автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Комплексные исследования и создание измерителей видимого и ультрафиолетового излучения

А

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Томский Константин Абрамович

КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И СОЗДАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ВИДИМОГО И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность : 05Л1.07 - оптические и оптико-электронные приборы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель : профессор, доктор технических наук Ишанин Геннадий Григорьевич

г.Санкт-Петербург 1999

Содержание Глава 1. Введение.

1.1. Актуальность работы..............................................................5

1.2. Предмет и метод исследования, цель работы..............................7

1.3. Основные научные положения..................................................8

1.4. Практическое использование полученных результатов.................9

1.5. Апробация и объем работы......................................................10

Глава 2. Специальные измерители оптического излучения для музеев и библиотек

2.1. Постановка задачи.....................................................................11

2.2. Анализ динамического диапазона и спектрального состава естественной и искусственной облученности

в музеях г. Санкт-Петербурга.......................................................11

2.3. Критический обзор существовавших ранее измерителей видимого и ультрафиолетового излучения, используемых

в музеях и библиотеках, и их недостатки.......................................15

2.4 Исследование воздействия оптического излучения на

материалы музейных экспонатов...................................................17

2.5. Экспериментальное определение стойкости музейных

материалов к оптическому излучению...........................................20

2.6. Разработка технических требований на специальные измерители оптического излучения, пригодные для использования

в музеях и библиотеках...............................................................31

2.7. Выводы по главе........................................................................34

Глава 3. Приборы для оценки уровня УФ излучения Солнца воздействующего на организм и кожу человека.

3.1. Состояние вопроса и постановка задачи........................................36

3.2. Анализ воздействия солнечного излучения на организм

и кожу человека..........................................................................40

3.3. Метрологическое обеспечение измерения биоэффективных величин.41 3.4 Меры по ограничению нежелательного воздействия

УФ излучения Солнца на организм и кожу человека.........................44

3.5. Критический обзор измерителей, регистрирующих солнечное излучение воздействующее на организм человека............................46

3.6. Разработка технических требований для индивидуальных

средств измерения УФ излучения ..................................................47

3.7. Выводы по главе..........................................................................50

Глава 4. Приборы для контроля оптического излучения в производственных помещениях.

4.1. Состояние вопроса и анализ спектрального состава источников излучения в производственных помещениях...................................51

4.2. Критический обзор измерителей видимого и ультрафиолетового излучения пригодных для регистрации действующего на человека излучения в условиях промышленного производства.........................54

4.3. Нормирование и контроль освещенности в производственных помещениях.................................................................................55

4.4. Разработка технических требований на измерители оптического излучения для производственных помещениях.................................56

4.5. Выводы по главе..........................................................................58

4.6. Сводная таблица технических требований к рабочим средствам

для измерения оптического излучения............................................ 59

Глава 5. Разработка принципов построения и исследование элементной ба-

зы измерителей оптического излучения.

5.1. Общая концепция построения приборов для измерения

оптического излучения......................................................................60

5.2.. Обоснование возможности использования типа приемников оптического излучения в разрабатываемых измерителях и их дополнительные исследования........................................................68

5.3. Измерение спектральных характеристик отобранных для использования ПОИ...........................................................................79

5.4. Измерение энергетических характеристик отобранных для использования ПОИ ...........................................................................82

5.5. Результаты исследования ПОИ.......................................................84

5.6.. Выбор корригирующих фильтров и оценка погрешности

коррекции спектральной характеристики ПОИ.................................91

5.7. Измерение яркости протяженных источников излучения....................97

Глава 6. Анализ основных погрешностей измерителей оптического излучения.

6.1.. Структурный анализ погрешностей измерителя освещенности............101

6.2.. Анализ динамического диапазона и погрешностей

электронного измерительного канала.................................................116

6.3.. Анализ возможности увеличения чувствительности измерителей

при использовании базовых датчиков..............................................129

Глава 7. Измерители оптического излучения.

7.1. Комбинированный прибор ТКА-01/3 (люксметр + УФ радиометр)

для музеев и библиотек.................................................................140

7.2. Многоуровневый индикатор УФ излучения ТКА-02/2 для оценки воздействующего на человека солнечного излучения...........................................149

7.3. Особенности использования комбинированного прибора ТКА-01/3

для санитарных и медицинских обследований...................................156

7.4. УФ радиометр ТКА-А,В,С для раздельного измерения облученности в спектральных зонах в соответствии с их физиологическим воздействием......................................................157

7.5. Двухканальный фотометр Люксметр-яркомер ТКА-04/3.....................159

Выводы и заключение..........................................................................164

Литература.

