Источники излучения для ИК-влагомеров
Источники излучения (ИИ) в первичном преобразователе влагомера (ВИК), основанного на методе ИК-спектрометрии, служат для создания потока излучения со спектральными интервалами, выбранными для реализации в приборе метода ИК-спектрометрии. Характер излучения зависит от вида излучателей, которые отличаются как излучательной способностью, так и шириной спектра излучения. Выбор типа ИИ оказывает влияние на основные параметры первичного преобразователя, его схему, конструкцию и работу. Спектральные характеристики ИИ должны хорошо согласовываться со спектральными интервалами выбранного ИК-метода, а также с характеристиками фотоприемника. Фотоприемники, используемые в ВИК, в области спектральных интервалов , , имеют практически постоянную спектральную чувствительность. Поэтому мерой степени соответствия спектральных характеристик системы источник – среда (ИМ) – фотоприемник можно представить коэффициентом корреляции между спектральными характеристиками ИИ и ИМ: , где – относительная спектральная плотность излучения источника излучения с полушириной и максимумом на длине волны ; – относительная спектральная плотность коэффициента пропускания ИМ с полушириной и минимумом на длине волны ( = 1, 2, 3). Интенсивность прошедшего через ИМ потока излучения равна . (6.16) Подставляя в выражение (6.16) функции = и = , получаем выражение зависимости Ф от интенсивности падающего излучения и коэффициентов пропускания абсолютно сухого и влажного материала на длине волны : , (6.17) где = ( ; ; ) – спектральный коэффициент, учитывающий взаимное расположение спектральных характеристик излучателя и коэффициента пропускания ИМ; – смещение экстремумов спектральных характеристик ИИ и ИМ. Спектральный коэффициент изменяется от 0 до 1. Относительная чувствительность измерения влагосодержания имеет вид . (6.18) Подставляя выражение (6.17) в выражение (6.18), получаем относительную чувствительность для одноволнового ИК-метода измерения влажности:
. При = 1 = ; при = 0 = 0. Для двухволнового метода излучения при ( ) = ( ) значение относительной чувствительности равно: . При = 1 = ; при = 0 = 0. Для аналитической длины волны спектральный коэффициент должен стремиться к 1, для опорных длин волн – к нулю. Выбор ИИ, стабильность его спектральных характеристик влияет на Ф, а следовательно, на точность измерения количества влаги в ИМ. На выбор ИИ также влияют его габаритные размеры и масса, выделяемая тепловая энергия, надежность, срок службы и др. По характеру спектрального распределения излучения ИИ делятся на источники с непрерывным, полосовым и линейчатым спектром. Наиболее распространенными ИИ с непрерывным спектром являются лампы накаливания. Положение максимума спектра излучения зависит от рабочей температуры нити накала, определяемой значением питающего напряжения. Относительную спектральную плотность излучения на длине волны для тел накаливания можно рассчитать по формуле
. Недостатком ламп накаливания (ЛН) является постепенное распыление нити накала при горении, что ослабляет мощность излучения и в дальнейшем выводит ЛН из строя. ЛН имеют большую инерционность (постоянная времени 5×10-2 ¸ 10-1 с). Для модуляции светового потока ЛН и выделения спектральных интервалов , , применяют узкополосные светофильтры, установленные на вращающемся с постоянной скоростью диске. Светофильтры характеризуются длиной волны максимального пропускания, полушириной спектральной характеристики , и коэффициентом пропускания на .Светофильтры широко используют в промышленных ВИК. К их недостаткам относятся механическая модуляция светового потока и непостоянство отношения плотностей излучения на спектральных интервалах при изменении питающего напряжения ЛН. Для устранения последнего недостатка применяют раздельные источники излучения на каждый спектральный интервал , , . Перспективным является применение узкополосных источников ИК излучения: оптических квантовых генераторов (ОКГ), имеющих линейчатый спектр излучения, и инжекционных светодиодов (СД), обладающих полосовым спектром излучения. Инжекционные СД представляют собой излучающий - -переход, свечение которого обусловлено