Измерение освещенности

Освещенность Е – поверхностная плотность светового потока.

.

Для измерения освещенности используются люксметры: зрительные и фотоэлектрические.

Фотоэлектрические люксметры состоят из двух узлов: 1) фотоэлемент; 2) гальванометр.

При измерении освещенности с помощью физических люксметров необходимо, чтобы соблюдалось прямо пропорциональная зависимость фототока от освещенности.

В качестве фотоэлементов используются чаще всего селеновые. Фотоэлектрические люксметры с селеновыми фотоэлементами без исправляющих светофильтров будут давать правильные показания измеряемой освещенности только при освещении источниками света такой цветовой температуры или источниками света с таким спектральным составом, при которых была произведена их предварительная градуировка. Чаще всего градуировка производится по стандартному источнику белого цвета «А», спектр которого близок к спектру излучений в лампах накаливания мощностью 200-300 Вт. Для измерений таким люксметром освещенностей в установках с другими источниками (направленные люминесцентные лампы и т.д.) предварительно должно быть определены поправочные коэффициенты или произведена особая градуировка.

Для расширения диапазона измеряемых величин освещенности фотоэлектрические люксметры снабжаются дополнительными устройствами (диафрагмы, нейтральные светофильтры, шунты в цепи гальванометра). Марки выпускаемых люксметров: Ю-116, Ю-117 (устаревшие модели)

В настоящее время выпускается люксметр, в качестве приемника которого используется кремний (фирма «Кварц» г. Черновцы), в Санкт-Петербурге выпускается серия приборов марки ТКА, в Москве приборы типа «АРГУС» с цифровой индикацией. За границей известной маркой люксметров приборы фирмы TESTO (Германия).

6. Методы измерения светового потока.

1п. Световой поток источников излучения чаще всего измеряется с помощью светомерного шара. Светомерный шар состоит из двух полусфер чаще всего, внутри покрытых белой матовой краской с высоким коэффициентом отражения ~ 0,96 (серно-кислый барий; двуокись титана; цинковые белила). Диаметр шара может быть от 0,5 – 5 м. В шаре имеется фотометрическое отверстие, через которое производится измерение.

На стеклах шара происходит многократное отражение светового потока источника излучения, помещенного в шар. Освещенность на стенках шара складывается из освещенности от прямых лучей (Е₁) и освещенности от многократных отражений, которая прямо пропорционально связана со световым потоком выражением , где ρ – коэффициент отражения; r – радиус шара; Ф – световой поток.

Если исключить величину Е₁ – освещенность от прямых лучей, то освещенность, измеренная в любой точке поверхности будет пропорциональна Ф. Для исключения Е₁ на пути лучей, идущих на фотометрическое отверстие, ставится экран (Э).

Самый распространенный способ измерения светового потока в шаре – это метод сравнения светового потока источника исследуемого с эталонным источником, у которого поток известен. Источники по очереди помещаются в центр шара, и измеряется освещенность или яркость фотометрического отверстия, перекрытого молочным стеклом (М), либо с помощью фотоэлемента (люксметра), либо с помощью фотометрической головки.

2 п.Зональный метод измерения светового потока

Световой поток является эффективным потоком в системе световых величин. Согласно ГОСТ 7637 он определяется как мощность лучистой энергии, оцениваемая по световому ощущению, которое она производит.

Световой поток излучения со сплошным спектром определяется уравнением

, (1)

где V(λ) – относительная спектральная световая эффективность излучения;

Ф_еλ(λ) – спектральная плотность излучения источника с длиной волны λ;

683 – эквивалент 1 Вт лучистого потока однородного излучения с длиной волны λ = 0,555 мкм.

Величина светового потока в некоторой зоне пространства связана со значением силы света выражением

, (2)

где I_α – сила, света для направления α, кд;

dω – зональный телесный угол, стер., в пределах которого равномерно распределен световой поток dФ_α.

Для симметричных источников света

, (3)

где (4)

Если имеется продольная (меридиональная) кривая силы света симметричного источника в полярной системе координат, то полный световой поток определяется суммой зональных потоков.

(5)

Этот расчетный метод определения световых потоков по фотометрическому телу распределения силы света называется методом зональных телесных углов. Для симметричных источников с плавным изменением силы света I = φ(α) значения телесных углов (ω) принимаются в интервале через 10°.

7. Методы измерения силы света (использование закона квадратов расстояния).

Измерение силы света.

I – сила света, это пространственная плотность светового потока:

Приближенно силу света можно измерить, используя люксметр.

; .

Для более точного определения силы света используется светомерная скамья – это жесткая конструкция, на которой удобно закреплять и перемещать источники, экраны, приемники. Длина их от 1,5 до 5 м., снабжена масштабной линейкой (цена деления 1 мм.)

