Приложение В (обязательное). Определение относительных погрешностей средств измерений

Приложение В
(обязательное)

Определение относительных погрешностей средств измерений

В.1 Отклонение относительной спектральной чувствительности от функции V()

Показатель , определяющий качество коррекции относительной спектральной чувствительности приемника излучения под относительную спектральную световую эффективность, определяют по ГОСТ Р 54350.

В.2 Чувствительность к УФ-излучению

В.2.1 Чувствительность фотометрической головки к УФ-излучению u определяют отношением сигнала , при облучении фотометрической головки источником УФ-излучения с известными характеристиками в сочетании с определенным УФ-фильтром, к сигналу Y при облучении тем же источником без фильтра.

Погрешность чувствительности фотометрической головки в ближней УФ-области спектра рассчитывают по формуле

,

(В.1)

где определяют по формуле

,

(В.2)

где - спектральный коэффициент пропускания УФ-фильтра;

- спектральное распределение используемой УФ-лампы.

В.2.2 Чувствительность к УФ-излучению измеряют при освещении фотометрической головки лампой, спектральное распределение которой показано на рисунке В.1. УФ-фильтр должен иметь спектральный коэффициент пропускания, показанный на рисунке В.2. УФ-фильтр и любая вспомогательная оптика не должны быть источником излучения. Реакция фотометрической головки на излучение без УФ-фильтра должна превышать наименьший регистрируемый сигнал не менее чем в 1000 раз.

"Рисунок В.1 - Спектральное распределение лампы"

"Рисунок В.2 - Спектральный коэффициент пропускания УФ-фильтра"

В.2.3 Чувствительность к УФ-излучению должна быть указана в паспорте прибора.

В.3 Чувствительность к ИК-излучению

В.3.1 Чувствительность фотометрической головки к ИК-излучению r определяют отношением сигнала при облучении фотометрической головки галогенной лампой накаливания (источник типа А) в сочетании с определенным ИК-фильтром, к сигналу Y при облучении тем же источником без ИК-фильтра.

Погрешность чувствительности фотометрической головки в ближней ИК-области спектра рассчитывают по формуле

,

где определяют по формуле

(В.3)

,

(В.4)

где - спектральный коэффициент пропускания ИК-фильтра;

- спектральное распределение используемой лампы.

В.3.2 Спектральный коэффициент пропускания ИК-фильтра показан на рисунке В.3.

Реакция фотометрической головки на излучение без фильтра должна превышать наименьший регистрируемый сигнал не менее чем в 1000 раз.

"Рисунок В.3 - Спектральный коэффициент пропускания ИК-фильтра"

В.3.3 Чувствительность к ИК-излучению должна быть указана в паспорте фотометра.

В.4 Угловая чувствительность при измерении освещенности

В.4.1 При использовании фотометрической головки необходимо учитывать направление падающего на поверхность приемника света. Угловую характеристику определяют по форме и оптическому устройству фотометрической головки.

В.4.2 Оснащая фотометрическую головку диффузными насадками различной формы, специальными оптическими компонентами, можно реализовать специальные функции оценки. Оптические элементы включают в себя косинусные насадки для измерения освещенности на плоскости Е, насадки для измерения сферической освещенности , насадки для измерения полуцилиндрической освещенности и цилиндрической .

В.4.3 Для измерения угловой характеристики небольшой ИС устанавливают на расстоянии, превышающем размер ИС или приемной поверхности фотометрической головки в 20 раз.

Необходимо исключить рассеянный свет в области приемной поверхности фотометрической головки. Вращением фотометрической головки вокруг горизонтальной или вертикальной оси изменяют угол падения излучения по отношению к центру диффузной насадки. Центр вращения должен совпадать с центром диффузной насадки или с любыми точками, отмеченными производителем. Измерение проводят не менее чем в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Примечание - Для фотометрической головки с нелинейной зависимостью между входными и выходными данными результаты измерений должны быть исправлены с помощью измеренной градуировочной кривой фотометрической головки.

