МНОГОКАНАЛЬНОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1994 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к технической физике в части создания устройств для измерения распределения энергии излучения в поперечном сечении импульсного оптического излучения в лазерной энергетической фотометрии и для измерения пространственно-энергетических характеристик импульсных источников излучения.

Известно измерительное устройство распределения плотности энергии лазерного излучения на основе термоэлектрической матрицы, состоящее из многоканального первичного измерительного преобразователя, в каждом из элементов которого происходит преобразование энергии излучения в тепловую, которая, в свою очередь, преобразуется в ЭДС приемного устройства, состоящего из усилителя и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выходы которого подключены через оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) к устройству обработки и отображения информации, состоящего из микроЭВМ и устройства отображения и регистрации [1] .

Наиболее близким к изобретению является измерительное устройство для получения пространственно-энергетических характеристик лазерного излучения, состоящее из многоканального измерительного преобразователя (МИП) на основе интегральной кремниевой фотоматрицы типа МФ-6, содержащей 128 микроэлементов и усилителей, а также коммутатор, выходы которого подключены к АЦП, блока управления работой фотоматрицы, организующего ее обмен информацией с ЭВМ, и устройства обработки и отображения информации. Результат измерения с каждого канала через АЦП попадает в устройство обработки информации, где одновременно хранится множество значений коэффициентов преобразования, определяемых заранее в процессе аттестации устройства и соответствующих числу каналов МИП [2] .

Пространственно-энергетическая характеристика импульсного лазерного излучения (Е_i) определяется как результат, полученный от деления величины напряжения U_i в каждом канале на соответствующий коэффициент преобразования этого канала Кi, т. е. Ei= U_i/K_i, где i= 1,2, . . . , М, где М - число микроэлементов.

Недостатком известных устройств является недостаточно высокая точность измерения, определяемая погрешностью, возникающей за счет определения коэффициентов преобразования каждого канала и погрешностью, возникающей вследствие измерения напряжения в каждом микроэлементе МИП.

Кроме того, в ряде случаев не требуется измерения тонкой пространственной структуры лазерного излучения, а необходимо определение годности источника лазерного излучения при его выпуске или эксплуатации на основе сравнения заданного порогового значения энергии импульсного излучения (Е_о) с энергией, измеряемой каждым каналом устройства (Е_i).

Известные измерительные устройства не позволяют осуществлять такой контроль путем сравнения Е_i с заданным значением Е_о без применения АЦП, установленного на выходе каждого канала измерительного блока, что требует проведения длительной подготовительной работы для измерения и обработки полученных данных. Известное устройство, предназначенное для определения годности источника излучения, будет иметь большие массогабаритные размеры, а для обработки результатов измерений потребуется ЭВМ с большим объемом блока памяти.

Целью изобретения является повышение точности и быстродействия измерений пространственно-энергетических характеристик излучения и уменьшение габаритных размеров устройства.

Поставленная цель достигается тем, что многоканальное измерительное устройство, содержащее многоэлементный измерительный преобразователь, блок задачи координат, блок управления и синхронизации, блок вычисления энергии и блок связи с внешней ЭВМ, причем первый выход блока управления и синхронизации соединен с первым входом блока задачи координат, выход формирования цифрового кода которого соединен с управляющими входами многоэлементного измерительного преобразователя, цифровой выход блока вычисления энергии подключен к первому входу блока связи, дополнительно содержит синхронный накопитель, устройство сравнения, задатчик уровня, формирователь, блок вычисления суммарной энергии, устройство хранения номеров "бракованных" импульсов, счетчик номеров импульсов и счетчик количества "бракованных" импульсов, при этом выход многоэлементного измерительного преобразователя через синхронный накопитель соединен с первым входом устройства сравнения, второй вход которого соединен с выходом задатчика уровня, а выход - с входом формирователя, второй вход блока задачи координат соединен с выходом формирователя, первый выход - с входом управления устройства сравнения, второй выход блока задачи координат соединен с входом управления синхронного накопителя, третий выход - с входом управления устройства хранения номеров "бракованных" импульсов и счетчика количества "бракованных" импульсов, четвертый выход - с первым входом управления блока вычисления энергии, а пятый выход - с входом управления блока вычисления суммарной энергии, второй выход блока управления и синхронизации соединен со счетным входом счетчика номера измеряемого импульса, третий выход - с входом управления блока связи, а четвертый выход - с третьим входом управления блока задачи координат и вторыми входами управления блока вычисления энергии и блока вычисления суммарной энергии, информационный вход блока вычисления энергии соединен с выходом синхронного накопителя, а цифровой выход - с цифровым входом блока вычисления суммарной энергии, цифровой выход блока вычисления суммарной энергии соединен с вторым цифровым входом блока связи, а третий, четвертый и пятый цифровые входы последнего соединены соответственно с цифровыми выходами счетчика номера измеряемого импульса, устройства хранения номеров "бракованных" импульсов и счетчика количества "бракованных" импульсов.

