высокая стоимость измерительного оборудования.

Принцип действия рефлектометра заключается в посылании в тестируемое волокно короткого оптического импульса. Из-за отражений от различных неоднородностей происходит образование обратного потока (обратное рассеяние). Рефлектометр измеряет временную задержку сигнала и уровень отраженного излучения. На основе этих данных строит рефлектограмму, представляющую собой график зависимости потерь в волокне от расстояния.
Мы не будем вдаться в подробности метода обработки результатов измерений, а рассмотрим уже готовый результат измерений, покажем, что отображается на рефлектограмме.

Неоднородности в оптическом волокне, показанные на рефлектограмме

Выше на рисунке представлена модель рефлектограммы с обозначением неоднородностей, которые могут встречаться в волокне.

На какие же характеристики рефлектометра следует обращать внимание при выборе модели?

Основной параметр любого рефлектометра - это динамический диапазон. Этот параметр характеризует диапазон между уровнем передачи и минимальным уровнем приема сигнала (как правило, при соотношении сигнал/шум = 1). Типичное среднее значение этого параметра составляет 34-36 дБ. Для измерений в коротких линиях могут использоваться модели с динамическим диапазоном 28-32 дБ, а для протяженных участков или для сетей с большим затуханием в пассивных элементах (PON, разветвленные сети КТВ) – до 40-45 дБ и больше.

Каждый рефлектометр имеет такую характеристику как мертвая зона – расстояние на рефлектограмме после неоднородности, на котором нельзя проводить измерения. Самое первое событие, которое будет присутствовать на любой рефлектограмме - это отражение от входного разъема. Поскольку этот разъем находится в непосредственной близости к фотоприемнику, отражение от него будет «ослеплять» фотоприемник. Эта область рефлектограммы и попадает в мертвую зону.

Влияние мертвой зоны на рефлектометрические измерения

Если очень важно провести измерения и увидеть на рефлектограмме буквально первый метр исследуемой трассы, применяется так называемая «компенсационная катушка» или «согласующая катушка» - название может быть разным, но смысл остается прежним. Она представляет собой отрезок оптического волокна определенной длины, как правило, от 100 м до 1 км. Благодаря этому устройству вся «мертва зона» попадает на длину этого волокна, после которого мы видим все начало измеряемой трассы. Если возникает необходимость увидеть и самый последний оптический разъем, тогда необходимо в конце линии также установить так называемую «приемную катушку». Это такой же отрезок волокна, компенсирующий мертвую зону при отражении сигнала от дальнего конца волокна. При проведении измерений с такими дополнительными катушками наша оптическая линия будет находиться в середине рефлектограммы, что позволяет нам с уверенностью проверять ее работоспособность.

Рефлектограмма с применением согласующей и приемной катушкой

Различные модели рефлектометров могут иметь очень много различных дополнительных возможностей. Например, функцию обнаружения наличия излучения в волокне (активное волокно), подключения тестируемого к входному оптическому разъему рефлектометра, наложение нескольких рефлектограмм, двусторонний анализ, различные функции оповещения и предупреждения.

К достоинствам некоторых моделей можно отнести встроенный источник излучения, источник видимого излучения, измеритель оптической мощности и т.д., но все это непосредственно влияет на стоимость, и совсем не в меньшую сторону.

При использовании рефлектометра очень часто происходит ситуация, когда оператор производит коммутацию оптических разъемов с различной полировкой (UPC-APC), что категорически недопустимо. В первую очередь это приведет к повреждению поверхности ферулы входного оптического разъема рефлектометра, а во-вторых, о достоверности измерений уже и говорить не приходится. Для предотвращения таких ситуаций необходимо применять различные комбинированные оптические шнуры (патч-корды) с различными типами полировок на концах. Не будет лишним напомнить, что абсолютно все оптические адаптеры (разъемы) имеют конечное число подключений, это означает, что со временем происходит ухудшение параметров соединения. Применение коммутационного шнура на выходе с оптического разъема рефлектометра позволит Вам значительно увеличить время работы данного прибора без ремонта. Также не следует забывать о чистоте оптических коннекторов: невооруженным глазом загрязнений не видно, но они всегда присутствуют, даже если оптический патч-корд или пигтейл Вы только что распечатали из упаковки. Недостаточно чистый коннектор, подключенный к рефлектометру, способен внести сильные искажения в картинку рефлектограммы, т.к. прибор реально работает с очень слабыми отраженными сигналами.