В.4.4 Зависимость показаний прибора от угла падения света (, ) характеризует выражение

,

(В.5)

где - выходной сигнал, зависящий от угла падения излучения;

- угол, измеряемый по отношению к нормали измерительной плоскости или оптической оси;

- азимутальный угол.

Для определения интегральной погрешности угловой характеристики с помощью формулы (В.5) используют функцию

,

(В.6)

Примечание - Использование этой формулы предполагает наличие цилиндрической симметрии.

В.4.5 При измерении сферической освещенности отклонение угловой характеристики фотометрической головки определяют по формуле

,

(В.7)

Для определения интегральной погрешности угловой характеристики с помощью формулы (В.7) используют функцию

,

(В.8)

В.4.6 При измерении цилиндрической освещенности отклонение угловой характеристики фотометрической головки определяют по формуле

,

(В.9)

Примечание - Функцию определяют для двух плоскостей: горизонтальной - = /2 и вертикальной - = 0.

Схема расположения горизонтальной и вертикальной плоскостей измерения цилиндрической освещенности приведена на рисунке В.4.

"Рисунок В.4"

В вертикальной плоскости определяют по формуле

,

(В.10)

В горизонтальной плоскости определяют по формуле

.

(В.11)

Для определения цилиндрической погрешности угловой характеристики с помощью формул (В.10), (В.11) используют функцию

,

(В.12)

В.4.7 При измерении полуцилиндрической освещенности отклонение угловой характеристики фотометрической головки определяют по формуле

,

(В.13)

Примечание - Функцию определяют для двух плоскостей: горизонтальной - = /2 и вертикальной - = 0.

В вертикальной плоскости определяют по формуле

.

(В.14)

В горизонтальной плоскости определяют по формуле

.

(В.15)

Для определения погрешности полуцилиндрической угловой характеристики с помощью формул (В.14) и (В.15) используют функцию

.

(B.16)

B.5 Угловая чувствительность при измерении яркости

B.5.1 Для оценки яркости исследуемой поверхности необходимо, чтобы все поверхности, находящиеся вне измеряемого поля, не влияли на результаты измерений. Показания измерительного прибора фотометрической головки являются функцией угла падения света на ее поверхность. Угловая характеристика (оценка падающего света в зависимости от угла падения) определяется геометрической оптикой, устройством фотометрической головки и рассеянным светом в оптической системе. Для определения зависимости падающего света от угла падения необходимо установить на фотометрическую головку специальные линзы или другие подобные приборы (например, сменные объективы). Одним из примеров является оптическая система для измерения эквивалентной вуалирующей яркости.

B.5.2 Для измерения зависимости выходной функции от направления падения света ИС располагают на достаточно большом расстоянии от приемной поверхности. Размер светлой части светильника не должен превышать 5% углового размера поля измерения. Яркомер должен быть сфокусирован на ИС. Измерение проводят яркомером без фокусировки на расстоянии 10 м или на расстоянии, рекомендованном производителем. Яркомер должен вращаться относительно центра входного зрачка. Измерения выходного сигнала в зависимости от угла падения проводят в четырех равноотстоящих позициях. Попадание рассеянного света на приемную поверхность фотометрической головки должно быть исключено.

B.5.3 Пространственная погрешность яркомера характеризуется функцией

,

(В.17)

где - выходной сигнал, зависящий от угла падения света , (см. рисунок В.5);

- выходной сигнал при падении света в направлении оптической оси фотометрической головки.

"Рисунок В.5 - Координаты для определения функции "

B.5.4 Для представления сокращенной функции угловой характеристики функции должны быть известны следующие данные:

- угловой размер поля измерения ;

- показатель неравномерности ,

- характеристики ;

- характеристики ;

- характеристики для определения пространственной симметрии.

