（毕业论文）-紫外成像检测技术的研究

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1、 小论文小论文论文论文题目题目 紫外成像检测技术的研究紫外成像检测技术的研究姓姓 名名 学学 号号 10092510061009251006 专专 业业 测控技术与仪器测控技术与仪器 班班 级级 10011001 班班 指导教师指导教师 时时 间间 20132013 年年 1111 月月 1 12 2 日日 2目录目录 0 引言.21 检测系统的工作原理.22 紫外成像检测特点.33 检测系统的关键技术问题.33.1 紫外镜头33.2 紫外光滤光技术43.3 光谱转换技术54 紫外成像检测的影响因素.55 关于紫外成像检测标准规程.56 检测系统的研制实例.67 结论.73紫外成像检测技术的研

2、究紫外成像检测技术的研究(测控技术与仪器1001班，林伟东)【摘要摘要】提出一种新型的紫外成像检测系统此系统利用紫外增强技术和紫外滤光技术观察和检测紫外光信号，详细介绍了系统的关键技术：紫外镜头、紫外“日盲”滤光技术、紫外增强技术和光谱转换技术，给出了紫外成像检测系统的研制实例，以及用该系统得到的实验结果由早期只能夜间拍摄到太阳盲滤镜的出现让白天检测变成事实到现在发展到有多种包括机载、车载、火车载等合成系统，紫外成像技术确是有长足发展。【关键词关键词】 紫外成像；紫外检测；紫外光滤光片；像增强器0 0 引言引言紫外光谱成像检测技术是欧美国家为军事目的发展起来的新型检测成像技术它的特点是用于观察

3、和检测“日盲”(240280 am)紫外光信号，并将紫外图像信号转换成可见光图像信号，进行观察和测量利用该技术可以观察到许多用传统光学仪器观察不到的物理、化学、生物现象；又因为其工作在“日盲”波段，所以它的工作不受日光的干扰 。这课题不但在国内，在国外也是非常热门，在美国，欧洲，以色列等地都有专家在研究解决方案。美国和以色列的专家共同编写了一个简单的判定分级。 将光子数的强度分为3 个等级: 高度集中、中度集中、轻度集中。 3 个等级的判定和采取的措施请参照表一。1 1 检测系统的工作原理检测系统的工作原理紫外线的波长范围是40400 nm， 太阳光中也含有大量的紫外线，紫外光谱见图1，但是经

4、过地球臭氧层吸收了部分波长的紫外线， 实际辐射到地面上的太阳紫外波长大都在300 nm 以上，低于300 nm的波长区间称为太阳盲区。即可证明是地球上产生的辐射。紫外成像仪所检测的紫外光谱见图1射线 紫外线 X射线 可见光 红外线 微波 强度每分钟光子数 代表行动高度集中大于5000可以快速形成腐蚀或部件已损坏马上维修或更换有问题部件中度集中10005000有可能形成腐蚀或部件已有一定损坏定下维修更换时间轻度集中小于5000有可能缩短部件寿命可能有轻微损毁继续留意电晕发展4240nm 280nm图1紫外成像仪所检测的光谱紫外成像检测系统主要包括：紫外成像物镜、紫外光滤光镜、紫外像增强系统、CC

5、D、图像显示等 紫外成像检测系统工作原理如图I紫外信号源被背景光(包括可见光、紫外光和红外光等)照射，从信号源传输到成像镜头的有信号源自身辐射的紫外光，也有信号源反射的背景光成像光束经过紫外成像镜头后，有一部分背景光被滤除，有一部分背景光仍然存在其后光束再通过“日盲”滤光片，照到紫外像增强器的光电阴极上，经过紫外增强器后，信号被增强放大并被转化为可见光信号输出，然后，成像光束经CCD相机，最后，经信号处理后输出到观察记录设备。如图2 图2 紫外成像检测系统的工作 2 2 紫外成像检测特点紫外成像检测特点与传统的预防性试验和离线检测相比， 紫外成像检测技术有以下技术特点。1)紫外成像检测时可以做