Определитель повреждения оптической линии

Одну из важнейших задач рефлектометрии - определение расстояния до места повреждения - можно успешно реализовать с помощью более простого и, соответственно, более дешевого прибора – определителя повреждений оптической линии (Fiber Ranger). Такой прибор работает по принципу OTDR: посылает зондирующие импульсы в линию и детектирует отраженную мощность. Однако он не производит серьезную математическую обработку сигнала, не строит рефлектограмму, а просто показывает расстояние до места сильного отражения оптической мощности (до обрыва, до конца волокна и т.д.). Результат измерений прибор показывает на экране в метрах.

Прибор очень полезен при эксплуатации оптической сети, например, когда важно быстро определить место повреждения. Fiber Ranger предельно прост в использовании, обладает хорошей точностью – от одного до нескольких метров - и может отображать значения расстояний до 8 событий (например, промежуточные некачественные разъемные соединения на оптической линии, сильные изгибы волокна в кассетах и т.п.). Устройство имеет встроенный лазерный излучатель красного света (650 нм) для визуального обнаружения повреждений.

На сегодняшний день предоставление качественных услуг в сфере телекоммуникаций является одним из главных критериев. Компания ДЕПС всегда поможет подобрать именно то измерительное оборудование, которое идеально подойдет к особенностям вашей сети, дабы обеспечить ей надежную и долговечную работу.

Отдел волоконно-оптических технологий и кабельных сетей компании ДЕПС

Статья посвящена разработанным ООО «НТП «ТКА» приборам для измерения основных световых и энергетических параметров и характеристик источников оптического излучения, в том числе и светодиодов.

Необходимость оперативного и достоверного измерения основных световых и энергетических параметров и характеристик источников излучения в видимой области спектра, таких как координаты цветности, коррелированная цветовая температура, коэффициент пульсации, яркость, освещенность и облученность, очевидна. Она продиктована стремительным развитием альтернативных источников оптического излучения (светодиодов), появлением различных вариантов дисплеев и световых табло, а также технологическими процессами, использующими источники оптического излучения.

Некоторые особенности построения приборов для измерения основных световых характеристик источников света

Измерение освещенности и яркости является простой фотометрической процедурой. Вместе с тем при проектировании и производстве люксметров и яркомеров приходится сталкиваться с достаточно серьезными проблемами по обеспечению соответствия выпускаемых приборов требованиям нормативных документов.

Так, например, фотоприемные устройства (ФПУ), являясь основной частью прибора для измерения оптического излучения, должны отвечать ряду электрических и фотометрических требований, зависящих от области применения и назначения. При разработке и производстве приборов для измерения параметров излучения необходимо знание этих требований, их особенностей, трудностей создания и путей их преодоления.

Устройство для формирования пространственной характеристики (входное устройство) формирует угол зрения, величина которого определена назначением разрабатываемого прибора. Так, например, входное устройство люксметра или пульсметра рассчитывается исходя из следующих соображений.

Освещенность поверхности, создаваемая точечным источником излучения, произвольно расположенным под углом. к ее нормали (рис. 1), определяется выражением:

Е = Е 0 ×сosβ, (1)

где Е 0 - освещенность, создаваемая точечным источником, расположенным нормально относительно поверхности; β - угол между нормалью и направлением на источник.

Рис. 1. Произвольно расположенный источник

Очевидно, измерения прибора, измеряющего освещенность, должен подчиняться такому же закону. Практически реализовать это условие без принятия определенных мер невозможно из-за зависимости коэффициента отражения поверхности оптических элементов приемной системы от угла падения излучения, описываемой формулой Френеля (2). Для выполнения этого условия приходится включать в оптическую схему фотоприемного устройства так называемую косинусную насадку, формирующую необходимый угол зрения и компенсирующую погрешность, вносимую поверхностным отражением оптических элементов.

Наиболее оптимальная косинусная насадка для рабочих средств (рис. 2) измерения оптического излучения представляет собой выполненный из молочного стекла элемент, равномерно рассеивающий падающее излучение по всем направлениям, обеспечивая тем самым выполнение закона Ламберта, согласно которому яркости светорассеивающей поверхности во всех направлениях одинаковы.