B.5.5 Показатель неравномерности определяется по формуле (В.18)

,

(В.18)

где - наименьший выходной сигнал для угла падения в пределах 90% поля измерения, если измерения проведены по В.5.2;

- наибольший выходной сигнал для угла падения в пределах 90% поля измерения, если измерения проведены по В.5.2;

В.5.6 Характеристики и определяют по формулам

;

(В.19)

;

(В.20)

где - средний угол, в пределах которого выходной сигнал не менее 0,9 величины падающего света в направлении оптической оси;

- средний 10%-ный угол измерения;

- средний 1%-ный угол измерения.

Эти значения - средние из четырех измерений на одинаково удаленных плоскостях.

Измерение пространственной симметрии проводят с помощью характеристики

,

(В.21)

где - максимальный выходной сигнал на ;

- минимальный выходной сигнал на ;

- угол для вывода ;

- угол для вывода ;

- среднее значение 10%-ного угла измерения.

Соответствующие значения также определяют для 1%-ного угла измерений.

В.5.7 Для измерения влияния яркости окружающего светящего пространства (яркости вуалирующей пелены) необходимо специальное осветительное устройство - однородная светящая поверхность в направлении входного зрачка, которая не менее чем в 10 раз превышает поле измерения. Яркость поверхности должна не менее чем в 10 раз превышать максимальный сигнал в наиболее чувствительном диапазоне выходного сигнала.

В.5.8 Черный экран (поверхность пренебрежимо малой яркости) должен быть установлен как альтернатива светящейся поверхности. Размеры экрана должны превышать размеры поля измерения в плоскости изображения на 10% (см. рисунок В.6) Измерения выполняют при наличии черного экрана и без него.

В.5.9 Характеристику влияния яркости окружения задают функцией

,

(В.22)

где Y - выходной сигнал при измерении с черным экраном;

- выходной сигнал при измерении одновременно с полем измерения и яркостью окружения.

"Рисунок В.6 - Схема и размеры черного экрана для определения функции "

В.5.10 Характеристику направленной чувствительности функции для измерения эквивалентной вуалирующей яркости яркомером с дополнительной оптикой определяют функцией пространственной чувствительности

,

(В.23)

В.6 Влияние поляризации

В.6.1 Показание фотометра зависит от состояния поляризации измеряемого излучения.

В.6.2 Определение зависимости показания фотометра от поляризации излучения проводят по В.5.2 для неполяризованного излучения от точечного источника, распространяемого вдоль оптической оси.

Примечания

1 Свет от ИС с нитью накала, как правило, поляризован. Деполяризация может быть достигнута размещением слегка наклонной стеклянной пластины напротив ИС. Положение стеклянной пластины для полной деполяризации определяют с помощью поляризационно-независимого приемника (например, безоконного плоского кремниевого фотодиода, расположенного перпендикулярно падению света), размещенного за поляризационным фильтром. Для полной поляризации излучения, поляризатор (например, два листа поляризаторов, совмещенные параллельными осями) помещают перед ИС. Поляризатор может вращаться вокруг направления падения излучения для изменения положения плоскости поляризации.

2 Для полной поляризации используют второй поляризатор (анализатор). После установления полной поляризации, второй поляризатор удаляют. Затем измеряют максимальный и минимальный выходные сигналы фотометра при вращении первого поляризатора.

В.6.3 Погрешность чувствительности фотометра к поляризации падающего излучения функция рассчитывают по формуле

,

(В.24)

где - максимальный выходной сигнал;

- минимальный выходной сигнал.

В.6.4 Для того чтобы функция реакции фотометрической головки зависела только от поляризации, характеристику определяют при следующих геометрических условиях:

- угол падения излучения = 30°, = 0° при измерении освещенности;

- угол падения излучения = 0° при измерении сферической освещенности;

- угол падения излучения = 60°, = 30° при измерении цилиндрической и полуцилиндрической освещенности;

- угол падения излучения = 0° при измерении яркости.