В устройстве общее число микроэлементов МИП М объединяют в S макроэлементов по N микроэлементов в каждом.

Таким образом М= NхS, (2), где S - количество макроэлементов: N - число микроэлементов в одном макроэлементе, а коэффициент преобразования устанавливают единым для всей матрицы, что приводит к более высоким точностным характеристикам вследствие того, что измерение М коэффициентов преобразования каждого микроэлемента в сумме дает большую погрешность, чем измерение одного коэффициента преобразования для всех микроэлементов МИП.

Работа предложенного многоканального измерительного устройства построена таким образом, чтобы в процессе компарирования фактически производилось сравнение значения энергии, приходящейся на i-й макроэлемент = A_i×N с заданным пороговым уровнем энергии на макроэлементе = E_п×N, где Е_п - пороговый уровень энергии, приходящийся на микроэлемент. Превышение над (или А_i<E_п) во всех S макроэлементах свидетельствует о пригодности исследуемого лазера для эксплуатации. Если хотя бы в одном из S макроэлементов окажется меньше (или А_i <Е_п), то исследуемый лазер бракуется.

На фиг. 1 представлена схема многоканального измерительного устройства; на фиг. 2 - временная диаграмма, поясняющая работу синхронного накопителя.

Многоканальное измерительное устройство содержит последовательно соединенные МИП 1, синхронный накопитель (СН) 2, устройство сравнения (УС) 3, формирователь (Ф) 4, задатчик уровня (ЗУ) 5, с выхода которого на вход УС 3 поступает напряжение Uo, пропорциональное заданному уровню энергии Е_о, а также блок управления и синхронизации (БУС) 6, блок задачи координат (БЗК) 7, блок вычисления энергии макроэлемента (БВЭ) 8, блок вычисления суммарной энергии (БВСЭ) 9 на выходе МИП 1, счетчик номера измеряемого импульса (СНИИ) 10, устройство хранения номеров "бракованных" импульсов (УХ) 11, счетчик количества "бракованных" импульсов (СКБИ) 12 и блок связи с внешней ЭВМ (БС) 13.

Устройство работает следующим образом.

Излучение Е от исследуемого источника лазерного излучения (не показан) поступает на вход МИП 1, который проводит геометрическую селекцию излучения и преобразование его в пропорциональный электрический сигнал. Для геометрической селекции излучения, как уже отмечалось выше, каждый из S макроэлементов МИП 1 содержит N= KxK, где К= 2,3,4 и т. д. , микроэлементов, причем число микроэлементов выбирается из условия N= 2^t, где t= 2,4,6 и т. д. Кроме того, МИП 1 содержит в своем составе коммутатор (не показан), обеспечивающий подключение каждого микроэлемента к выходу МИП 1.

С выхода МИП 1 через равные промежутки времени электрические сигналы 14 (см. фиг. 2), амплитуды которых пропорциональны энергии Е_i, где i= 1,2,3 и т. д. , поступившей на вход j-го микроэлемента, где j= 1,2,3 и т. д. , МИП 1, последовательно поступают на информационный вход СН 2, который проводит накопление амплитуд электрических сигналов 14 с выхода каждого микроэлемента j-го макроэлемента МИП 1. С выхода СН 2 электрический сигнал 15 поступает на первый вход УС 3, на второй вход которого с выхода ЗУ 4 поступает электрический сигнал, амплитуда которого U_о пропорциональна заданному пороговому уровню энергии Ео. В моменты времени t₁, t₂, t₃ и т. д. амплитуда электрического сигнала 15 сравнивается в УС 3 с амплитудой U_o. Если амплитуда электрического сигнала 15 на выходе СН 2 после подключения m-го микроэлемента j-го макроэлемента (причем m≅ N ) превысит амплитуду U_о, УС 3 срабатывает и в момент времени t_m на выходе Ф 4 будет сформирован импульс 16, по которому электрические сигналы 14 с выходов (m+1)-го, (m+2)-го. . . и N-го микроэлементов j-го макроэлемента перестанут поступать на вход СН 2.

Если амплитуда электрического сигнала 15 на выходе СН 2 после подключения к его входу N+1 микроэлемента не превысит амплитуду Uо электрического сигнала на выходе ЗУ 4, УС 3 не срабатывает, при этом в УХНБИ 11 из СНИИ 10 перепишется цифровой код номера "бракованного" импульса исследуемого лазерного излучения, а содержимое СКБИ 12 увеличится на единицу, и прекратится подключение выходов микроэлементов последующих макроэлементов к входу СН 2.