Рис. 2. Цилиндрическая косинусная насадка для рабочих средств

Поверхность материалов, используемых во входных устройствах, отражает падающее излучение по закону Френеля:

где φ 1 - угол между падающим на поверхность лучом света и нормалью; φ 2 - угол между преломленным лучом и нормалью. Графически эта зависимость представлена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость коэффициента отражения поверхности материала от угла падения

Это означает, что фотоприемное устройство регистрирует излучение, не отвечающее соотношению (1) при углах более 60°, т. е. отличное от реального излучения.

Для компенсации потерь отраженного излучения используют боковую грань диска из молочного стекла. Величина потока излучения, прошедшего внутрь стекла через боковые грани, пропорциональна величине цилиндрической освещенности. Под средней цилиндрической освещенностью понимают среднюю освещенность боковой поверхности вертикально расположенного цилиндра. Она определяется выражением:

где β - угол падения света от точечного источника на боковую поверхность вертикально расположенного цилиндра.

Световой поток Ф, попадающий на используемый в ФПУ светочувствительный элемент, является функцией отражения (ρ) и пропускания (τ) используемого материала, освещенности плоской поверхности (Е п) и цилиндрической освещенности боковой грани (Е ц):

Аналитически описать эту связь достаточно сложно из-за разброса параметров используемых материалов и геометрических размеров составляющих ФПУ элементов. При разработке и изготовлении ФПУ эмпирически находится оптимальное сочетание характеристик (марки молочного стекла, его толщины и высоты боковой поверхности, выступающей над корпусом), обеспечивающее заданную погрешность (1–2%), определяемую отличием полученной пространственной характеристики от теоретической.

Кроме того, при создании приборов для измерения оптического излучения необходимо решить задачу приведения спектральной характеристики чувствительности кремниевого фотодиода к относительной световой спектральной эффективности V(λ), табулированные значения которой регламентированы решениями комиссии МКО и ГОСТ 8.332.

Спектральная коррекция чувствительности фотоприемника Sф(λ) к заданному виду S(λ) осуществляется, как правило, цветными фильтрами. При этом коэффициент пропускания Т(λ) определяется соотношением:

Существует два основных способа расположения корригирующих светофильтров перед фоточувствительным элементом (рис. 4).

Рис. 4. Способы расположения корригирующих светофильтров: а) субтрактивный; б) субтрактивно-аддитивный (схема Дреслера)

В первом случае цветные фильтры с подходящими спектральными характеристиками располагаются последовательно друг за другом. При таком расположении (рис. 4а) излучение, прежде чем попасть на фотоприемник, последовательно фильтруется в каждом фильтре.

Другой способ расположения фильтров с требуемыми спектральными характеристиками показан на рис. 4б. При этом расположении, называемом схемой Дреслера, некоторые фильтры размещаются рядом один с другим. Различные части светового потока по-разному пропускаются фильтрами, прежде чем поток достигает приемной площадки фотоприемника. Результирующая кривая спектрального пропускания комбинации может эффективно регулироваться путем изменения относительного размера отдельных компонентов. Выполненные по такому принципу корректирующие фильтры могут с высокой степенью точности приблизить относительную спектральную чувствительность фотоприемника к идеальным значениям V(λ) при относительно высоком пропускании в максимумах кривых. Обычно на практике в частности и в расчете рассматриваемых приборов используется первый способ расположения светофильтров ввиду его технологичности и простоты расчетов.

Рассмотрим пример приведения спектральной характеристики кремниевого фотодиода Sф(λ) к относительной световой спектральной эффективности V(λ) (рис. 5).

Рис. 5. Вид кривых спектральной чувствительности кремниевого фотодиода S(.) и заданной меры V(.)

Характеристика S(λ) приводится к заданной кривой с помощью исправляющего фильтра, который может быть составлен из цветных стекол (рис. 6).

Рис. 6. Коррекция спектральной чувствительности фотоприемника с помощью цветных фильтров

Общий коэффициент пропускания исправляющего светофильтра рассчитывается по формуле:

где i - номера цветных стекол, составляющих светофильтр, к i (λ) - показатель поглощения цветных стекол с индексом, соответствующим номеру цветного стекла, t i - толщина соответствующих цветных стекол.