В.7 Влияние неоднородной чувствительности приемной поверхности фотометрической головки

В.7.1 Чувствительность фотометрической головки (включая относительную спектральную чувствительность), в целом определяемая конструкцией, может зависеть от места попадания света на приемную поверхность фотометрической головки (зонная характеристика). Эта зависимость исчезает при равномерно освещенной апертуре фотометрической головки.

В.7.2 При проведении измерений ИС располагают согласно В.4.3. и В.5.2. Круглая диафрагма размером 1/10 приемной поверхности фотометрической головки должна находиться перед ней. Попадание рассеянного света на приемную поверхность фотометрической головки должно быть исключено. Круглую диафрагму помещают в каждую из пяти позиций перед входным отверстием следующим образом:

- центр полностью открытой диафрагмы совмещают с центром входного отверстия (позиция 1);

- центр полностью открытой диафрагмы размещают на окружности размером 2/3 радиуса входного отверстия (позиции от 2 до 5). Позиции 2 - 5 чередуют с интервалом 90° относительно центра входного отверстия.

Расположение круглой диафрагмы относительно входного отверстия приемной поверхности фотометрической головки показано на рисунке В.7.

"Рисунок В.7 - Расположение круглой диафрагмы относительно входного отверстия приемной поверхности фотометрической головки"

В.7.3 Для определения погрешности неоднородной чувствительности приемной поверхности фотометрической головки функцию рассчитывают по формуле

,

(В.25)

где - выходной сигнал от первоначального значения освещенности E в каждой из четырех позиций 2 - 5 в плоскости входного отверстия фотометрической головки;

- сигнал с тем же начальным значением E освещенности в центре входного отверстия.

В.8 Влияние изменения фокусировки яркомера

В.8.1 Показания яркомеров с фокусирующей системой, настроенной на одинаковую яркость в поле измерения, могут изменяться при изменении расстояния до объекта.

В.8.2 Для измерения влияния изменения фокусного расстояния используют эталон яркости, светящаяся поверхность которого больше поля измерения и размеров приемной поверхности фотометрической головки.

Эталон яркости располагают на расстоянии около 10 см перед входным отверстием. Яркость эталона устанавливают на уровне 90% от полной шкалы требуемого значения. Излучение измеряют фотометрической головкой на максимальном, а затем на минимальном расстоянии фокусировки, указанном изготовителем.

В.8.3 Погрешность изменения фокусного расстояния определяют по формуле

,

(В.26)

где - выходной сигнал, полученный на минимальном расстоянии;

- выходной сигнал, полученный на максимальном расстоянии.

B.9 Погрешность при переходе от стандартного источника типа А к источникам с другим спек тральным составом

B.9.1 При измерениях световых величин ИС или ОП, спектральный состав которых отличается от спектрального состава стандартного источника типа А, возникает дополнительная погрешность, вызванная отличием относительной спектральной чувствительности используемого прибора S() от относительной спектральной световой эффективности излучения для стандартного фотометрического наблюдателя V() по ГОСТ 8.332. Значение погрешности оказывает влияние спектральный состав ИС.

B.9.2 Погрешность, возникающую при переходе от источника типа А к источникам с другим спектральным составом излучения, %, вычисляют по формуле

,

(В.27)

где

,

(В.28)

где - источник со спектральным составом, отличным от спектрального состава источника типа А.

В.9.3 Измерение погрешности проводят для любых источников света, спектральный состав которых отличается от спектрального состава источника типа A.

В.10 Погрешность нелинейности световой характеристики фотоприемника

В.10.1 Линейность световой характеристики приемника, обусловленная пропорциональностью между входным и выходным сигналом в заданном диапазоне входных данных, соответствует постоянной чувствительности приемника в этом диапазоне.

Примечания

1 При измерениях указывают диапазон значений входных величин приемника, при которых соблюдается линейность характеристики преобразования.

2 Использование произвольных электронных схем приводит к нарушению линейности диапазона фотоприемника.

