Лабораторная работа N 2

Калибровка шкалы оптической плотности регистрирующего микрофотометра ИФО – 451

1. Техническое описание

1, 1. Назначения.

Микрофотометр регистрирующий ИФО-451 предназначен для измерения оптических плотностей почернения в белом свете на прозрачных объектах -фотопленках, растрах, шкалах пропускания, фильтрах и масках, которые используются в различных процессах, в том числе в полиграфических. Прибор вычерчивает на диаграммной ленте или на бумаге профиль почернения в зависимости от координаты фотометрируемого участка

Одновременно на экране прибора можно наблюдать исследуемый участок объекта, увеличенный в 20 раз.

Измеряемая величина - оптическая плотность - определяется как

(1)

где - интенсивность светового потока, падающего на объект, - интенсивность светового потока, прошедшего через объект. В соответствии с формулой (1) значению соответствует ослабление светового потока в 10 раз, - ослаблению в 100 раз и т д.

Прибор может быть прокалиброван и в процентах пропускания т.е. можно измерять, величину отношения.

(2)

Микрофотометр построен таким образом, что фиксируется разность пропускания светлого места прозрачного объекта и зачерненного участка.

Главным отличительным качеством микрофотометра ИФО-451 от других денситометров и микрофотометров является возможность записывать на бумаге профиль оптической плотности объекта вдоль какого-либо выбранного направления с различным масштабом записи, например, 1: 1; 1: 2; 1: 5;..... 1: 200; 1300. При этом можно получить растянутое по диаграммной ленте изображение объекта в единицах оптической плотности

1, 2. Технические данные и метрологические характеристики прибора

1, 3. Принцип действия

Принцип работы двулучевого регистрирующего микрофотометра основан на сравнении – компарировании – светового потока Ф-1, прошедшего через измеряемый объект, со световым потоком оптической ветви Ф-2.прошедшим через прецизионный " серый" клин с переменной по длине оптической плотностью. На рис. 1 представлена принципиальная схема микрофотометра, работающего по принципу компарирования световых потоков Ф-1 и Ф-2. В этой схеме использован общий для обоих каналов источник света 1 и общий приемник излучения 6 - фотоэлектронный умножитель ФЭУ-17А

Сравниваемые световые штоки Ф-1 в Ф-2 поочередно проходят секторные вырезы в диске 7 модулятора, который вращается от электродвигателя 8. Если оба потока, попадающие на фотоприемник, одинаковы, то в анодной цепи ФЭУ фототек отсутствует, так как усилитель на постоянный ток не реагирует. Если потоки Ф-1 и Ф-2 не равны, то в анодной цепи ФЭУ появляется пульсирующий ток. К фотоэлектронному умножителю подключен усилители, переменного тока, настроенный на частоту модуляции световых пучков. Сигнал отработки поступает на управляющую обмотку серводвигателя 4, приводящего в движение фотометрический клин 3. В данном приборе клин наполнен линейным по оптической плотности. Кинематический клин связан с пером самописца. Следовательно, перемещение пера будет однозначно связано с оптической плотностью исследуемого объекта. Отработка будет происходить до выполнения условия Ф1 = Ф2.

2. Подготовка прибора к работе и инструкция по эксплуатации

2, 1. Подготовка к работе

Исходно все выключатели должны быть в положении " выключено".

а) После ознакомления с описанием работы и собеседования с преподавателем включите общий выключатель 11 (рис.2). Через 1-2 минуты включите выключатели 8 усилителя и 9 модулятора.

б) Установите измеряемый объект на предметный столик, прижмите его покровным стеклом и подожмите пружинными лапками.

в) Установите на рычаге требуемый масштаб записи.

г) Закрепите на самописце лист бумаги.

д) Установите требуемые ширину и высоту фотометрической щели.

е) Сфокусируйте изображение щели на экране

ж) Установите резкое изображение объекта вращением объектива.

з) Переведите тумблер 1 в одно из крайних положений (в любое). Если перо самописца при перекрывании пучка света двигается в сторону на оператора, перебреете тумблер 1 в другое крайнее положение. Проверкой правильности работы микрофотометра является движение пера от оператора при перекрывании светового пучка.