Приложения : сертификаты, , методики поверки и испытаний, номограммы изменений цвета образцов, "Рекомендации по освещению музеев и библиотек", отзывы и акты внедрения,

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ 1.1. Актуальность работы

Потребность многочисленных служб охраны труда и санитарно-эпидемиологического надзора, научных и производственных лабораторий, институтов и учреждений культуры в метрологически аттестованных рабочих средствах измерения в настоящее время не удовлетворяется. Морально и физически устаревшие отдельные экземпляры УФ радиометров и значительный парк выпускавшихся до 1992 года отечественных люксметров не может быть использован в современных технических измерениях.

Сохранность музейных экспонатов во многом зависит от правильно примененного освещения, строгий контроль за которым должен осуществляться постоянно. Измерители оптического излучения (ИОИ) для музеев, как в видимой, так и в наиболее разрушительной ультрафиолетовой (УФ) области спектра, должны быть надежны, просты в управлении и иметь основные характеристики, обеспечивающие измерение излучения применяемых источников. Необходимым условием является и создание нормативной базы, устанавливающей максимально допустимые уровни освещенности и облученности для основных типов музейных материалов.

Постоянное развитие светотехнической отрасли привело к увеличению типов осветительных приборов и, соответственно, большому разнообразию их основных характеристик. Поэтому во всем мире ужесточились требования к соблюдению норм освещенности в производственных и офисных помещениях, причем измерения должны проводиться приборами имеющими коррекцию спектральной характеристики, приближенную к У(Я,) - относительной спектральной световой эффективности излучения для стандартного фотометрического наблюдателя МКО.

Повсеместное применение персональных компьютеров и ненадлежащее качество некоторых типов мониторов, сформировало проблему контроля диапазона изменения яркости мониторов и освещенности на рабочем месте оператора с целью сохранения здоровья людей, длительное время работающих с этой техникой.

В последнее время значительно возрос интерес к углубленным исследованиям физиологической эффективности оптического излучения, разработке научно

обоснованных основ комфортной световой среды, стремительно развивается «системный световой дизайн», все большее значение придается экологическим аспектам оптического и, в первую очередь, УФ излучения. Сотни тысяч жителей России получили возможность выезжать на отдых в страны с жарким климатом и повышенной солнечной радиацией. Отсутствие рекомендаций при выборе средств и методов защиты от опасного УФ переоблучения может привести к тяжелым заболеваниям кожи и глаз.

В настоящее время приборы на уровне рабочих средств измерения для решения перечисленных задач в России никто не разрабатывает и не производит.

Фундаментальные исследования в области оптики, создание новых оптических материалов, элементов и покрытий, научно-технические разработки оптического приборостроения не могут обходиться без измерений, при которых их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Вновь разрабатываемые оптические устройства, их узлы и элементы, уникальные методы измерений и испытаний обязаны пройти экспериментальные исследования для определения степени их соответствия установленным правилам и нормам метрологии.

Поэтому исследования в области УФ и видимого излучения, повышение качества и надежности измерений и создание измерителей является весьма актуальной задачей.

1.2. Предмет и метод исследования, цель работы.

Целью работы является исследование и разработка методов и средств измерения параметров оптического излучения в ультрафиолетовой и видимой области спектра и создание на этой основе современных измерительных приборов для использования в качестве рабочих средств измерения оптического излучения в различных областях деятельности.

Для достижения этой цели требовалось решить следующие задачи:

1. Проанализировать характеристики искусственных источников излучения, применяемых в музеях и библиотеках, производственных помещениях, а также провести анализ воздействия солнечного излучения на организм и кожу человека.

2. Установить динамический диапазон и спектральный состав оптического излучения, обеспечивающие сохранность материалов музейных экспонатов.

3. Осуществить критический обзор существующих для вышеназванных целей МОИ.

4. Разработать технические требования к приборам для измерения освещенности и УФ облученности в музеях и библиотеках, производственных помещениях при искусственном и естественном освещении.

5. Исследовать возможность создания простых и надежных устройств для регистрации видимого и УФ излучения по разработанным техническим требованиям.

6. Обосновать возможность надежного и достоверного измерения видимого и УФ излучения разного спектрального состава.

7. Уточнить методы исследования основных характеристик приемников оптического излучения (ПОИ), разработать специальное оборудование и провести измерения, позволяющие определить пригодность элементной базы для серийного производства разных типов проектируемых приборов.

8. Создать алгоритм расчета и составить программу для расчета корригирующих элементов для приведения спектральной чувствительности фотоприемника к выбранной мере с заданной погрешностью.

9. Разработать методику теоретического расчета погрешностей измерения проектируемых измерителей.

1.3 Основные научные результаты выносимые на защита.