Управление работой коммутатора МИП 1, СН 2, УС 3, СНИИ 10, УХНБИ 11, СКБИ 12 и БС 13 осуществляется БУС 6 и БЗК 7 следующим образом.

Одновременно с приходом на вход МИП 1 импульса лазерного излучения на вход БУС 6 поступает импульс синхронизации, по которому на его выходах формируются импульсы, поступающие на первый вход управления БЗК 7 и счетный вход СНИИ 10, при этом содержимое СНИИ 10 увеличивается на единицу, а на цифровых выходах БЗК 7 последовательно формируются цифровые коды микроэлементов выбранного по заданной оператором программе опроса макроэлементов. Выходы микроэлементов через коммутатор МИП 1 последовательно подключаются к входу СН 2 до тех пор, пока на второй вход управления БЗК 7 с выхода Ф 4 не поступит импульс 16 или в БЗК 7 не будет сформирован цифровой код, соответствующий N-му микроэлементу опрашиваемого макроэлемента. Кроме того, в моменты времени t₁, t₂ и т. д. , соответствующие моментам времени подключения к входу СН 2 выходов 1,2 и т. д. микроэлементов опрашиваемого макроэлемента, на первом выходе БЗК 7 формируются импульсы 17, после поступления которых на входу правления УС 3, последний сравнивает амплитуды электрических сигналов, поступающих на его первый и второй входы.

После поступления на второй вход управления БЗК 7 импульса 16, на его втором выходе формируется импульс, по которому СН 2 обнуляется, а на цифровых выходах БЗК 7 начинается последовательное формирование цифровых кодов микроэлементов следующего макроэлемента.

В том случае, когда БЗК 7 сформирует цифровой код, соответствующий N+1-му микроэлементу j-го макроэлемента, т. е. в том случае, когда амплитуда электрического сигнала 15 на выходе СН 2, соответствующая суммарной амплитуде электрических сигналов на выходе всех микроэлементов j-го макроэлемента, не превысит амплитуды электрического сигнала U_о на выходе ЗУ 4, на третьем выходе БЗК 7 сформируется импульс, по которому в УХНБИ 11 из СНИИ 10 перепишется цифровой код, соответствующий номеру измеряемого импульса, а содержимое СКБИ 12 увеличится на единицу. При этом, на цифровых выходах БЗК 7 прекратится формирование цифровых кодов микроэлементов последующих макроэлементов, а все устройство прекратит работу до прихода следующего импульса излучения.

После прихода последующего импульса излучения, для данного устройства их количество может достигать 100 импульсов, на третьем выходе БУС 6 формируется импульс, по которому информация с цифровых выходов СНИИ 10, УХКБИ 11 и СКБИ 12 через БС 13 выводится на информационное табло и (или) внешнюю ЭВМ (на чертеже не показаны) для дальнейшей обработки и хранения.

Устройство позволяет также осуществлять измерение энергии, поступившей на вход каждого макроэлемента МИП 1 и суммарной энергии, поступившей на все микроэлементы МИП 1, для каждого из 100 импульсов излучения, как в процессе исследования источников излучения, так и при аттестации устройства. При этом, работа устройства в дополнении к описанной выше происходит следующим образом.

По команде оператора на четвертом выходе БУС 6 формируется импульс, по которому БВЭ 8 преобразует амплитуду выходного электрического сигнала СН 2 в цифровой код, пропорциональный энергии исследуемого излучения, поступившей на данный макроэлемент. С выхода БВЭ 8 цифровой код поступает через БС 13 на внешние устройства и на вход БВСЭ 9, в котором осуществляется вычисление энергии, поступившей на все микроэлементы МИП 1 для данного исследуемого импульса лазерного излучения. После окончания опроса всех макроэлементов МИП 1 на пятом выходе БЗК 7 формируется импульс, по которому БВСЭ 9 запоминает информацию для данного импульса излучения.

Измерение энергии предложенным устройством в рабочем режиме и при аттестации отличается тем, что в режиме аттестации на выходе ЗУ 4 устанавливается произвольная амплитуда U_о электрического сигнала, а коэффициент преобразования БВЭ 8 устанавливается равным единице. После окончания аттестации в БВЭ 8 устанавливается коэффициент передачи на срок межповерочного интервала для данного устройства.

Как уже отмечалось выше через БС 13 информация из БВСЭ 9 может быть выведена на информационное табло или введена во внешнюю ЭВМ для организации длительного хранения и обработки.