и) Установите перо на 5-10 мм от края листа бумаги в самописце изменением высоты или ширины щели. Если это не удается сделать, следует обратиться к преподавателю.

После выполнения процедур а) – и) прибор готов к работе

2, 2. Запись регистрограммы

Закрепите фломастер в держателе пера самописца и запишите нулевое положение пера, соответствующее светлому (полностью прозрачному) участку измеряемого объекта. Установите столик вблизи фотометрируемого участка, для чего следует отпустить стопор каретки (рис 2). Закрепить стопор каретки винтом 1, соединив каретку с масштабным рычагом. Переключателями 2 и 4 установить требуемую скорость записи.

Тумблером 3 привести в движение самописец и предметный столик, Направление движения столика указано на панели прибора радам с тумблером 3. Если масштаб запаси выбран неудачно, следует перевести столик самописца в одно из крайних положений и повторять все операции пункт 2, 2.

2, 3. Определение постоянной клина микрофотометра – градуировка прибора.

Для того, чтобы определить постоянную клина и тем самым отградуировать прибор, необходимо использовать стандартные образцы пропускания - фильтры с точно измеренным на образцовых денситометрах или фотометрах значением пропускания или оптической плотности В данной работе предусмотрено использования трех стандартных образцов пропускания, аттестованных в Государственном оптическом институте. Значения характеристик стандартных образцов следующие:

1. Стандартный образец из нейтрального серого

стекла НС-7 толщиной 3, 5 мм....................пропускание 41, 4%;

2. Стандартный образец из нейтрального серого

стекла НС-8 толщиной 3 мм.......................пропускание 14%;

3. Стандартный образец из нейтрального серого

стекла НС-11 толщиной О, 8 мм.................пропускание 6, 6%;

Для определения постоянной клина необходимо измерить (прописать) отклик прибора на стандартные образцы и проделать это для начала, середины и юнца шкалы. Чтобы имелась возможность оценки погрешности измерений, каждый стандартный образец необходимо прописать несколько раз. Наименьшее из разумных число независимых измерений нужно выбрать равным трем.

По трем независимым измерениям, записи которым можно сделать на одной диаграмме, следует найти среднее арифметическое значение:

(4)

Найдя среднее арифметическое значение, следует определить среднее квадратическое отклонение результатов измерения от среднего арифметического:

(5)

Поскольку в данном случае для определения погрешности (доверительного интервала) применимо распределение Стьюдента, доверительной вероятности 0, 9 (90%) будет соответствовать значение дроби Стьюдента, равное 3. Это означает, что значение погрешности выполненной таким образом градуировки будет равно утроенному значению среднего квадратического отклонения. Отклик прибора на стандартный фильтр в единицах длины перемещения клина записывается в виде:

(6)

Соответственно, постоянная клина для каждой точки будет равна:

(7)

Здесь - паспортное значение оптической плотности стандартного образца пропускания и - отклик прибора в мм на введение в поле зрения прибора этого образца.

Определив постоянную клина для начала, середины и конца шкалы по всем трем стандартным образцам для градуировки клина необходимо найти среднее значение , для чего нужно найти среднее арифметическое из значений , найденных для начала, середины и конца шкалы, а также найти среднее квадратическое отклонение постоянной клина как:

(8)

(9)

где - среднеквадратическое отклонение для постоянной клина, найденное для различных участков клина.

После выполнения всех указанных вычислений процедуру градуировки клина можно считать законченной. Окончательно за паспортное значение постоянной клина может приниматься знание:

(10)

Во всех последующих измерениях на данном экземпляре микрофотометра ИФО-451 в качестве паспортного значения постоянной клина должно использоваться это значение. При опенке погрешности измерения следует учитывать, что в изложенной методике доверительный интервал погрешности оценивался для доверительной вероятности 90%

2, 4. Оформление протокола измерений при аттестации клина.

В протоколе измерений должны быть указаны фамилии, имена и отчества лиц, проводящих измерения, а также номер группы.

Протокол должен содержать:

1. Данные о месте и времени проведения измерений

2. Климатические условия при измерениях: температуру, относительную влажность и давление в помещении, где проводились измерения.