Тип стекол и их количество выбирались полуэмпирическим способом, исходя из наличия производимых и доступных для использования марок. Так, например, для видимой области спектра пригодными для коррекции оказались следующие цветные стекла: СЗС-21, СЗС-22, СЗС-23, ЖС-20, ЖЗС-5, ЖЗС-6, ОС-5. Из группы сине-зеленых стекол (СЗС) было выбрано СЗС-21, так как оно хорошо подавляет излучение в ближней ИК-области спектра (760–1200 нм), где наблюдается максимальная чувствительность кремниевых фотодиодов (λ max = 800–900 нм), выбранных для коррекции. Оранжевое стекло ОС-5 взаимозаменяемо со стеклом ЖС-20, а желто-зеленое стекло ЖЗС-6 взаимозаменяемо со стеклом ЖЗС-5.

Выбор марки стекол и их толщины и расчет спектрального коэффициента пропускания исправляющего светофильтра осуществляется таким образом, чтобы на каждой длине волны выполнялось условие: τ(λ)= V(λ)/Sф(λ).

Строгое выполнение этого условия на всех длинах волн для серийных цветных стекол и фотоприемников практически невозможно. Всегда будет иметь место отступление реально выполненной кривой S(λ) = Sa(λ)..(λ) от заданной, которое необходимо оценить в зависимости от назначения и способа градуировки фотометра, где применяется исправляющий светофильтр.

Оценка погрешности коррекции фотоприемника производится по методике, разработанной МКО (публикация № 53). Расчет погрешности коррекции фотометрической головки f 1 (Z) основан на отличии реакции на излучение идеального фотоприемника, табулированное значение спектральной чувствительности которого известно, и реального фотоприемника, относительное спектральное распределение которого отличается от того, при котором была произведена градуировка.

где S(λ) - относительная спектральная чувствительность исследуемого фотоприемника; SV(λ) - относительная спектральная чувствительность эталонного фотоприемника; Фa(λ) - относительное спектральное распределение источника «А», при котором производится градуировка; Ф i (λ) - относительная спектральная характеристика табулированных источников.

Приборы для измерения оптического излучения

Люксметры нового поколения «ТКА-Люкс» (рис. 7) и «ТКА-ПКМ-31» являются в настоящее время самыми востребованными и имеют метрологические характеристики на уровне приборов лучших мировых производителей рабочих средств измерения. Диапазон измерения освещенности в диапазоне 10–200000 лк с погрешностью 6–8%.

Рис. 7. Внешний вид люксметра «ТКА-Люкс»

«ТКА-Люкс/Эталон» является первым российским люксметром, метрологические характеристики которого отвечают требованиям, предъявляемым к рабочим эталонам. Он предназначен для измерения освещенности в видимой области спектра 380–760 нм, создаваемой стандартными источниками оптического излучения, расположенными нормально относительно приемника. Люксметр предназначен для практической реализации Государственной поверочной схемы средств из мерений световых величин в соответствии с ГОСТ 8.023-2000. Этот прибор по точности воспроизведения и передачи размеров единиц силы света и освещенности обеспечивает метрику прецизионных и рабочих средств измерений и отличается временной стабильностью и достоверностью. Допускаемая прибором основная относительная погрешность измерения освещенности не превышает 6,0%.

Разработанный комбинированный прибор люксметр+яркомер «ТКА-ПКМ» (02) служит для измерения освещенности (в диапазоне 10–200000 лк с погрешностью 8%) и яркости накладным способом (в диапазоне 10–200 000 кд/м 2 с погрешностью 10%) самосветящихся протяженных объектов (рис. 8).

Рис. 8. Внешний вид прибора «ТКА-ПКМ» мод.0,2

Прибор отличается от традиционных яркомеров отсутствием в схеме оптических элементов (линзы, объектива), что значительно упрощает конструкцию и удешевляет стоимость прибора при сохранении его точностных характеристик.

Для дистанционного определения яркости протяженных источников разработан недорогой, отвечающий современным метрологическим и техническим требованиям прибор для измерения яркости киноэкранов яркомер «ТКАЯР» (рис. 9), представляющий собой портативный малогабаритный прибор с автономным питанием, снабженный функцией запоминания результата измерения (Hold). Наводка на измеряемый объект осуществляется с помощью лазерного прицела.

