УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФОТОУМНОЖИТЕЛЯ Российский патент 1994 года по МПК H01J43/30 

Изобретение относится к приборостроению, а более конкретно - к устройствам для измерения фотометрических характеристик, и предназначено преимущественно для использования в фотометрах.

В качестве преобразователей светового сигнала в электрический широко используются фотодиоды [1]. Однако область их применения ограничена измерением сравнительно больших световых потоков. Улучшенными характеристиками обладают лавинные светодиоды, однако увеличение коэффициента преобразования лавинных фотодиодов сопровождается уменьшением их быстродействия. Как те, так и другие обладают недостатком: при измерениях немодулированных световывх потоков на результат измерения оказывает существенное влияние нестабильность темнового тока, особенно при малых значениях световых потоков.

Этих недостатков в значительной степени лишены фотоэлектронные умножители (ФЭУ), которые наряду с большим усилением позволяют получить наибольшее быстродействие [1].

Однако они также имеют недостаток, которым является зависимость коэффициента преобразования от влияния внешних факторов, в частности от уровня засветки фотокатода.

Этот недостаток устранен в устройстве, описанном в [2], которое по технической сущности является наиболее близким к предлагаемому техническому решению и принято в качестве прототипа.

В прототипе для стабилизации коэффициента пребразования ФЭУ использованы светодиод, оптически связанный с входом ФЭУ, фильтр низкой частоты (ФНЧ), соединенный с выходом ФЭУ, и схема сравнения, к входам которой подключены ФНЧ и источник опорного напряжения. Выход схемы сравнения соединен с источником света, который регулируется так, чтобы средний ток ФЭУ оставался постоянным.

Недостатком прототипа является невозможность измерения немодулированного светового потока, так как выходной сигнал ФЭУ по постоянному току стабилизируется путем изменения светового потока светодиода.

Целью изобретения является исключение этого недостатка и обеспечение возможности измерения немодулированного светового потока.

Цель достигается тем, что в известное устройство стабилизации коэффициента преобразования ФЭУ, содержащее источник света, оптически связанный с входом ФЭУ, фильтр, подключенный к выходу ФЭУ, схему сравнения и источник питания, введены дополнительно фотодиод, первый и второй запоминающие элементы, например, в виде фильтров на резистивно-емкостных элементах, вход фотодиода оптически связан с источником света, а электрический выход соединен с одним из входов схемы сравнения через первый запоминающий элемент, включающий в себя разделительный конденсатор, другой вход схемы сравнения через второй запоминающий элемент, включающий в себя разделительный конденсатор, подключен к выходу фотоумножителя, при этом источник питания фотоумножителя имеет управляющий вход, который подключен к выходу схемы сравнения, а источник света модулирован.

Достижение цели изобретения обеспечивается стабилизацией коэффициента преобразования ФЭУ путем регулирования его электрического режима (напряжения питания), в результате которого обеспечивается достижение постоянного соотношения коэффициентов преобразования ФЭУ и фотодиода.

Доказательством существенности отличий предложенного технического решения является то, что в известных заявителю источниках не обнаружен фотодиод, введенный в цепь регулирования коэффициента преобразования ФЭУ.

На чертеже приведена блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит источник 1 модулированного света, фотоумножитель 2 и фотодиод 3, оптически связанные с источником 1 света. Выходы ФЭУ и фотодиода соединены через разделительные конденсаторы (на схеме не показаны) с входами схемы 4 сравнения, выход которой соединен с управляющим входом регулируемого источника 5 питания ФЭУ.

Входы схемы сравнения имеют элементы 6 и 7 запоминания уровня поступающих сигналов, например, в виде пиковых детекторов (при импульсном питании источника света), или фильтров в виде RC-цепочек, или их сочетания.

При этом разделительные конденсаторы входят в состав элементов запоминания. Выход ФЭУ через фильтр 8, не пропускающий переменную составляющую сигнала, связан с измерительным выходом устройства.

Работает устройство следующим образом.

Модулированный световой поток от источника 1 света поступает на входы ФЭУ 2 и фотодиода 3.

При этом выходной сигнал фотодиода будет равен
U₁ = Ф ˙K₁˙ К_g, (1) где Ф - световой поток от источника света;
К₁ - коэффициент пропускания тракта, по которому свет поступает на фотодиод;
К_g- коэффициент преобразования фотодиода.

Выходной сигнал ФЭУ, поступающий на вход 2 схемы сравнения, будет равен
U₂= Ф ˙K₂˙ К_ф, (2) где К₂ - коэффициент пропускания тракта, по которому свет поступает на ФЭУ;
К_ф - коэффициент преобразования ФЭУ.

Если выходные сигналы не равны, то сигнал разности с выхода схемы сравнения будет воздействовать на управляющий вход регулируемого источника 5 питания до наступления равенства U₁= U₂, при котором соблюдается равенство:
K_ф = K_g, (3) где = const
Как известно (см., например, Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. М.: Советское радио, 1977, с. 60 и 77) фотодиоды обладают весьма высокой временной и температурной стабильностью по переменному току, поэтому можно полагать К_ф= const, имея в виду, что температурная нестабильность темнового тока фотодиода в этом случае не влияет на его коэффициент преобразования. Поэтому сигнал от измеряемого немодулированного светового потока Фи на выходе устройства можно записать в таком виде:
U_вых = ФK_g=Ф_и·K_ф (4)
Техническим преимуществом предложенного устройства является возможность его использования для измерения немодулированного светового потока, например яркости фона при измерениях видимости на аэродромах.

Дополнительным преимуществом предложенного устройства является возможность измерения модулированного светового потока, используя широко известные методы временного или частотного разделения сигналов на выходе ФЭУ.

В настоящее время закончена разработка принципиальной электрической схемы предложенного устройства, изготовлен действующий макет, проведены его лабораторные испытания, защищен эскизно-технический проект.

Использование: приборостроение, преимущественно в фотометрах, применяемых на аэродромах в целях метеообеспечения авиации данными о видимости. Сущность изобретения: для достижения стабилизации коэффициента преобразования фотоумножителя при воздействии различных дестабилизирующих факторов, включая фоновое излучение, устройство содержит модулированный источник света, фотоумножитель, фильтр, схему сравнения, запоминающие элементы, регулируемый источник питания, фотодиод, соединенные по предлагаемой схеме. 1 ил.

УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФОТОУМНОЖИТЕЛЯ, содержащее источник света, оптически связанный с входом фотоумножителя, фильтр, подключенный к выходу фотоумножителя, схему сравнения и источник питания, отличающееся тем, что, с целью обеспечения возможности измерения немодулированных световых потоков, в него введены фотодиод, первый и второй запоминающие элементы, например, в виде фильтров на резистивно-емкостных элементах, вход фотодиода оптически связан с источником света, а электрический выход соединен с одним из входов схемы сравнения через первый запоминающий элемент, включающий в себя разделительный конденсатор, другой вход схемы сравнения через второй запоминающий элемент, включающий в себя разделительный конденсатор, подключен к выходу фотоумножителя, при этом источник питания фотоумножителя имеет управляющий вход, который подключен к выходу схемы сравнения, а источник света модулирован.