(56) 1. Я. Т. Загорский, Ю. В. Карабак, А. А. Кузнецов "Измерение и регистрация диаграммы направленности светоизлучаемых устройств". с. "Полупроводниковая электроника в технике связи" под ред. И. Ф. Николаевского - М. : "Радио и связь", 1983, вып. 24, с. 96-102.

2. К. Д. Булатов "Измерение пространственно-энергетических характеристик лазерного излучения системы фотоматрица mini ЭВМ. Препринт "249, М. МИФИ, 1978.

Использование: измерение распределения энергии излучения в лазерной фотометрии и пространственно-энергетических характеристик источников излучения. Сущность изобретения: устройство содержит многоканальный измерительный преобразователь (МИП) 1, блок задачи координат (БЗК) 7, блок управления и синхронизация (БУС) 6, блок вычисления энергии (БВЭ) 8, блок связи (БС) 13, а также синхронный накопитель (СН) 2, устройство сравнения (УС) 3, задатчик уровня (ЗУ) 4, формирователь (Ф) 5, блок вычисления суммарной энергии (БВСЭ) 9, устройство хранения номеров бракованных импульсов (УХНБИ) 11, счетчик номеров бракованных импульсов (СНБИ) 10, счетчик количества "бракованных" импульсов (СКБИ) 12. Первый выход БУС 6 соединен с первым входом БЗК 7, выход формирования цифрового кода БЗК 7 соединен с управляющими входами МИП 1, цифровой выход БВЭ 8 подключен к первому входу БС 13, вход БУС 6 связан с источником исследуемого излучения выход МИП 1 через СН 2 соединен с первым входом УС 3, второй вход УС 3 соединен с выходом ЗУ 4, выход УС 3 связан с входом Ф 5. Второй вход БЗК 7 соединен с выходом Ф 5, первый выход БЗК 7 соединен со входом управления УС 3, второй выход - с входом управления СН 2, третий выход - с входами управления УХНБИ 11 и СКБИ 12, четвертый выход - с первым входом управления БВЭ 8, а пятый выход - с первым входом управления БВСЭ 9. Второй выход БУС 6 соединен со счетным входом с НИИ 10, третий выход - со входом управления БС 13, а четвертый выход - с третьим входом управления БЗК 7 и вторыми входами управления БВЭ 8 и БВЭ 9. Цифровой выход БВЭ 8 соединен с цифровым входом БВCЭ 9. Цифровой выход БВCЭ 9 соединен со вторым цифровым входом БС 13. Третий, четвертый, пятый входы БС 13 соединены соответственно с цифровыми выходами СНИИ 10, УХНВИ 11, СКБИ 12. 2 ил.

МНОГОКАНАЛЬНОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее многоэлементный измерительный преобразователь, блок задачи координат, блок управления и синхронизации, блок вычисления энергии и блок связи, при этом первый выход блока управления и синхронизации соединен с первым входом блока задачи координат, выход формирования цифрового кода которого соединен с управляющими входами многоэлементного измерительного преобразователя, цифровой выход блока вычисления энергии подключен к первому входу блока связи, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия измерений и уменьшения габаритных размеров, в него дополнительно введены синхронный накопитель, устройство сравнения, задатчик уровня, формирователь, блок вычисления суммарной энергии, устройство хранения номеров "бракованных" импульсов, счетчик номеров импульсов и счетчик количества "бракованных" импульсов, при этом выход многоэлементного измерительного преобразователя через синхронный накопитель соединен с первым входом устройства сравнения, второй вход которого соединен с выходом задатчика уровня, а выход - с входом формирователя, второй вход блока задачи координат соединен с выходом формирователя, первый выход - с входом управления устройства сравнения, второй выход - с входом управления синхронного накопителя, третий выход - с входами управления устройства хранения номеров "бракованных" импульсов и счетчика количества "бракованных" импульсов, четвертый выход - с первым входом управления блока вычисления энергии, а пятый выход - с первым входом управления блока вычисления суммарной энергии, второй выход блока управления и синхронизации соединен со счетным входом счетчика номера измеряемого импульса, третий выход - с входом управления блока связи, а четвертый выход - с третьим входом управления блока задачи координат и вторыми входами управления блока вычисления энергии и блока вычисления суммарной энергии, информационный вход блока вычисления энергии соединен с выходом синхронного накопителя, а цифровой выход - с цифровым входом блока вычисления суммарной энергии, цифровой выход которого соединен с вторым цифровым входом блока связи, а третий - пятый цифровые входы последнего соединены с цифровыми выходами счетчика номера измеряемого импульса, устройства хранения номеров "бракованных" импульсов и счетчика количества "бракованных" импульсов, соответственно.