интенсивностью рекомбинации в нем носителей тока при смещении перехода в прямом направлении. Энергия излучения квантов , эB, и их длина волны , нм, связаны между собой соотношением СД имеют высокое быстродействие, которое характеризуется величиной порядка 10-8 – 10-9 с. На СД легко осуществляется полная электрическая модуляция светового потока по току. Характеристика интенсивности излучения СД в зависимости от плотности тока имеет нелинейный начальный участок (до плотности 100 А/см2), соответствующий низким интенсивностям, и почти линейный при дальнейшем увеличении тока. Для повышения интенсивности излучения СД по отношению к номинальному значению увеличивают величину тока и скважность питающих импульсов. Применение СД имеет преимущество перед тепловыми ИИ благодаря большей относительной плотности энергии на спектральных интервалах , , . Так, светодиоды из антимонида галлия при температуре Т = 300К имеют максимум излучения около длины волны = 1,78 мкм с = 0,15 мкм. Спектральные характеристики СД зависят от степени легирования В настоящее время разработаны высокоэффективные СД на основе гетеропереходов - (для измерения на аналитической длине волны = l,92 мкм) и - (для измерения на аналитической длине волны = 1,44 мкм). На рис. 6.4 приведены экспериментальные зависимости прошедшего излучения СД на основе антимонида галлия от влажности текстильных материалов (кривая 1 – для чистошерстяных тканей, кривая 2 – для нетканого материала из смеси 50% шерсти и 50% лавсана). Разница в изменении интенсивности прошедшего излучения при одной и той же влажности для различных материалов обусловлена большей поверхностной плотностью у нетканого материала. Рис. 6.4. Зависимость пропускания излучения светодиода В качестве опорного сигнала длиной волны можно применять светодиоды на основе тройных твердых растворов антимонида галлия и алюминия с максимумом излучения = 1,79 мкм, где у различных тканей наблюдается плато на спектральных характеристиках. Зависимости изменения интенсивности отражения излучения СД от влажности текстильного материала на длинах волн = 1,93 мкм (рис. 6.5) для образца шерстяной ткани арт. 11108 (кривая 1), шелковой арт. 32380 (кривая 2), льняной арт. 05228 (кривая 3), а также на длине волны = 1,79 мкм соответственно кривые 1¢, 2¢, 3¢. Рис. 6.5. Зависимость изменения интенсивности отражения Из анализа полученных зависимостей видно, что на аналитической длине волны = 1,93 мкм чувствительность к влагосодержанию достаточно высокая (до 40% влагосодержания образцов). Однако сказывается влияние вида волокна. На интенсивность отраженного излучения = 1,79 мкм влагосодержание в пределах 0 ¸ 25% влияет незначительно. При дальнейшем увеличении влагосодержания эта зависимость становится нелинейной и сказывается влияние вида волокна. Таким образом, опорный сигнал можно применять на данной длине волны в диапазоне 0 ¸ 25% влагосодержания материала. Практический интерес для построения ВИК представляют сдвоенные светодиоды, т. е. два кристалла - -переходов на различные длины волн, собранные на одной подложке. Применение такой конструкции значительно упрощает построение первичного преобразователя ВИК. В настоящее время использование светодиодов в промышленных ВИК сдерживается отсутствием промышленных образцов светодиодов на спектральные интервалы , , . ОКГ имеют очень высокую монохроматичность и когерентность излучения, достаточно высокую эффективность и мощность излучения. Однако применение их в ВИК ограничено значительными габаритными размерами ОКГ, нечеткой работой при низких температурах и невысокой частотой излучения в случае импульсного питания. В табл. 6.3 приведены значения спектрального коэффициента при измерении значения влагосодержания на аналитической длине волны = 1,92 мкм с полушириной = 0,09 мкм для различного типа источников ВИК. Для уменьшения влияния взаимного расположения спектральных характеристик исследуемого материала и ИИ можно выбрать источник излучения с полушириной спектральной характеристики , большей, чем полуширина полосы поглощения воды . Табл. 6.3 Значения коэффициента a1 от типа источника излучения
©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|