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    专利名称:基于积分球的前向散射能见度仪外场检定装置及方法

    文章来源: 发布时间: 2021-05-10

    专利名称:基于积分球的前向散射能见度仪外场检定装置及方法

    申 请 号 

    CN2018104979669

    申 请 日 

    2018-05-22

    公开(公告)号

    CN 108761577 B

    公开(公告)日 

    2021-02-03

    申请(专利权)人 

    中国科学院合肥物质科学研究院

    发 明 人 

    程寅,刘建国,刘达新,雷勇,桂华侨,陆亦怀,余同柱

    专利类型 

    发明专利

    摘 要 

    发明提供一种基于积分球的前向散射能见度仪外场检定装置,包括积分球、可调节光阑、光电探测模块、信号预处理单元、模数转换电路、中央处理单元、信号输出电路和积分球支架。本发明通过在前向散射能见度仪散射光采样区安装积分球,设计积分球的进光孔和出光孔分别指向设备的发射端和接收端,并且在积分球进光孔处设计可调节光阑模拟散射光的定量变化,实现了光源强度、光电探测系统灵敏度、系统准确性的检定。本发明的装置具有体积小、结构简单、易于安装、操作便捷等特点,避免了传统检定中需要将设备从外场安装拆卸至实验室进行检定的繁琐过程,也避免了反复安装可能影响测量光路准确性的问题。

    主权项 

        1.一种基于积分球的前向散射能见度仪外场检定装置的检定方法,所述装置包括积分球、可调节光阑、光电探测模块、信号预处理单元、模数转换电路、中央处理单元、信号输出电路和积分球支架;所述积分球的球壁上开设有进光孔和出光孔,所述进光孔的直径大于前向散射能见度仪发射端的发射光束直径,所述出光孔的直径小于前向散射能见度仪接收端的接收光束直径;所述可调节光阑设置在进光孔的后端,用于控制进入积分球的光通量大小;所述光电探测模块安装在积分球的球壁上,用于接收积分球内壁上的反射光信号,进行光电转换后传输到信号预处理单元;所述信号预处理单元,用于对接收到的光电转换信号进行预处理,得到光电转换信号的电压值,并传输到模数转换电路;所述模数转换电路,用于在中央处理单元的控制下,对接收到的光电转换信号的电压值进行模数转换,得到数字量信号,并传输到中央处理单元;所述中央处理单元,用于对测量数据进行处理,得到处理结果,并传输到信号输出电路;所述信号输出电路,用于将处理结果进行上传;所述积分球支架,用于在测量时,将所述积分球安装固定在前向散射能见度仪发射端与接收端之间的光路交汇点处,使得所述进光孔指向前向散射能见度仪的发射端,所述出光孔指向前向散射能见度仪的接收端;其特征在于,该方法包括以下步骤:

      a、光源强度的检定步骤,具体包括:

      a1、将积分球通过积分球支架安装固定在待测前向散射能见度仪发射端与接收端之间的光路交汇点处,使得进光孔轴线与发射端的发射光束轴线重合,出光孔轴线与接收端的接收光束轴线重合;

      a2、将可调节光阑调至全开状态,使待测前向散射能见度仪发射端的发射光束全部进入积分球;

      a3、光电探测模块接收积分球内壁上的反射光信号,进行光电转换后传输到信号预处理单元;信号预处理单元对接收到的光电转换信号进行预处理,得到光电转换信号的电压值,并传输到模数转换电路;模数转换电路在中央处理单元的控制下,对接收到的光电转换信号的电压值进行模数转换,得到可调节光阑全开状态下光电探测模块收集的光功率信号Pad;

      a4、中央处理单元利用以下公式计算出光源强度信号 P:P=Pad/Kd其中,Kd 为通过标准能量光源实验获得的常数;

        a5、采用以下公式计算光源强度信号 P 与标准值 Pb 的偏离程度,如果偏离程度超出预设阈值范围,则判定光源老化或故障,通过信号输出电路输出报警信号:其中,η表示光源强度信号 P 与标准值Pb的偏离程度;

      b、光电探测系统灵敏度的检定步骤,具体包括:

      b1、将积分球通过积分球支架安装固定在待测前向散射能见度仪发射端与接收端之间的光路交汇点处,使得进光孔轴线与发射端的发射光束轴线重合,出光孔轴线与接收端的接收光束轴线重合;

