Влияние рассеянного излучения в спектрометрах на точностные характеристики волоконно-оптического датчика температуры

Кабиев Р.А., Грибаев А.И., Мирошниченко Г.П.

Ссылка для цитирования:

Кабиев Р.А., Грибаев А.И., Мирошниченко Г.П. Влияние рассеянного излучения в спектрометрах на точностные характеристики волоконно-оптического датчика температуры // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 1. С. 50–58. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-01-50-58

Kabiev R.A., Gribaev A.I., Miroshnichenko G.P. Investigation of stray light influence in spectrometers on precision of fiber-optic temperature sensor [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 1. P. 50–58. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-01-50-58

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Паразитное излучение, вызванное отражением и рассеянием на внутренних поверхностях и элементах мини-спектрометров Hamamatsu C12880MA. Цель работы. Уменьшение составляющей погрешности измерения волоконно-оптического датчика температуры, обусловленной рассеянием излучения за пределами рабочего спектрального диапазона спектрометра, путем применения инфракрасного фильтра в оптической системе пирометра. Метод. Оптическое излучение лампы СИ10-300 в диапазоне температур 1200–2300 K зарегистрировано при наличии и отсутствии цветного стекла марки СЗС25 в оптической схеме датчика. Анализ результатов включал сравнение экспериментальных данных со спектральными характеристиками излучения абсолютно черного тела. Определение температуры выполнено методом спектральной пирометрии в диапазоне 600–700 нм. Основные результаты. Экспериментально подтверждено присутствие паразитного сигнала в диапазоне длин волн 300–500 нм, возникающего вследствие рассеяния излучения на длинах волн более 800 нм внутри прибора. Представлен метод определения искажений в отклике спектрометра для анализа вклада рассеянного излучения в различных областях спектра. Выполнено количественное сравнение паразитного сигнала в каналах датчика. Введение инфракрасного фильтра в оптическую систему привело к существенному ослаблению паразитного излучения при температурах лампы 1200–1600 K и снижению погрешности измерения с 8 до 1,5%. Практическая значимость. Результаты исследования использованы для повышения точностных характеристик спектрального волоконно-оптического датчика температуры.

Ключевые слова:

спектральная пирометрия, волоконно-оптический датчик, спектрометр, абсолютно черное тело, рассеянное излучение, искажения спектра

Благодарность:

работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSER-2024-0006).

Коды OCIS: 290.2648, 300.6190, 280.6780, 290.6815, 280.4991, 120.1740

Список источников:

1. Mekhrengin M., Miroshnichenko G., Chistiakov A., et al. Combination of soot pyrometry and C₂* emission spectroscopy for temperature measurement during combustion of hydrocarbons // Measurement. 2020. V. 166. P. 108242. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2020.108242

2. Fu T., Tan P., Pang C., et al. Fast fiber-optic multi-wavelength pyrometer // Review of Scientific Instruments. 2011. V. 82 № 6. P. 064902. https://doi.org/10.1063/1.3596567

3. Магунов А.Н. Измерение температуры объектов с неизвестной излучательной способностью методом спектральной пирометрии // Научное приборостроение. 2010. Т. 20. № 3. С. 22–26.

Magunov A.N. Measurement of temperature of objects with unknown emissivity by the spectral pyrometry method [in Russian] // Nauchnoe Priborostroenie. 2010. V. 20. № 3. P. 22–26.

4. Магунов А.Н. Спектральная пирометрия. М.: Физматлит, 2012. 248 с.

Magunov A.N. Spectral pyrometry [in Russian]. Moscow: Fizmatlit Publ., 2012. 248 p.

5. Mekhrengin M.V., Meshkovskii I.K., Tashkinov V.A., et al. Multispectral pyrometer for high temperature measurements inside combustion chamber of gas turbine engines // Measurement. 2019. V. 139. P. 355–360. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2019.02.084

6. Moreno-Pacheco L.A., Sánchez-López F., Barbosa-Saldaña J.G., et al. Design and numerical analysis of an annular combustion chamber // Fluids. 2024. V. 9, № 7. P. 161. https://doi.org/10.3390/fluids9070161