Рис. 9. Внешний вид яркомера «ТКА-ЯР»

Для упрощения конструкции прибора в оптической схеме был применен нефокусируемый объектив. Нерегулируемая фокусировка на некоторое постоянное расстояние повышает оперативность работы с прибором, так как исключается одна из рабочих операций. При этом не требуется вводить никаких поправок к градуировке, поскольку показания прибора пропорциональны яркости объекта независимо от расстояния. Прибор имеет следующие технические характеристики:

• угол зрения - 1,0–1,5°;
• диапазон измерения - 10,0–2000,0 кд/м2;
• спектральная коррекция - 2,0%;
• суммарная погрешность - 10,0%;
• расстояние до измеряемого объекта - не менее 7,0 м.

Измерение коэффициента пульсации источников излучения

Излучение источников света при питании от сети переменного тока (как правило, с частотой 50 Гц) является пульсирующим. Частота пульсации при этом равна удвоенной частоте питающего напряжения 100 Гц. В качестве критерия оценки относительной глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока источников излучения при питании их переменным током введен коэффициент пульсации освещенности (Кп), выражаемый формулой:

где Еmax - максимальное значение амплитуды переменой составляющей освещенности, Еmin - ее минимальное значение, Еср - среднее значение освещенности (рис. 10).

Рис. 10. Временная характеристика пульсирующей освещенности

Рис. 11. Внешний вид прибора «ТКА-ПКМ (08)»

Конструктивно прибор выполнен в виде двух блоков: фотоприемной части (ФПУ) и блока обработки информации. В блоке обработки информации размещена электронная схема, состоящая из АЦП (аналого-цифрового преобразователя), ЖКИ (жидкокристаллического индикатора) и процессора ADuС.

Прибор работает следующим образом. Сигнал с ФПУ подается на предварительный усилитель, где происходит одновременно с усилением сигнала и его масштабирование.

Усиленный сигнал подается на вход АЦП для преобразования в цифровую форму. Цифровой сигнал с выхода АЦП подается в микропроцессор для дальнейшей обработки. Проводится серия измерений с периодом 10 мс и определяются максимальное, минимальное и среднее значения освещенности.

Обработка сигнала ведется не синфазно периодам колебаний. В процессе измерения производится анализ нескольких периодов, и значения результатов выборок усредняются. Результат - значения max, min и среднее определяются в единицах освещенности лк. После нахождения параметров сигнала по формуле (8) вычисляется значение коэффициента пульсации.

Определение коэффициента пульсации источников излучения и освещенности выполняется прибором «ТКА-ПКМ (08)», информация в нем обрабатывается микропроцессором. Этот пульсметр-люксметр имеет следующие технические характеристики:

диапазон измерения коэффициента пульсации - 0–100%;

диапазон измерения освещенности - 10–200 000 лк;

погрешность измерения не превышает 10%.

Измерение полного светового потока

Важной световой характеристикой излучения светодиода является световой поток Ф (лм), определяющийся как интеграл всего потока излучения, заключенного под пространственной индикатрисой излучения (рис. 12).

Рис. 12. Пространственное распределение силы света светильника

Необходимо при этом отметить, что индикатрисы излучения светодиодов (в отличие от ламп накаливания) могут принимать самые причудливые формы. Эта особенность в немалой степени помогла в выборе нами пути построения измерительного прибора.

Способы измерения полного светового потока

Имеются два существенно различающихся способа измерения полного светового потока:

• гониометрический метод;
• метод «интегрирующей сферы».

Гониометрический метод

Метод основан на пошаговой фиксации значений силы света светодиода при его повороте на известный угол. Используемые для этих целей приборы - гониометр с достаточным угловым разрешением и фотометрическая головка с известным коэффициентом преобразования. Уменьшение погрешности измерений и получение наиболее достоверного углового распределения возможно при минимальном значении шага угла поворота светодиода относительно фотометра (или наоборот). Современные гониофотометрические установки имеют шаг несколько угловых минут. Одновременно выполняются измерения осевой силы света и ее пространственного распределения.