3. Результаты измерений для начала, середины и юнца шкалы по прилагаемой форме.

4. Результаты вычислений постоянной клина дня начала, середины и конца шкалы.

5. График зависимости постоянной клина от джины клина в мм.

6. Окончательное значение постоянной клина с указанием погрешности измерений

Форма протокола измерений

3. Измерение оптической плотности вторичных стандартов пропускания для калибровки денситометров.

Поскольку в микрофотометре ИФО-451 используется принцип компарирования при измерениях оптической плотности, погрешности измерений на этом приборе будут значительно меньше тех, которые получаются на фотометрах с прямым измерением фототоков, поскольку вклад в погрешность, даваемый регистрирующим и усилительным трактами в данном приборе отсутствуют. В связи с этим результаты измерений оптической плотности на ИФО-451 могут использоваться для аттестации стандартов пропускания, используемых в менее точных фотометрах и денситометрах.

В данной работе предлагается провести измерения пропускания 0 оптической плотности пластинок из нейтрального серого стекла НС-8 различной толщины. Такие образцы входят в комплект каждого микрофотометра, спектрофотометра или денситометра. Они используются для контроля шкал приборов в протесе эксплуатации. Эти образцы официального метрологического статуса не имеют, поскольку не аттестованы на эталонах или на образцовых средствах измерения. Потребитель может сам измерить пропускание или оптическую плотность таких фильтров с тем, чтобы постоянно имелась возможность контроля работоспособности прибора, не связываясь с тщательной метрологической аттестацией.

Для этой цели в комплект ИФО-451 входят три пластинки из стекла НС-8 толщиной 1мм, 23 мм и4 мм. В процессе выполнения данной работы следует измерить оптическую плотность и пропускание этих пластинок после того, как будет прокалиброванотическийклинИФО-45} по стандартным образцам ГОИ.

Для выполнения этой части работы необходимо прописать пропускание образцов из стекла НС-8 так як, как при аттестации клина, но задачу нужно решать обратную, т.е. считая постоянную клина равной той, которая получилась при его аттестации, измерить пропускание образцов из стекла НС-8.

Следует также определить погрешность этих измерений, прописав пропускание каждого фильтра минимум три раза. Результаты измерений следует оформить в виде протокола измерений пропускания образцов стекла НС-8 в соответствии с прилагаемой формой протокола.

Форма протокола измерения пропускания образцов т стекла НС-8

По результатам аттестация образцов из стекла НС-8 следует составить протокол с указанием условии измерений, аналогичный тому, который составлен как протокол аттестации клина. В протоколе должны быть указаны основные метрологические характеристики фильтров из стекла НС-8

4. Порядок и форма отчетности

Отчет по работе должен содержать:

1.Таблицы (протоколы) измерений для градуировки клина и дня аттестации образцов из стекла, НС-8

2 График зависимости постоянной клина от координаты

3 Протокол измерений оптической плотности образцов из стекла НС-8 по следующей форме:

Форма протокола

Метрологические характеристики образцов стекла НС-8: 1.Указать место и время проведения измерений, ФИО выполнявших измерения, номер группы.

2. Оптическая плотность образцов:

а) Толщина 1 мм..............................................................

б) Толщина 2, 3 мм............................................................

в) Толщина 4 мм.............................................................

3. Погрешность измерения (доверительный интервал) при доверительной вероятности 90%:

а) Образец толщиной 1 мм.................................................

б) Образец толщиной 2, 3 мм..............................................

в) Образец толщиной 4 мм................................................

4. Климатические условия при измерениях:

а) Температура С...............................................................

б) Относительная влажность, %.......................................

в) Давление, кПа................................................................

5. Контрольные вопросы.

1. Какие физические величины можно измерять на микрофотометре ИФО-451?

2. Чем принципиально отличаются измерения на ИФО-451 от измерений на другом спектрофотометре, микрофотометре, денситометре?

3. Что таксе " постоянная клина" и что она определяет при измерениях на ИФО451?

4. Камой максимальной точности (или минимальной погрешности) можно достичь в измерениях на данном микрофотометре?

5. Можно ли достичь более высокой точности измерений чем та, которая получилась по Вашим измерениям? Если можно, то как это реализовать?