6、到不停电、不改变系统的运行状态， 从而检测到设备在运行状态下的真实状态信息。2)能够以图像的形式，迅速、形象、直观地显示出设备的运行状态和故障情况。3)紫外成像检测的响应速度快，在被测设备与紫外成像检测仪作相对高速运动时，仍能完成高质量的检测，因此，为直升飞机线路故障巡检提供了可行性，不仅大大提高了检测效率，而且降低了劳动强度。4)紫外成像技术有利于实现电力设备的状态管理和状态检修。当把所有设备在运行中的紫外电晕成像信息建立数据库后， 设备管理人员可对管辖的所有设备运行状态实施管理， 并根据每台设备的状态演变情况进行有针对性的检修。3 3 检测系统的关键技术问题检测系统的关键技术问题3 3.

7、.1 1 紫外镜头紫外镜头根据工作原理知，从信号源传输到成像镜头的除了信号源自身的紫外辐射，还有被信号源反射的背景光(包括可见光、紫外光和红外光等)而实验中需要的是信号源自身辐射的紫外光图像为此，选用紫外光成像镜头能减少背景噪音研制紫外光谱波段的透镜主要的问题是寻找合适的材料，在02 一04 pm的光谱范围，最重要的材料为尚矽石和氟化钙虽然开发了几种玻璃来降低04 以下的吸收，但其使用仍受限，因为在03 都还有吸收两种此类的玻璃为UBK-7及UK-5 镜头上可装紫外信号源紫外成像镜头“日盲”滤光器CCD 图像处理器记录设备5“日盲”紫外光滤光片其性能指标如表2表2光学镜头性能指标3 3. .2

8、 2 紫外光滤光技术紫外光滤光技术为了实现紫外滤光，比较了国产的三种紫外光滤光片发现若选择宽带滤光片，则背景噪音太大，不能满足要求而且， 一般的镜头总是对应于一定的单色光设计的因此，系统选用紫外窄带滤光片要得到信号源自身辐射的紫外光图像，必须滤除背景光用宽带紫外光滤光片可滤除背景光中的可见光和红外光背景光中的紫外光主要来自太阳的辐射，在紫外的240 nm 一280 nm 波段，太阳辐射完全被大气层中的臭氧吸收了，即在这个波段，大气层中的背景辐射为零，亦称“日盲” 所以，滤除背景光中的紫外光而又不影响信号源的紫外光图像，应选用“日盲”紫外窄带滤光片23 紫外光像增强技术在紫外成像检测系统中，由于

9、紫外辐射一般比较微弱，若直接用对UV灵敏的CCD探测较弱的紫外信号，由于其强度太小，而探测不到为解决这个问题，先对紫外信号进行增强放大，然后再探测为了实现紫外光信号的增强放大，使用紫外像增强器比较合适在紫外成像检测系统中，由于紫外光的特点，要研制成紫外光像增强器有两条途径 1)研制合适的紫外光电阴极，直接研制紫外像增强器；2)通过光谱转换技术，利用微光像增强器实现研制紫外像增强器的关键是研制合适的紫外光电阴极紫外辐射和可见辐射在本质上是没有差别的，但由于紫外辐射的光子能量高，于是在研制紫外光电阴极时，产生了一些特殊的问题首先，要解决的是光窗的材料问题由于高能光子会使一般玻璃内的电子发生跃迁，造

10、成大几率的光子吸收，因而一般玻璃不透紫外辐射，要透过长于180 nm 的紫外线，光窗必须用石英或蓝宝石；要透过短于180 nm的紫外线，光窗一般用氟化锂其次，是紫外应用的光电阴极材料通常还要满足一个重要的条件，即必须是”日盲”的所谓”日盲”就是对阳辐射没有响应，即用于大气层时，对350 nm 以上不灵敏；用于空间时，对200 nm 以上不灵敏 在40O nm 以下的紫外光区有光电响应的材料为数很多，但在200 nm一40O nm 的“日盲”阴极中，实际应用最成功的是碲化铯(Cs2Te)Cs2Te的禁带宽度为35 eV，电子亲合势小于1 eV，其峰值量子产额为10 左右 。 对Cs2Te所进行的