На основании этих данных рассчитывается световой поток. Получение светового потока светодиода Ф с пространственным распределением силы света произвольной формы определяется с помощью индикатрис излучения большого числа плоскостей (nI v (Θ) при n→∞) и последующим вычислением среднего значения Ф:

Процесс измерения полного светового потока гониометрическим методом является перспективным с точки зрения точности и информативности, но требует серьезных материальных затрат и времени.

Для оперативного проведения простых технологических измерений полного светового потока нами был выбран так называемый метод «интегрирующей сферы», изложенный М. М. Гуревичем . В нем неизвестный световой поток сопоставляется с заранее вычисленным световым потоком образцового осесимметричного источника. Этот метод позволяет проводить измерения светового потока источника с произвольным распределением излучения в окружающем пространстве на порядки быстрее, чем гониометрический метод (рис. 13).

Рис.13. Измерение светового потока с помощью фотометрического шара

Такое сопоставление производится с помощью фотометрического шара, имеющего достаточно большой диаметр, окрашенного изнутри матовой белой краской и рассеивающего свет в соответствии с законом Ламберта.

Теория фотометрического шара показывает, что световой поток, рассеиваемый его внутренней стенкой, распределяется по ней весьма равномерно. Поэтому если внутрь полой сферы, стенка которой имеет во всех точках одинаковый коэффициент отражения ρ, поместить источник S, излучающий световой поток Ф, то отраженный от стенки шара поток ρФ создаст во всех точках одну и ту же освещенность

где r - радиус поверхности шара.

Вторично отраженный световой поток ρ 2 Ф снова равномерно распределится по стенке шара, и дополнительная освещенность окажется:

Общую (суммарную) освещенность в некоторой точке М на внутренней поверхности шара можно рассчитать следующим образом:

где E и - освещенность в некоторой точке М при непосредственном падении света на поверхность шара. Очевидно, что эта величина не будет одинакова во всех точках, поскольку зависит как от положения источника S внутри шара, так и от его светораспределения.

Однако если с помощью малого непрозрачного экрана Э (рис. 13), помещенного вовнутрь шара, защитить от попадания света непосредственно от источника малый участок стенки около точки М, то освещенность этого участка будет следующая:

где α - коэффициент пропорциональности, зависящий только от свойств шара.

Поэтому если испытуемый источник S со световым потоком Ф заменить внутри шара на образцовый источник S 0 c известным световым потоком Ф 0 , то очевидно, что освещенность в точке М будет:

Или, разделив выражение (14) на (15), получим:

Рис. 14. Вариант измерения полного светового потока светодиода

Установив тем или другим способом отношение освещенностей, можно определить световой поток Ф интересующего нас источника.

В связи с тем, что излучение светодиодов направленное, и угол излучения не превышает 2. возможно упрощение конструкции прибора за счет установки исследуемых светодиодов в стенке шара. Тем самым снижается количество элементов конструкции внутри шара и, следовательно, его геометрические размеры. Шар выполняется с двумя отверстиями. За первым размещается фотодиод с молочным стеклом и набором корригирующих светофильтров, а за вторым - исследуемые светодиоды (рис. 14).

Определив реакцию фотодиода на излучение - например, фототоки, возникающие в измерительной цепи, - находим отношение i/i 0 и Е/Е 0 , которые можно считать равными между собой, и вычисляем световой поток Ф согласно выражению (16).

В результате реализации на практике вышеизложенного метода мы получили рабочее средство измерения полного потока, показанного на рис. 15. Погрешность измерения полного светового потока белых светодиодов составила 7,0%, цветных светодиодов - 10,0%.

Рис. 15. Внешний вид опытного экземпляра прибора «ТКА-КК» для измерения полного светового потока излучающего светодиода

Рис. 16. Фотоприемное устройство (ФПУ) спектроколориметра

Дополнительные погрешности суммарной спектральной коррекции, возникающие из-за селективности коэффициента отражения интегрирующей сферы, достаточно просто устраняются коррегирующими фильтрами. Измерения полного светового потока могут проводиться за считанные секунды операторами любого уровня квалификации (рис. 15).

Измерение цветовых характеристик источников оптического излучения

Общая концепция построения приборов

Приборы ООО «НТП «ТКА» для определения цветовых характеристик источников (спектроколориметры) основаны на измерении спектрального состава оптического излучения с последующей математической обработкой результатов.

