1.3. Прилади для вимірювання оптичного випромінювання

Оптичні властивості тіл. Вимірювальні приймачі оптичного випромінювання. Люксметри. Прилади для вимірювання випромінювання при вирощуванні рослин. Прилади для вимірювання ультрафіолетового й інфрачервоного випромінювання.

Прочитайте і опрацюйте

Короткі теоретичні відомості та методичні вказівки

Оптичні властивості тіл

В установках і приладах для освітлення і опромінення, для вимірювання оптичного випромінювання застосовують прозорі і непрозорі матеріали. При проектуванні і експлуатації освітлювальних і опромінювальних установок необхідно знати основні оптичні (світлотехнічні) властивості матеріалів.

Потік випромінювання, що падає на тіло з непрозорого матеріалу, частково поглинається ним, а частково відбивається. Якщо тіло прозоре, то, крім відбиття і поглинання, частину потоку випромінювання воно пропускає. Для кількісної оцінки відбиття і пропускання користуються відповідними коефіцієнтами.

Коефіцієнтом відбиття р називають відношення потоку випромінювання Ф_р, відбитого тілом , до потоку випромінювання Ф, що падає на нього:

рЛ (1.3.1)

Ф

Коефіцієнт поглинання а дорівнює відношенню потоку випромінювання Ф_а, поглинутого тілом, до потоку випромінювання Ф, що падає на нього:

а = ^. (1.3-2)

Ф

Коефіцієнт пропускання т дорівнює відношенню потоку випромінювання Ф_т, що пройшов через тіло, до потоку випромінювання Ф, що падає на нього:

т = ^- (1-3.3)

Ф

Коефіцієнти відбиття, поглинання і пропускання можуть відноситись до інтегрального потоку випромінювання, потоків випромінювання окремих ділянок оптичного спектра (видимий, ультрафіолетовий, інфрачервоний) або до ефективних потоків (світловий, вітальний, бактерицидний, фотосинтезний). Відповідно до закону збереження енергії у всіх випадках Ф= Ф_р+ф_а+Ф_т.

Отож, для одного і того падаючого на тіло потоку

р + а + т=1. (1.3.4)

Більшість матеріалів відбивають і поглинають випромінювання вибірково, їх коефіцієнти відбиття, поглинання і пропускання для різних довжин хвиль неоднакові. Тому користуються поняттями спектральних коефіцієнтів відбиття Ря., поглинання о^ і пропускання т*.. Аналітично вони визначаються такими виразами:

йА а,=^. 3. (1-3.5...1.3.7)

Ф_{л Фл} ф_л

Залежно від властивостей поверхні тіла і внутрішньої її структури відбитий і пропущений випромінюваний потік може по-різному розподілятися в просторі. Розрізняють три види відбиття і пропускання: направлене (дзеркальне), розсіяне (дифузне) і направлено-розсіяне.

Направлене відбиття мають гладенькі поверхні, у яких розміри нерівностей малі порівняно з довжиною хвилі випромінювання (полірований метал, дзеркальне скло). При направленому відбитті кут

відбиття рівний куту падіння, а відбитий промінь знаходиться в одній площині з падаючим променем і перпендикуляром до відбиваючої поверхні в точці падіння.

При направленому пропусканні значення тілесного кута, у межах якого поширюється потік, що пройшов, також залишається незмінним.

У випадках розсіяного (дифузного) відбиття і пропускання від плоскої поверхні тілесний кут, у межах якого розповсюджується відбитий чи пропущений тілом потік випромінювання, рівний 2л. Відбите випромінювання при цьому розповсюджується рівномірно за всіма напрямками напівсфери.

У поверхонь з розсіяним відбиттям (гіпс, клейова фарба) нерівності перевищують довжину хвилі падаючого випромінювання.

Вимірювальні приймачі оптичного випромінювання

Вимірювальні приймачі оптичного випромінювання перетво­рюють енергію оптичного випромінювання в теплову, електричну, хімічну та інші види.

На практиці найбільш широке розповсюдження отримали приймачі, засновані на тепловій та фотоелектричній дії.

У теплових приймачах задача вимірювання оптичного випромінювання зводиться до вимірювання перепаду температур, зумовленого поглинанням енергії випромінювання приймачем.

Болометри. Принцип дії болометрів заснований на зміні залежного від температури електричного опору провідника.

У болометрах використовуються провідники у вигляді стрічки з міді, платини, нікелю або напівпровідників, поміщених у скляну або кварцеву колбу, з якої викачане повітря, з метою зменшення впливу коливань навколишньої температури і потоків повітря на чутливий елемент болометра.

Чутливість сучасних болометрів досягає 10"¹⁰ Вт.

Термоелектричні приймачі випромінювання. Дія термоелек­тричних приймачів (термопари, термоелементи та інші) заснована на виникненні термоелектрорушійної сили при нагріванні спаю різнорідних металів або напівпровідників.

У термоелектричних приймачах використовують спаї константану з манганіном, вісмуту з сурмою або оловом, спаї селенистого і сірчаного срібла з добавками міді і телуру. Термоелектрорушійна сила сучасної термопари, поміщеної у вакуумі досягає 500 мкВ на 1 °С перепаду температур між "холодним" і "гарячим" спаєм термопари.

Для компенсації зовнішніх впливів на термоелектричний приймач випромінювання зустрічно-послідовно вмикають два однакових приймачі, один з яких є вимірювальним, а другий - компенсаційним.

Чутливість термоелектричних приймачів випромінювання досягає 5 ВВт¹.