      b2、将可调节光阑从全闭状态逐渐调至全开状态,使待测前向散射能见度仪发射端的发射光束从零至全部逐渐进入积分球;

      b3、光电探测模块接收积分球内壁上的反射光信号,进行光电转换后传输到信号预处理单元;信号预处理单元对接收到的光电转换信号进行预处理,得到光电转换信号的电压值,并传输到模数转换电路;模数转换电路在中央处理单元的控制下,对接收到的光电转换信号的电压值进行模数转换,得到可调节光阑从全闭状态至全开状态过程中光电探测模块收集的光功率信号 Pbdmin~Pbdmax,其中 Pbdmin 对应可调节光阑全闭状态下光电探测模块收集的光功率信号,Pbdmax 对应可调节光阑全开状态下光电探测模块收集的光功率信号;

      b4、在可调节光阑从全闭状态逐渐调至全开状态的过程中,记录待测前向散射能见度仪接收端通过积分球上的出光孔采样到的光功率信号Pbsmin~Pbsmax,其中,Pbsmin 对应可调节光阑全闭状态下待测前向散射能见度仪接收端通过积分球上的出光孔采样到的光功率信号,Pbsmax 对应可调节光阑全开状态下待测前向散射能见度仪接收端通过积分球上的出光孔采样到的光功率信号;

      b5、采用以下公式计算待测前向散射能见度仪的光电探测系统灵敏度,如果光电探测系统灵敏度小于标准值,则需要对待测前向散射能见度仪进行重新调试:

        其中,d 表示待测前向散射能见度仪的光电探测系统灵敏度;

      c、系统准确性的检定步骤,具体包括:

      c1、将积分球通过积分球支架安装固定在标准前向散射能见度仪发射端与接收端之间的光路交汇点处,使得进光孔轴线与发射端的发射光束轴线重合,出光孔轴线与接收端的接收光束轴线重合;

      c2、将可调节光阑从全闭状态逐渐调至全开状态,使标准前向散射能见度仪发射端的发射光束从零至全部逐渐进入积分球;

      c3、选取可调节光阑的若干个不同开放状态作为测量点,并记录标准前向散射能见度仪在选取的各个测量点测量到的能见度值 Vi;

      c4、将积分球通过积分球支架安装固定在待测前向散射能见度仪发射端与接收端之间的光路交汇点处,使得进光孔轴线与发射端的发射光束轴线重合,出光孔轴线与接收端的接收光束轴线重合;

      c5、将可调节光阑从全闭状态逐渐调至全开状态,使待测前向散射能见度仪发射端的发射光束从零至全部逐渐进入积分球;

      c6、记录待测前向散射能见度仪在步骤 c3 中选取的各个测量点测量到的能见度值 Vi′;

      c7、采用以下公式计算每个测量点的误差,如果存在误差超出预设阈值范围的测量点,即判定待测前向散射能见度仪的系统准确性为不合格:

      其中,εi 表示第 i 个测量点的误差,Vi 表示标准前向散射能见度仪在选取的第 i 个测量点测量到的能见度值,Vi′表示待测前向散射能见度仪在选取的第 i 个测量点测量到的能见度值,i=1,2,…,n;n 表示选取的测量点的个数。

      2.根据权利要求1所述的基于积分球的前向散射能见度仪外场检定装置的检定方法,其特征在于:步骤 a5 和步骤 c7 中的预设阈值范围均为±10%。

      3.根据权利要求1所述的基于积分球的前向散射能见度仪外场检定装置的检定方法,其特征在于:步骤 c3 中选取可调节光阑的若干个不同开放状态作为测量点,具体为选取可调节光阑全闭状态、1/4 全开状态、1/2 全开状态、3/4 全开状态以及全开状态作为测量点。

    IPC信息 

    IPC主分类号 

    G01W1/18

    IPC分类号 

    G01W1/18

       G 物理

        G01 测量;测试

          G01W 气象学(为气象用途所设计的雷达、声纳、激光雷达或类似系统入 G01S13/95,

            G01S15/88,G01S17/95)

              G01W1/00 气象学

                G01W1/18 ·气象学仪表的测试或校准〔1,2006.01〕

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