11、工作主要围绕两个方面，即如何形成能运用于光电倍增管和图像管的半透明阴极，以及如何使它的长波响应下降到最小因为Cs2Te薄膜的电阻很大，所以解决第一个问题的先决条件就是透明导电基底的获得不能采用在可见光区常用的导电的氧化锡基底，因为当波长低于40O nm时，它的吸收系数迅速上升实验发现，采用对入射光的透过率为85 左右的蒸发钨膜即可在实际应用中，用Cs2Te作阴极的管子要维持于高真空，为此制造过程中必须进行30040O 摄氏度烘烤去气如用碲作为蒸发源，则由于碲的蒸汽压较高，烘烤温度只能用得很低采用碲化铟作为碲膜蒸发源可以克服这个困难，因为碲化铟在真空中的分解温度超过500 摄氏度，而在此温度下，

12、铟的蒸汽压仍然低于108 mmHg，因此实际上只有碲才被蒸发出来 。 有了合适的紫外光电阴极，就可以研制紫外光像增强器3 3. .3 3 光谱转换技术光谱转换技术现有的光谱转换技术有两种：通过光电阴极进行光谱转换；用转换屏实现光谱转换前者要研制合适的光电阴极；而后者须视场角焦距(m)最大光圈后像距(m)尺寸(ram)重量(g)23.2D105F55268.51085156研制适当的转换屏在紫外成像检测系统中，光谱转换可通过紫外光电阴极或紫外光转换屏来实现若系统采用光谱转换加微光像增强器结构，则用转换屏比较好紫外光作用于转换屏的入射面，经转换屏转化后，出来的光为我们所需的可见光转换屏性能的好坏，

13、直接影响着整个紫外光成像检测系统的性能而转换屏的主要性能有：分辨率、发光效率即光谱转换率、光谱特性、余辉时间、稳定性和寿命对于紫外成像检测技术来说，最主要的是它的分辨率和光谱转换效率其次，光谱特性、余辉时间、稳定性和寿命也很重要。分辨率是它分辨图像细节的能力影响它的因素有：发光粉层的厚度、粉的颗粒度、粉与基地表面的接触状态、屏表面结构的均匀性等 J粉层较厚时，光谱转换效率固然能提高，但同时，由于粉颗粒对光线的散射作用增强，分辨率反而降低反之，粉层较薄时，屏的分辨率虽然能提高，可是光谱转换效率则会下降因此在即要保证足够的光谱转换效率的同时又要保证高的分辨率的情况下，选择最佳的粉层厚度是很重要的发

14、光粉的颗粒愈细小且均匀，转换屏的分辨率就愈高但是，粉的颗粒度的减小会使粉的光谱转换效率下降因此选取粉的颗粒时，必须综合考虑效率和分辨率两个矛盾着的因素发光粉颗粒与基地表面接触紧密时，屏面就显得细密，而且，粉粒的分布也就均匀，这样，转换屏对于光线的散些，分辨率也可提高这一点与涂屏的工艺有很大的关系4 4 紫外成像检测的影响因素紫外成像检测的影响因素紫外光子数受仪器操作本身和环境影响，主要的影响因素有所选增益、检测距离、气压、温度、湿度和风力等。1)检测距离的影响。发射的光子以此点为球心向四周扩散，理论上紫外光子数应与距离平方成反比。然而，在实际检测中发现并不符合该规律，同一距离下，测得紫外光子数是时变的。究其原因，一方面，镜头所处球面的球心与电晕源并不重合；另一方面，电晕的发生有一定的分散性，即使保持检测距离不变，不同时间的紫外光子数也具有一定的分散性。2)所选增益的影响。紫外成像光谱在电晕发出的光谱中所占比