1. На основе проведенных исследований и анализа динамического и спектрального диапазона оптического излучения, используемого в разных областях деятельности, сформулированы технические требования к серийным рабочим средствам измерения УФ-облученности и освещенности (не выпускаемым промышленностью), которые можно применять в музеях и библиотеках, на промышленных предприятиях и для индивидуального пользования.

2. Определены принципы построения измерителей, исследована их элементная база, для которой созданы установки и разработаны методики исследований, исходя из требований серийного производства.

3. Разработаны методика, алгоритм и программа подбора корригирующих фильтров, обеспечивающих приведение характеристики измерителей к относительной световой эффективности излучения для стандартного фотометрического наблюдателя МКО, эритемной кривой и к П-образным характеристикам в диапазонах А,В,С в ультрафиолетовой области спектра с учетом разброса спектральной чувствительности приемников и характеристик пропускания фильтров.

4. Разработаны, опробованы и нашли практическое применение методика, алгоритм и программа расчета погрешностей приведения спектральной чувствительности измерителей к выбранной мере.

5. Разработана методика расчета общей погрешности измерителей в целом с учетом погрешностей, связанных с температурным диапазоном его работы, и погрешностями, вносимыми электронным трактом.

6. Разработаны методика, алгоритм и программа оценки общей погрешности измерения прибора в целом при их метрологической аттестации в условиях серийного производства и Госповерки.

7. Теоретически произведен анализ возможности увеличения чувствительности измерителей, доказано и проверено на рабочих образцах, что температурная зависимость чувствительности приемника излучения, приводящая к существенной погрешности шкалы измерителей, может быть скомпенсирована при наличии датчика его температуры.

8. При использовании простых решений температурная составляющая основной погрешности может быть уменьшена до уровня 0,05-0,1%, что приведет к уменьшению общей погрешности в несколько раз, что будет использовано в

разработках нового поколения измерителей подобного типа с лучшими техническими характеристиками.

1.4. Практическое использование полученных результатов.

Разработаны технические требования для создания типового ряда ИОИ, используемых в качестве рабочих средств измерения в различных областях деятельности;

Исследованы изменения, происходящие в материалах музейных экспонатов под действием оптического излучения, и установлены пороговые значения УФ облученности для каждого типа материала;

Произведены исследования и осуществлен выбор элементной базы ИОИ; Разработана и нашла промышленное применение автоматизированная система выбора корригирующих элементов и расчета погрешностей коррекции, позволяющая снизить последнюю в серийных приборах до 3%; Созданы оригинальные действующие установки для измерения линейности ИОИ, позволяющие оценивать этот параметр в диапазоне до 7-ми порядков с использованием доступного и недорогого оборудования;

Теоретически рассчитаны и проанализированы основные погрешности ИОИ и сформулированы возможности увеличения чувствительности базовых ПОИ;

Доказана возможность создания измерителя яркости для протяженных объектов, в котором отсутствуют специальные оптические элементы; Создан унифицированный ряд высокоточных, прямоотсчетных люксметров, фотометров и радиометров с расширенными функциональными возможностями.

Работа проводилась совместно с коллективом фотометрической лаборатории научно-технического предприятия "ТКА". Личное участие автора заключалась в анализе состояния рассматриваемых вопросов и разработке методов испытаний; в разработке методов градуировки и определении предельных характеристик приборов; проведении всех экспериментов, расчетов и анализе результатов, в выборе оптических схем, их макетировании и испытании, разработке идеологии малого приборостроения применительно к конкретным типам новых приборов, выборе и обосновании применения фотоприемников, в разработке методов градуировки, расчете и анализе погрешности измерений.

1.5. Апробация работы.

Основные результаты и научные положения, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах : на Всероссийской Конференции «Оптика,Стекло,Лазеры-95», СПб, 1995г. на международной конференции «Физическая метрология», СПб, 1996г. на международном семинаре «Оптика, Инновация-96» на Лейпцигской инновационной ярмарке , Лейпциг, 1996г.

на международной конференции «Управление продукционным процессом растений в регулируемых условиях», СПб, 1996г.

на XI научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», Москва, 1996г,

на международных конференциях «Безопасность музеев», Новгород, 1993г., Москва 1994г., Киров, 1995г, Выборг 1998г.

на международных I-III светотехнических конференциях, Ленинград, 1993г., Суздаль, 1995г., Новгород, 1997г.

на Всероссийском семинаре «Безопасность библиотек и библиотечных фондов» , СПб, 1997г.,

на 2-ом Всероссийском семинаре-конференции "Информационные технологии в деятельности органов и учреждений ГСЭН", СПб, 1997г., на международном конгрессе "Art & Chimie", Париж, 1998г. на 4-ом Московском Международном Форуме "Технология Безопасности-99", Москва, 1999г.

на X научно-технической конференции «Фо