Зрительные измерения силы света

1 способ – метод сличения. Наблюдаем визуально поля сравнения в фотометрической головке, освещаемые исследуемым источником (I_x) и светоизмерительной лампой (I_св), перемещаем головку между источниками, добиваясь фотометрического равновесия, когда L_x = L _св.

Если яркости полей сравнения равны, будут равны и освещенности E_x = E_св.

; ; тогда ;

2 – способ – схема замещения.

Исследуемый источник и светоизмерительная лампы поочередно сличаются с некоторым третьим источником – лампой сравнения, которая устанавливается с другой стороны и жестко соединяется с фотометрической головкой, перемещаясь вместе с ней.

; ;

; ; ; Отсюда: ;

3 – способ – физические измерения (постоянные фототоки). В качестве приемника излучения берется селеновый фотоэлемент, который поочередно освещается сравниваемыми источниками, фотоэлемент перемещается относительно источников таким образом, чтобы фототоки от них были равными.

I_св=I_x=const

Если фототоки равны, значит равны и освещенности.

E_св = E_x.;

;

Значит: ;

тогда ;

4 – способ – физические измерения (постоянные расстояния).

l _св= l _x=const, например, l = 1м.

; E _св ~ i _св;

; E _x ~ i_x; ;

Фотоэлемент должен быть защищен от постороннего света.

8. Основные методы и схемы измерения коэффициентов отражения, пропускания и поглощения.

Ф=Ф_ρ+Ф_α+Ф_τ:

;

; ρ+α+τ=1.

;

Виды отражения: правильное (от зеркальных, гладких поверхностей), рассеянное (свет отражается во все стороны без преобладания), полурассеянное (имеется преобладающее направление), смешанное.

Измерение коэффициента правильного отражения.

Лампа «В» освещает белую матовую испытательную пластинку «S». Ее яркость измеряется либо яркомером, либо фотоэлементом в произвольном направлении «abc» (А₁). Затем испытуемая поверхность «Д», коэффициент которой надо определить, ставится на пути луча «ab». Прибор «А₁» ставится в положение «А₂» по пути отраженного луча «bd» и теперь измеряется яркость изображения испытуемой пластинки «S₁».

Коэффициент отражения ρ = отношению яркостей изображения испытуемой пластинки S₁ к яркости самой испытательной пластинки.

При использовании фотоэлемента коэффициент отражения ρ равен отношению освещенностей изображения испытуемой пластинки к освещенности самой испытательной пластинки.

Измерение коэффициента рассеянного отражения (в шаре).

Шар в месте «А» имеет отверстие, которое может закрываться крышкой, выкрашенной так же, как и стенки шара. Она закрывается. На нее падают лучи от источника «В». В этом случае измеряется яркость L₁ стенки вместе «С», при этом место «С» освещается и прямыми лучами (щитка «К» нет). Затем на место крышки ставится измеряемая пластина и опять измеряется L ₂ яркость места «С», прикрытого щитком «К» от прямых лучей.

Виды пропускания: направленное (прозрачные среды),

рассеянное (мутные среды),

полурассеянное (полупрозрачные среды).

Измерение коэффициента пропускания для данного направления.

1. По освещенности или по силе света.

Измеряется освещенность Е ₀ испытуемой пластинки светоизмерительного прибора «А». (Это можно делать на скамье) от прямых лучей источника «В». Затем лучи света преграждаются исследуемым образом «Д». Снова измеряют Е ₁ освещенность испытуемой пластинки.

2. По яркости.

Измеряется яркость L ₀ испытуемой пластинки «S» яркометром «А». Затем на пути лучей от «S» к «А» ставится исследуемый образец «Д». Вновь измеряется яркость пластинки «S» - L ₁ через «Д» или самого предмета, если он является мутным. τ можно измерить под разными углами.

Измерение коэффициента поглощения.

1. Исследуемый образец «Д» помещается в световом шаре. Проводятся два измерения. Один раз лучи света от источника «В» непосредственно падают на стенку шара в месте «А»; измеряется яркость L ₀ стенки шара в месте «С» сквозь окно «Н». Исследуемый образец «Д» в это время находится вблизи середины шара, но вне пучка прямых лучей от источника. Затем измеряется яркость L ₁ стенки шара в месте «С», когда исследуемый образец находится на пути лучей от источника вблизи середины шара; при этом щиток «К» преграждает лучи от испытуемого предмета «Д» к месту «С».

2. Если измерены коэффициенты ρ и τ, то α=1-ρ-τ

1. Методы измерения яркости. Методы и схемы измерения коэффициента яркости.

Яркость L _α элементарного участка светящейся поверхности в направлении α определяется отношением силы света dI_α излучающего элемента к площади его проекции dA · CosA на плоскость, перпендикулярную этому направлению:

Есть прямой и косвенный метод определения яркости. Прямой способ измерения яркости L состоит в непосредственном сличении измеряемой яркости с образцовым прибором нита, создающим переменную, но известную по величине яркость поля сравнения, называемого яркометром.

