一種通過衰減片組合使用提高標定準確度的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于透過率測試領域,尤其涉及一種通過衰減片組合使用提高標定準確度 的方法。
【背景技術】
[0002] 煙霧氣溶膠與人工氣溶膠泛指固體粉塵凝集生產的霧狀物,氮氧化物或碳氫化物 經化學反應生成的二次污染物。煙霧光透過率被廣泛應用于火災檢測、工業環保與軍事領 域。
[0003] 日趨嚴格的安全要求和科技的迅速發展,使得煙霧光透過率測試方法需要不斷豐 富、改進。測試前的標定是透過率測試的基礎,也是獲得準確透過率數值的基礎,是提高測 試準確度的重要環節。在煙霧透過率測試等領域,透過率標定是測試必不可少的環節,也是 影響測試精度的最重要環節之一。通常做法是使用計量過的單片衰減片進行標定,獲得透 過率與相對光強的對應關系節點。
【發明內容】
[0004] 本發明公開了一種通過衰減片組合使用提高標定準確度的方法。測試系統通常采 用激光、可見光、紅外三個測試通道。透過率標定是測試中必不可少的重要環節,而使用衰 減片標定是通用的可靠做法。本發明通過將多個衰減片組合使用,在衰減片數量不變的情 況下,組合獲得更多新的透過率,利用幾何光學分析組合獲得的透過率理論值與經驗值的 相對偏差。透過率標定可按照激光、紅外、可見光的順序依次進行標定。另外,利用組合獲 得的新的透過率,進行標定對透過率標定曲線進行修正、校準,可獲得精度更高的透過率標 定曲線。標定時,一般依次選取透過率為:1%、1〇%,20%,30%...90%(實際透過率以計 量結果為準)的衰減片置于光路中進行標定,探測器可采用光敏電阻等。
【附圖說明】
[0005] 圖1是本發明的標定光路示意圖;
[0006] 圖2是本發明的單一衰減片的透射分量示意圖;
[0007] 圖3是本發明的兩個衰減片的一階透射分量示意圖;
[0008] 圖4是本發明的鏡圈親合不意圖;
[0009] 圖5是本發明的單衰減片透過率標定示意圖;
[0010] 圖6是本發明的利用衰減片組合分段插值出的透過率標定曲線;
[0011] 圖7是本發明的利用衰減片組合使用獲得的透過率擬合曲線。
【具體實施方式】
[0012] 在衰減片個數確定的情況下,為了獲得更多的標定數據,可以利用衰減片組合的 方式獲得新的透過率。
[0013] 1.組合衰減片的透過率經驗值與理論值相對偏差分析
[0014] 根據透過率的定義,衰減片的透過率等于衰減片的透射光強與入射光強的比值。
[0016]Ici為透射光強,I為入射光強,T為透過率。
[0017] 根據經驗,N片衰減片組合后的透過率I;等于各個衰減片透過率之積,即:
[0019] 但考慮到衰減片之間的存在光反射,實際的透過率不完全符合公式(2)。可以對衰 減片之間的光反射做理論分析,定量計算出經驗值與理論值之間的相對偏差。
[0020] 首先對單衰減片進行分析,在垂直入射的情況下,衰減片的反射率P與吸收率g 滿足以下條件:
[0022] 其中,Ii1為環境的折射率,n2為衰減片的折射率。
[0023] g=eaL (4)
[0024] 其中,L為光衰減片中的光程,a為吸收系數。為簡化分析,可使k=aL。若入 射光強為I,T。. ..T 〇到T階透射分量。則第i階透射光光強分量為:
[0025] I x=p21(1-P)2e(2l+1)kI (5)
[0026] 故單一衰減片的透過率T可表示為:
[0028] 由于透射光強隨著其階次升高而迅速減小,忽略2階及其以上階次光分量影響, 則透過率可表示為:
[0030] 兩個衰減片組合使用的情況:
[0031] 衰減片X和Y,折射率相同,設透過率分別為1\和T2。可以看到,沿光的入射方向 有4個界面,分析可知:入射光在第i個界面反射引起的一階光分量有i-1個。
[0032] 所以,當兩個衰減片組合時,零階和一階透射分量一共有7個,根據公式⑴可知 組合后透過率為:
過率的經驗值為:
[0040] 由上式可知:由于衰減片之間的光反射使的組合后的透過率理論值比經驗值要 大。
[0041] 進一步計算Tf3與T的相對誤差,假設ki=k2=k:
[0046] S卩,隨著透過率的減小(衰減率的增大)相對偏差趨向一個恒定值。
[0047] 2?衰減片組合方式
[0048] 將計量過的中性衰減片安裝于大小相等,兩端均有螺紋,可以相互耦合在一起的 鏡圈上。另外,鏡圈的一端可以直接擰在探測器鏡頭上。
[0049] 實際使用時,一般僅需根據要組合的目標透過率,選擇兩片計量過的衰減片安裝 于鏡圈上,再將它們耦合串接到一起。考慮到相對誤差增加、以及其他不確定因素增加等因 素,一般只選擇將兩個衰減片串接到一起的組合使用方式。取N個衰減片中的任意兩個,組 合在一起,可以得到個組合方式。使用前,一般要對兩個衰減片組合后的透過率也進行 計量。然后以計量后的透過率為準進行標定。
[0050] 3.使用衰減片組合裝置進行標定與修正
[0051] 使用單片衰減片進行標定時,首先通過測量可以獲得一組透過率與光強對應關系 的節點。然后分段線性插值出透過率標定曲線。由于光敏電阻的非線性影響,以及環境背 景光(特別是可見光波段)的存在,加之使用的單片衰減片標定獲得的數據有限,獲得的透 過率標定曲線精度不高,特別是非線性拐點處,標定曲線很難反映出透過率與相對光強的 變化關系。
[0052] 為了提高透過率標定曲線的精度,為節點過于稀疏的地方提供更多標定數據,特 別是對非線性拐點處進行修正。使用衰減片組合的方法,在衰減片數量有限的情況下,標定 獲得更多的標定參數,然后分段線性插值出新的透過率標定曲線。
[0053] 為了進一步分析透過率標定曲線的變化規律,與分段插值出的透過率標定曲線進 行對比,可以利用最小二乘法進一步對使用單片衰減片和衰減片組合的方式獲得的所有參 數進行擬合,獲得透過率擬合曲線。
【主權項】
1. 一種通過衰減片組合使用提高標定準確度的方法,其特征在于,將多個衰減片組合 使用,新的透過率并不完全等于經驗值,即組合后的透過率并不等于各個衰減片透過率之 積,使用前要對組合后的衰減片透過率進行計量,可以發現實際透過率值與經驗值近似相 等。2. 根據權利要求1所述的方法,多個衰減片組合使用獲得的透過率不完全等于各個衰 減片透過率之積,利用幾何光學的方法,可以計算得到多個衰減片組合后的透過率理論表 達式,并以此計算出經驗值與理論值的相對偏差。3. 根據權利要求1所述的方法,其特征在于,"衰減片組合裝置"是通過將單片、計量過 的、幾何尺寸相同的衰減片安裝在可以相互串接的"鏡圈"上,然后相互串接,組合而成的。4. 根據權利要求1所述的方法,其特征在于,使用衰減片組合裝置進行標定測試前,要 對組合的衰減片進行透過率計量,標定時以計量值為準,或在精度允許的情況下使用衰減 片組合裝置的透過率經驗值進行標定。5. 根據權利要求1所述的方法,其特征在于,使用衰減片組合裝置進行標定時,要使組 合后獲得的目標透過率具有典型性,針對標定曲線非線性差的特點,重點將衰減片組合后 的目標透過率值置于非線性拐點區域附近,以此標定,獲得更多的非線性拐點參數,從而繪 制出更加精確的非線性修正曲線。
【專利摘要】本發明公開了一種通過衰減片組合使用提高標定準確度的方法。根據經驗:多個衰減片組合使用,透過率近似等于單個衰減片透過率之積,但實際測量透過率會與經驗值存在偏差。利用幾何光學的方法對其進行分析,獲得理論值與經驗值的相對偏差。對組合的衰減片透過率進行計量,使用“組合裝置”的透過率進行標定。這樣可以在衰減片數量有限的情況下,通過組合使用的方式,獲得更多的非線性拐點參數,從而繪制出更精確的非線性修正曲線。
【IPC分類】G01N21/61, G01N21/01
【公開號】CN105067567
【申請號】CN201510557684
【發明人】毛光普, 張鵬, 劉科祥
【申請人】江蘇中科國騰科技有限公司
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年9月2日