7. Сафиуллин А.Р., Калугин Е.Э., Гончаров Д.Б и др. Разработка и исследование спектрального датчика для мониторинга тепловых процессов в камерах сгорания газотурбинных двигателей // Сб. тез. докл. Конгресса молодых ученых. Электронное издание. 2022. URL: https://kmu.itmo.ru/digests/article/8254 Safiullin A.R., Kalugin E.E., Goncharov D.B., et al. Development and study of a spectral sensor for monitoring thermal processes in gas turbine combustion chambers [in Russian] // Proc. Congress of Young Scientists. Electronic edition. 2022. Available at: https://kmu.itmo.ru/digests/article/8254

8. Hotra O., Firago V., Levkovich N., et al. Investigation of the possibility of using microspectrometers based on CMOS photodiode arrays in small-sized devices for optical diagnostics // Sensors. 2022. V. 22. № 11. P. 4195. https://doi.org/10.3390/s22114195

9. Jechow A., Bumberger J., Palm B., et al. Characterizing and implementing the Hamamatsu C12880MA mini-spectrometer for near-surface reflectance measurements of inland waters // Sensors. 2024. V. 24. № 19. P. 6445. https://doi.org/10.3390/s24196445

10. Kantzas E.P., McGonigle A.J.S., Bryant R.G. Comparison of low-cost miniature spectrometers for volcanic SO₂ emission measurements // Sensors. 2009. V. 9. № 5. P. 3256–3268. https://doi.org/10.3390/s90503256

11. Nehir M., Frank C., Aßmann S., et al. Improving optical measurements: Non-linearity compensation of compact charge-coupled device (CCD) spectrometers // Sensors. 2019. V. 19. № 12. P. 2833. https://doi.org/10.3390/s19122833

12. Lenhard K., Baumgartner A., Schwarzmaier T. Independent laboratory characterization of NEO HySpex imaging spectrometers VNIR-1600 and SWIR-320m-e // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2015. V. 53. № 4. P. 1828–1841. https://doi.org/10.1109/TGRS.2014.2349737

13. Schaepman M.E., Dangel S. Solid laboratory calibration of a nonimaging spectroradiometer // Appl. Opt. 2000. V. 39. № 21. P. 3754. https://doi.org/10.1364/AO.39.003754

14. Xia G., Liu Q., Zhou H., et al. A non-linearity correction method of charge-coupled device array spectrometer / Eds. Han S., Ellis J.D., Guo J., Guo Y. // Proc. SPIE. Beijing, China. 2015. P. 96770J. https://doi.org/10.1117/12.2197725

15. Мухин Е.Е., Раздобарин Г.Т., Семёнов В.В. и др. Многоканальный дифракционный спектрометр с малым уровнем рассеянного света // Оптический журнал. 2003. Т. 70. № 1. С. 54–56.

Mukhin E.E., Razdobarin G.T., Semenov V.V., et al. Multichannel diffraction spectrometer with a low scattered-light level // J. Opt. Technol. 2003. V. 70. № 1. P. 45–47. https://doi.org/10.1364/JOT.70.000045

16. Zong Y., Brown S.W., Johnson B.C., et al. Simple spectral stray light correction method for array spectroradiometers // Appl. Opt. 2006. V. 45. № 6. P. 1111. https://doi.org/10.1364/AO.45.001111

17. Фираго В.А., Левкович Н.В., Шулико К.И. Спектрофотометры диффузного отражения на основе мини-спектрометров C12880MA и C11708MA Hamamatsu // Приборы и методы измерений. 2022. Т. 13. № 2. С. 93–104. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2022-13-2-93-104

Firago V.A., Levkovich N.V., Shuliko K.I. Diffuse reflectance spectrophotometers based on C12880MA and C11708MA mini-spectrometers Hamamatsu // Devices and Methods of Measurements. 2022. V. 13. № 2. P. 93–104. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2022-13-2-93-104

18. Fu T., Duan M., Liu J., et al. Spectral stray light effect on high-temperature measurements using a near-infrared multi-wavelength pyrometer // Infrared Phys. & Technol. 2014. V. 67. P. 590–595. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2014.10.004

19. ГОСТ Р 8.790–2012. ГСИ. Лампы температурные. Методика поверки и калибровки. Введ. 2014.

GOST R 8.790–2012. GSI. Temperature lamps. Methods of verification and calibration [in Russian]. 2014.

20. Larrabee R.D. Spectral emissivity of tungsten // JOSA. 1959. V. 49. № 6. P. 619. https://doi.org/10.1364/JOSA.49.000619