Яркость связана c другими световыми величинами, например, силой света, которая сама по себе определяется через освещенность, поэтому для измерения яркости можно использовать измерительные устройства – люксметры, для чего их надо проградуировать по эталону яркости. В качестве эталона яркости можно использовать пластинку, покрытую окисью магния MgO или серно-кислым барием BaSO₄ с известным коэффициентом яркости r. Освещая ее источником с известной силой света, меняя расстояние между эталоном и пластинкой можно определить освещенность. Для матовой диффузной поверхности яркость пластинки выражается

При зрительных измерениях можно использовать одностороннюю светомерную скамью, одно из полей сравнения светомерной головки освещается лампой сравнения, другое поле освещается измеряемой яркостью.

Для измерения яркостей нитей ламп накаливания используются приборы, устройство которых подобно оптическим пирометрам.

В – светоизмерительная лампа; А – лампа сравнения; С – линза: линза дает увеличенное изображение некоторой части нити лампы «В» в плоскости, где расположена нить лампы сравнения. Глаз видит их рядом. Изменяя напряжение у «А» выравнивают ее яркость с яркостью источника «В». Т.о. известно, какой яркости соответствует определенное напряжение.

Для уменьшения яркости полей используются нейтральные светофильтры J, G, и H.

Определение коэффициента яркости.

1^ый способ.

Измеряется яркость исследуемой пластинки L_α, освещенность ее должна быть известна, тогда коэффициент яркости . Это следует из выражения для матовых поверхностей.

2^ой способ.

При соответствующих условия освещения измеряется яркость исследуемой пластинки «Д». Затем, на ее место ставится измерительная пластинка, у которой коэффициент яркости β ₀ известен для тех же условий освещения и наблюдения, как для испытуемой пластинки «Д».

.

10. Основные характеристики спектральных приборов (дисперсия, разрешающая способность, светосила).

Независимо от типа спектрального прибора они имеют общие характеристики: угловая и линейная дисперсия (Д).

А- преломляющий угол;

n – показатель преломления;

i₁ – угол падения на первую грань;

i₂ – угол падения на вторую грань;

i΄₁, i΄₂ – углы преломления.

Рис. Ход однородного луча в дисперсионной призме

Угол отклонения «α» является функцией трех величин, угла падения луча на призму, преломляющего угла и показателя преломления.

Дисперсионные свойства призмы выражаются угловой дисперсией.

Линейная дисперсия показывает, как быстро изменяется расстояние между спектральными линиями в фокальной плоскости в зависимости от длины волны. Она определяется числом «мм.» приходящихся на единичный интервал длин волн, обычно принятый в 1 . На практике используется обратная линейная дисперсия, это отношение . Обратная линейная дисперсия определяет интервал длин волн, измеряемый в , приходящийся на 1 мм длины спектра.

В приборах с дифракционными решетками линейная дисперсия мало меняется для различных участков спектра, это большое удобство при работе.

Линейная дисперсия связана с угловой дисперсией:

Разрешающая способность спектрального прибора представляет собой предельное значение спектрального интервала ∆λ, которое может быть получено при наименьшей возможной ширине входной щели.

Различают теоретическую и практическую (или реальную) разрешающую способность.

Теоретическая разрешающая способность «R» определяется дифракцией в действующем отверстии прибора и определяется:

,

где ∆λ – разность длин волн двух близких спектральных линий, которые прибор может дать раздельными при бесконечно узкой входной щели;

λ – средняя длина волны в интервале ∆λ..

Реальная разрешающая способность определяется шириной входной и выходной щели, разрешающей способностью приемника излучения (глаза, фотоэмульсии) и аберрациями фокусирующей и диспергирующей систем. Если «р» - наименьшее расстояние между линиями в спектре, раздельно различаемое приемником, то разрешаемый спектральный интервал «∆λ» определяется:

.

Тогда реальная разрешающая способность определяется:

,
т.е. она связана с линейной дисперсией прибора.

Существует критерий Рэлея: две спектральные линии считаются прибором разрешенными если провал между максимумами линий составляет не менее 20 % от максимального значения I_max.

Светосила спектрального прибора связана с освещенностью, создаваемой в фокальной плоскости объектива камеры в случае фотографической регистрации спектра, или с освещенностью на сетчатке глаза при визуальном наблюдении.

Светосила спектрального прибора с фотоэлектрической регистрацией спектра определяется потоком излучения, проходящим через выходное отверстие прибора.

Если обозначить площадь и фокусное расстояние коллиматорного объектива через Q и f, то отношение Q/f² определяет светосилу прибора. Это есть телесный угол, определяющий величину используемого спектральным прибором потока излучения.

1. Виды призм, используемых в спектральных приборах. Принцип действия и оптические схемы призменных монохроматоров.

Cпектральной призмой называется многогранник, сделанный из прозрачного вещества, обладающего значительной дисперсией показателя преломления dn/d λ .