В.10.2 Наиболее точный метод измерения линейности световой характеристики фотометрической головки основан на принципе аддитивности энергетических потоков нескольких источников или отверстий.

В.10.3 Погрешность нелинейности световой характеристики фотометрической головки вычисляют по формуле

,

(В.29)

где Y - выходной сигнал, полученный при входном сигнале X;

- входной сигнал, соответствующий максимальному выходному сигналу (наибольшее значение измеряемого диапазона);

- выходной сигнал при освещении фотоголовки входным сигналом .

Указанное значение рассчитывают для каждого диапазона измерений, максимальное из полученных значений считают общей погрешностью

,

(В.30)

Характеристику приводят для каждого диапазона измерений.

В.11 Погрешность округления

В.11.1 Округление значения погрешности аналоговых дисплеев фотометров определяется классом аналоговых приборов ГОСТ 23706.

В.11.2 Погрешность прибора класса точности N определяют по формуле

= kN,

(В.31)

где k - коэффициент, учитывающий изменение диапазона выходных значений (k = 10, если переключатель измеряемого диапазона 1:10),

,

(В.32)

где - максимальное значение на менее чувствительной шкале;

- максимальное значение на более чувствительной шкале.

В.11.3 Точность цифровых дисплеев фотометров определяют отклонениями в дисплеях и преобразованием отклонения (в общем 1 цифра). Значение погрешности определяют по формуле

,

(В.33)

где - относительное отклонение дисплея;

k - коэффициент изменения выходных значений;

D - возможное отклонение младшего разряда (например, 1 цифра);

- максимальная дисплейная возможность цифрового прибора (например, в 3 1/2 разрядный дисплей = 1999).

В.11.4 Характеристики и погрешность определяют в соответствии с классом выходных данных фотометра для учета наибольшего отклонения на границе диапазона изменения.

В.12 Погрешность утомляемости фотометрической головки

B.12.1 Утомляемость - обратимое временное изменение чувствительности приемника при работе в постоянных условиях освещения.

Примечание - При работе фотометра обратимые изменения могут произойти как с интегральной чувствительностью, так и со спектральной чувствительностью приемника.

Утомляемость, как правило, тем больше, чем выше освещенность, создаваемая на поверхности фотометрической головки.

Снижение чувствительности всегда связано с температурным эффектом, вызванным чрезмерным облучением фотометрической головки. Температурные изменения, вызванные переоблучением светочувствительных элементов, не всегда могут быть устранены с помощью термостатических регуляторов.

B.12.2 Погрешность утомляемости определяют при стабильном освещении фотометрической головки в направлении, перпендикулярном к приемной поверхности, при уровне освещенности, близком к используемому в реальном измерении. Температуру окружающей среды, напряжение питания и др. следует поддерживать постоянными. Выходной сигнал измеряют как функцию освещенности. Перед началом измерений в условиях стабильного освещения фотометрическая головка должна находиться в темноте не менее 24 ч.

В.12.3 Погрешность утомляемости определяют по формуле

,

(В.34)

где t - время, прошедшее с момента начала освещения фотометрической головки стабильным источником излучения;

- выходной сигнал в момент времени t;

- момент начала считывания показания после освещения приемника в течение 10 с.

В.12.4 Допускается характеризовать утомляемость с помощью одной числовой величины, определяемой по формуле

,

(В.35)

где - показание прибора через 30 мин после начала освещения;

- показания прибора через 10 с после начала освещения.

В.13 Температурная зависимость

В.13.1 Температурная зависимость - влияние температуры окружающей среды на абсолютную чувствительность и относительную спектральную чувствительность фотометра. Если фотометр работает при температуре окружающей среды, отличающейся от температуры, при которой проведена его калибровка, то при измерениях возникают ошибки.

В.13.2 Для определения температурной зависимости измерения проводят при следующих значениях температуры окружающей среды 15°С, 25°С и 40°С. Перед измерениями фотометр должен достичь теплового равновесия со средой. Фотометр достигает теплового равновесия в течение одного часа.