Координаты цвета источников определяются значениями трех интегралов, взятых в пределах видимого спектра:

где Ф еλ (λ) - спектральная плотность потока излучения; x‾(λ),y‾(λ),z‾(λ) - удельные координаты цветности.

Координаты цветности рассчитываются:

Фотоприемное устройство спектроколориметра показано на рис. 16.

Излучение исследуемого источника, пройдя отделение для формирования пространственной характеристики (1), попадает в диспергирующее устройство. Устройство представляет собой полихроматор (2) с регистрацией разложенного излучения фотодиодной линейкой (3). Рабочий спектральный диапазон обусловлен характером поставленных задач.

При определении коррелированной цветовой температуры спектральная плотность энергетической светимости М еλ (Вт·м3) абсолютно черного тела (АЧТ) определяется в соответствии с законом Планка по формуле:

Координаты цвета АЧТ при данной температуре Т рассчитываются по формулам (17). Затем применяется переход от системы цветовых координат х, у МКО 1931 г. в более равноконтрастную систему u’, v’ МКО 1976 г. по следующим формулам:

Такой же пересчет цветности производится для исследуемого источника излучения. Затем определяется массив координат цветности АЧТ и соответствующий массив температур.

Минимальное расстояние в пространстве u, v между точкой цветности исследуемого источника (u0’, v0’) и точками цветности массива линии АЧТ (ui’, vi’) (рис. 17) определяется по формуле:

Рис. 17. Линия АЧТ в системе цветовых координат u’,v’

Затем сопоставляется рассчитанный массив цветности и массив температур АЧТ и определяется температура исследуемого источника Тj, соответствующая определенной точке цветности (u j , v j).

Разработанный спектроколориметр «ТКА-ВД» предназначен для определения спектрального состава источника оптического излучения с последующим вычислением цветовых координат в выбранной системе координат (рис. 18). Оптическая схема прибора представляет собой полихроматор на дифракционной решетке с регистрацией разложенного излучения фотодиодной линейкой. Рабочий спектральный диапазон прибора (380–760) нм. Диапазон линейности сигналов достигает шести порядков. В зависимости от конфигурации входного устройства прибор работает как в режиме яркомера, так и в режиме измерения освещенности. Спектральное разрешение прибора не превышает 3 нм.

Рис. 18. Внешний вид спектроколориметра «ТКА-ВД»

Заключение

В заключение хочется отметить следующее. Прибор становится измерительным средством тогда, когда он метрологически обеспечен. Порой на метрологию затрачиваются усилия, соизмеримые с усилиями, затраченными на разработку самого прибора. ООО «НТП «ТКА» оснащено современным, в том числе уникальным оборудованием, которое обеспечивает проведение калибровочных и поверочных (силами «Тест-Санкт-Петербург») работ при выпуске приборов серии «ТКА». По каждому типу приборов имеется утвержденное метрологическое обеспечение измерений и эталоны соответствующего уровня, госповерка которых ежегодно проводится в уполномоченных организациях Госстандарта РФ. Специалистами центра проводятся консультации по вопросам возможности применения приборов для решения конкретных задач и даются рекомендации по наилучшему выбору среди них. По заданию министерств, ведомств и отдельных заказчиков выполняются научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, связанные как с разработкой новых типов приборов, так и с исследованиями воздействия физических факторов на материальные объекты и изучением происходящих в связи с этим изменений.

Литература

1. www.ledcommunity.ru (Сайт объединения людей, сфера деятельности которых связана со светодиодной индустрией.)
2. Заутер Г., Линдеманн М., Шперлинг А., Оно О. Фотометрия светодиодов // Светотехника. 2004. № 3.
3. Никифоров С. Измерительная лаборатория для комплексного исследования характеристик светодиодов, применяемых в системах отображения информации // Компоненты и технологии. 2007. № 7.
4. Круглов О. В., Кузьмин В. Н., Томский К. А. Измерение светового потока светодиодов // Светотехника. 2009. № 3.
5. Сапожников Р. А. Теоретическая фотометрия. Л.: Энергия. 1977.
6. Гуревич М. М. Фотометрия (теория, методы и приборы). Л.: Энергоатомиздат. 1983.