Фотоелектричні приймачі випромінювання. У цих приймачах енергія випромінювання безпосередньо перетворюється в електричну завдяки фотоефекту.

Залежно від механізму фотоелектричного ефекту приймачі поділяються на фотоелементи із зовнішнім фотоефектом, з внутрішнім фотоефектом і з фотоефектом у замикаючому шарі.

Люксметри. Застосовуються для вимірювання освітленості на певній площині. Найчастіше на виробництві застосовуються люксметри типу Ю116, Ю117. Люксметр складається з селенового фотоелемента, вмонтованого в пластмасову оправу з ручкою, гальванометра, шкала якого проградуйована в люксах, і з'єднувальних проводів. Селеновий фотоелемент являє собою стальну пластинку, на яку нанесено непрозорий для світлових променів шар селену. Поверхня селену покрита тонким прозорим шаром золота або платини. На границі між шаром золота і селену утворюється замикаючий шар з односторонньою провідністю.

Під дією світла в зовнішньому шарі селену звільняються електрони, які можуть рухатись через замикаючий шар лише від селену до золота. Якщо затискачі селенового фотоелемента з'єднані за допомогою провідників з гальванометром, то в замкненому колі виникне струм.

Для вимірювання великих освітленостей на селеновий фотоелемент надівається світлофільтр з коефіцієнтом пропускання один відсоток, що дозволяє збільшити межі вимірювання в 100 разів.

При вимірюванні люксметром освітленості від джерел світла із спектральним складом, який відрізняється від спектрального складу лампи розжарювання, вводять поправочні коефіцієнти (для люмінесцентних ламп типу ЛД - 0,9, типу ЛБ - 1,1).

Для вимірювання фотосинтезної опроміненості викорис­товують фітофотометри ФИТОМ-70 та ФФМ-71, спектральна чутливість яких близька до середньої спектральної чутливості листка рослини.

Для вимірювання ультрафіолетового опромінення використо­вують уфіметри УФИ-73 та УФД-73, ерметри УБФ та УФМ-71, бактометр УФБ-1А, ердозиметр УФД -1А.

Принцип дії уфіметрів оснований на перетворенні енергії ультрафіолетового випромінювання на електричні імпульси.

Для вимірювання інфрачервоного випромінювання використо­вується піранометр Янішевського, болометри і термоелементи з оптичним фільтром КС-19, пристрій ТФА-2, фотощуп ИВФ-1 тощо.

Запам'ятайте

Для кількісної оцінки оптичних властивостей матеріалів користуються коефіцієнтами відбиття, поглинання і пропускання.

При вибірковому поглинанні випромінювання тілами користуються спектральними коефіцієнтами відбиття, поглинання і пропускання.

Залежно від властивості поверхні тіла і внутрішньої структури розрізняють три види відбиття і пропускання: направлене (дзеркальне), розсіяне (дифузне) і направлено-розсіяне.

Приймачі оптичного випромінювання перетворюють енергію оптичного випромінювання в інші види енергії (теплову, електричну, хімічну). На практиці найбільш широке розповсюдження отримали приймачі теплової та фотоелектричної дії.

Принцип дії болометрів заснований на зміні залежного від температури електричного опору провідника.

Дія термоелектричних приймачів (термопари, термоелементи й інші) заснована на виникненні термоелектрорушійної сили при нагріванні спаю різнорідних металів або напівпровідників падаючим на нього випромінюванням.

У фотоелектричних приймачах енергія випромінювання безпосередньо перетворюється в електричну завдяки фотоефекту.

Питання для самоперевірки

1. Які ви знаєте оптичні властивості матеріалів?

2. Поясніть принцип дії і будову болометрів.

3. Поясніть принцип дії і будову термоелектричних приймачів оптичного випромінювання.

Поясніть принцип дії і будову фотоелектричних приймачів оптичного випромінювання

5. Будова і принцип дії люксметрів, їх застосування.

6. Які прилади використовуються для вимірювання фотосинтезної опроміненості?

7. Які прилади використовуються для вимірювання ультра фіолетового опромінення?

8. Які прилади використовуються для вимірювання інфрачервоного опромінення?

Тести

1. Коефіцієнтом відбиття називають:

• відношення падаючого потоку до відбитого потоку;

• відношення поглинутого потоку до відбитого потоку;

• відношення відбитого потоку до падаючого потоку.

2. Коефіцієнтом пропускання називають:

• відношення падаючого потоку до потоку, що пройшов через тіло;

• відношення потоку, що пройшов через тіло, до падаючого потоку;

• відношення відбитого потоку до падаючого потоку.

3. До поверхонь, що мають направлене відбиття, відносяться:

• полірований метал, дзеркальне скло;

• гіпс, клейова фарба;

• скло, вода.

4. До поверхонь, що мають розсіяне відбиття, відносяться:

• гіпс, клейова фарба;

• скло, вода;

• полірований метал, дзеркальне скло.

5. Принцип дії болометрів заснований на:

• виникненні термоелектрорушійної сили;

• безпосередньому перетворенні енергії випромінювання в електричну;

• зміні залежного від температури опору провідника.

6. Принцип дії термоелектричних приймачів заснований на:

• безпосередньому перетворенні енергії випромінювання в електричну;

• виникненні термоелектрорушійної сили;

• зміні залежного від температури опору провідника.

7. Принцип дії фотоелектричних приймачів заснований на:

• зміні залежного від температури опору провідника;

• безпосередньому перетворенні енергії випромінювання в електричну;

• на виникненні термоелектрорушійної сили.