转镜式高速相机扫描速度检测装置及不确定度评定

　　1　引　言

　　转镜式高速扫描相机是爆轰实验中重要的光学测试设备之一,它以极高的时间分辨本领(2ns),在爆轰物理和冲击波物理实验研究领域中有着广泛的应用。扫描速度是转镜式高速扫描相机最重要的技术指标[1],其准确度是精确时间测量的关键。在我国常用的转镜扫描相机中,理论上,GSJ型最大扫速不均匀性为1.1%,SJZ-15型为0.36%。通常使被测结果出现在相机像面的中间位置来消除扫速不均匀性的影响,但对核禁试后的精密爆轰物理测量,往往需达到相机的极限分辨本领,因此必须对图像出现位置的扫描速度作出精确测定。现有相机控制台主控单元是一种实时测量转镜传感信号周期的系统,通过换算间接获知扫描速度(设计值),这种测试方法并没有反映出相机像面上各段实际的扫描速度,只是该旋转周期内的平均速度,且易受转镜传感信号质量的影响。因此,实际扫描速度与名义扫描速度到底相差多少,就必须在相机像面上进行实际测量,并据此对名义扫描速度加以修正,这对减小爆轰实验测试误差具有重要的意义。

　　本文介绍了转镜扫描相机扫描速度检测装置及其测量不确定度的评定方法,分析了影响测量不确定度的因素和为减小测量不确定度而采取的方法。

　　2　检测装置及其原理

　　本测量方法直接在相机像面上读取信号,真实地反映了客观实际情况,检测装置如图1所示。

　　转镜扫描相机像面装有精密双狭缝金属片,金属片上有三组狭缝(一组包含两条狭缝),一组狭缝对应一只光电倍增管。为实现氙灯与相机的同步,当相机达到预设转速时,控制台触发脉冲电源使氙灯发光,三个光电倍增管先后接收到六个光信号,将其转换为六个电信号后,由数字示波器接收,可以测量扫过每一组狭缝的时间t,根据狭缝间隔距离d,从而计算出扫描速度v。因此,扫描速度的数学模型可以表示为^[2]

　　扫速不均匀性Δvi(i为像面位置,相对像面中端位置2)按下式计算:

　　精密双狭缝是本检测装置中最为核心的部件,关系到光电信号前沿的好坏并直接影响时间间隔测量的准确度。经反复实践,确定了以下狭缝机构参数:狭缝片厚度0.2 mm,缝宽δ=0.3 mm,三组狭缝,一组包含两条狭缝,每组狭缝间距设计值30mm,极限误差±2μm。所有狭缝左右两边的表面粗糙度不大于0.4μm,不平行度相对于中心线不大于1.5μm。

　　精密双狭缝片紧贴在扫描相机的像面上,二者之间不得有间隙。本文以SJZ-15型转镜扫描相机(使用相机自带宽度为0.01 mm的单狭缝)的9×104r/min转速(名义扫速为4.5 mm/μs)为例,脉冲光源持续时间约为150μs。给出了实测扫描速度及扫速不均匀性,并根据检测实验数据,评定了检测装置的相对测量不确定度。