Примечание - Фотометрическую головку освещают только во время измерения. Фотометры, используемые в полевых условиях, проверяют при температуре окружающей среды 5°С или 0°С. Измерения проводят при максимальном значении уровня освещенности фотометрической головки из выбранного диапазона измерений.

В.13.3 Погрешность характеристики температурной зависимости определяют функцией

,

(B.36)

где - выходной сигнал при температуре T;

- выходной сигнал при температуре окружающей среды, равной 25°С.

В.13.4 Для вычисления характеристики температурной зависимости используют формулу

,

(В.37)

При измерении в помещениях принимают следующие значения:

= 40°С; = 15°С; = 25°С; = 2°С.

При измерении вне помещений принимают следующие значения:

= 40°С; = 0°С; = 25°С; = 2°С.

В.14 Оценка модуляции света

В.14.1 При освещении приемника излучения модулированным светом значение на выходе считывающего элемента фотометра может отклоняться от среднего арифметического значения, если частота модулированного света меньше, чем частота, установленная нижним пределом, либо если она больше пиковой частоты, и превышен запас, рассчитанный на перегрузки, либо если недостаточно времени для распознавания.

В.14.2 Нижний предел частоты (верхний предел частоты ) для синусоидально модулированного излучения (модуляция 1-й степени, см. рисунок В.14).

"Рисунок В.14 - Синусоидально модулированное излучение 1-й степени модуляции"

В.14.3 Измерения верхнего и нижнего пределов частоты выполняют светодиодами, сила света которых модулирована синусоидально источником питания. В этом случае не требуется равномерности освещения приемной поверхности приемника излучения. Средства измерения выбирают так, чтобы среднее значение излучения от ИС, используемого для измерения, оставалось постоянным при изменении частоты модуляции. Опыт показывает, что излучение модулированного (несинусоидального) света, создаваемого диском с вращающимися секторами и питанием от источника постоянного тока, может быть измерено на частотах до 104 Гц. Использование этого метода позволяет достичь более высоких значений освещенности, однако для диска с размером сектора 50% рабочего цикла уровень сигнала при измерении модулированного излучения должен быть менее половины шкалы данного диапазона измерений.

В.14.4 Характеристику частотных эффектов задают функцией

,

(B.38)

где Y - выходной сигнал при освещении приемника немодулированным излучением, v = 0 Гц;

Y(v) - выходной сигнал при освещении модулированным излучением.

Эффект модуляции характеризует выражение

.

(B.39)

В.15 Погрешность, вызванная изменением диапазона измерений

В.15.1 Погрешность, вызванная изменением диапазона измерения, является системным отклонением, возникающим при переключении фотометра с одного диапазона на соседний.

В.15.2 Для измерения отклонений при смене диапазона необходимо создать на фотометрической головке освещенность, соответствующую показанию 90% полной шкалы нижнего диапазона А. Затем освещенность увеличивают в k раз и, соответственно в k раз диапазон А изменяется на диапазон В.

Примечания

1 Для фотометров с цифровым дисплеем смена диапазона происходит, как правило, в соотношении 1:10, k = 10.

2 Для фотометров с линейной выходной характеристикой сигнал моделируют стабилизированным источником тока в момент выключения фотометрической головки.

В.15.3 Погрешность при изменении диапазона измерений определяют по формуле

,

(В.40)

где - выходное значение в диапазоне А для входной величины , которая соответствует 90% полной шкалы (максимальное значение в случае, если используют цифровые измерительные приборы);

- выходное значение в диапазоне В для входной величины , которая в k раз больше . Величина, измеренная в этом диапазоне, соответствует 90% от полной шкалы в диапазоне А (максимальное показание в случае, если используют цифровые измерительные приборы);

k - коэффициент, определяемый по В.12.

В.15.4 Погрешность определяют для каждой смены диапазона изменений.