ИМПУЛЬСНОЕ ФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2002 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к области фотометрии и может быть использовано в оптико-электронных приборах с фотодиодными преобразователями излучений.

Известно устройство [1], содержащее последовательно соединенные фотодиод и резистор, два инвертирующих усилителя, охваченных обратной связью, причем вход первого усилителя соединен с выходом резистора, а также регулируемый источник напряжения, фиксатор нуля и четыре дополнительных резистора, обратная связь усилителей образована соответственно первым и вторым дополнительными резисторами, включенными между входом и выходом усилителей, при этом другой вывод цепочки фотодиод - резистор соединен с выходом регулируемого источника напряжения, первые выходы третьего и четвертого дополнительных резисторов соединены между собой и с входом второго усилителя, а их вторые выходы соединены соответственно с выходом регистрируемого источника напряжения и выходом первого усилителя, выход второго усилителя соединен с входом фиксатора нуля.

Повышение точности, быстродействия и термостабильности в этом устройстве обеспечивается за счет введения дополнительного резистора, сопротивление которого соответствует области наибольшей стабильности люкс-амперной характеристики фотодиода, так как при этом снижается погрешность преобразования, связанная с температурной нестабильностью выходного тока фотодиода.

Недостатком данного устройства является то, что такая компенсация температурного дрейфа обеспечивает термостабильность в условиях облучений фотодиода при небольшом изменении мощности светового потока (в пределах ±10%) [2] . Кроме того, такая термокомпенсация требует значительных трудозатрат на предварительное исследование зависимостей параметров фотодиодов от температуры при различных сопротивлениях нагрузки.

Также известно устройство [3], содержащее фотодиод, анод которого подключен к входу первого коммутатора и к входу первого масштабного преобразователя, выход которого подключен к второму коммутатору, каждый из двух выходов которого соединен с соответствующим функциональным преобразователем, выходы которых соединены с блоком измерения погрешности, первый выход которого соединен с входом второго масштабного преобразователя, а второй выход - с управляющим входом второго масштабного преобразователя, причем в него дополнительно введены два резистора, каждый из которых подключен к соответствующему выходу первого коммутатора, а блок измерения погрешности выполнен в виде двух устройств сравнения, делительного устройства и источника опорного напряжения, выход которого соединен с одним входом первого устройства сравнения, выход которого соединен с управляющим входом второго масштабного преобразователя, а другой вход - с выходом делительного устройства, входы которого соединены с соответствующими выходами функциональных преобразователей и с соответствующими входами второго устройства сравнения, выход которого соединен с входом второго масштабного преобразователя, причем катод фотодиода соединен с вторыми выводами резисторов.

Схема этого устройства позволяет для компенсации влияния временного старения и температуры на коэффициент преобразования фотодиода изменять коэффициент передачи второго масштабного преобразователя напряжением, поступающим с выхода первого устройства сравнения. Это напряжение формируется посредством деления напряжений, поступающих с функциональных преобразователей. Благодаря этому устройство позволяет линеаризовать световую характеристику фотодиода и повысить точность измерений при влиянии таких дестабилизирующих факторов, как старение и температура.

Недостатком этого устройства является ограниченная точность температурной стабилизации чувствительности фотоприемника и низкое быстродействие т.к. схема сохраняет работоспособность при медленно изменяющемся лучистом потоке, и считывание сигнала происходит после полного цикла коммутаций резисторов и функциональных преобразователей, кроме того, при работе устройства не учитывается аддитивная составляющая при формировании напряжения, управляющего коэффициентом передачи второго масштабного преобразователя, что приводит к дополнительной погрешности термокомпенсации.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство [4], содержащее фотодиод, интегратор фототока, состоящий из повторителя напряжения и накопительной емкости, электронный переключатель, вход которого соединен с генератором разрядного тока, а выходы - соответственно с нулевой шиной и входом интегратора фототока, выход которого через компаратор соединен с устройством управления переключателями, причем в него дополнительно введены преобразователь напряжения в ток с коэффициентом преобразования, пропорциональным температурному коэффициенту спектральной чувствительности фотодиода, генератор измерительного тока и два электронных переключателя, вход первого из которых соединен с одним электродом фотодиода, а выходы - с входом интегратора фототока и нулевой шиной соответственно, вход второго - с другим электродом фотодиода и входом преобразователя напряжения в ток, а выходы подключены к выходу интегратора фототока и генератору измерительного тока соответственно, выход преобразователя напряжения в ток соединен с выходом генератора разрядного тока.

Схема этого устройства позволяет повысить точность измерения энергии регистрируемого излучения путем учета температурной зависимости чувствительности фотодиода, так как в устройстве сам фотодиод является датчиком температуры, формирующим сигнал компенсационного воздействия.

Реализация исключения влияния температурной зависимости чувствительности фотодиода на результат измерения в этом устройстве обеспечивается за счет применения интегратора и метода двойного интегрирования, требующего для одного измерения некоторого фиксированного времени интегрирования, в течение которого на вход интегратора поступает измеряемый сигнал, и времени с момента подключения к источнику опорного тока обратной полярности до момента перехода сигнала через "0", фиксируемого компаратором. Таким образом, реализация этого принципа приводит к ограничению быстродействия устройства из-за необходимости завершения измерения только спустя промежутку времени, равному сумме времен заряда и разряда интегрирующей емкости. Кроме того, необходимость применения интегратора, компаратора, источника опорного тока и переключателей приводит к усложнению устройства и, следовательно, снижению его надежности.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение быстродействия и надежности при одновременном упрощении и сохранении точности.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство, содержащее фотодиод, переключатели, генератор измерительного тока, повторитель напряжения и устройство управления переключателями, дополнительно введены устройство выборки-хранения и блок деления, один из электродов фотодиода подключен к общей шине, а второй - ко входу повторителя напряжения и входу переключателя, выход которого соединен с генератором измерительного тока, а выход повторителя напряжения соединен со входами устройства выборки-хранения и другого переключателя, выход которого соединен с блоком деления, при этом выход устройства выборки-хранения соединен со вторым входом блока деления, а управляющий вход устройства выборки-хранения соединен с устройством управления переключателями, к которому также подсоединены переключатели.

Предлагаемая схема позволяет обеспечить более высокое быстродействие и надежность при одновременном упрощении и сохранении точности. Устройство выборки-хранения позволяет запомнить и хранить напряжение, соответствующее величине температурного воздействия на фотодиод, а блок деления позволяет удерживать коэффициент чувствительности фотодиода неизменным при изменении температуры за счет операции деления на напряжение, пропорциональное температурной зависимости чувствительности этого фотодиода. Устройство выборки-хранения и блок деления позволяют сформировать термокомпенсационное воздействие, направленное на стабилизацию зависимости чувствительности фотодиода при изменении его температуры при значительном упрощении устройства в целом и, следовательно, повышении надежности. В отличие от известного устройства, новые элементы и схема их включения не требуют времени, затрачиваемого на двойное интегрирование, которое используется в известном устройстве для исключения влияния температуры. В то же время в предлагаемом устройстве сохраняется принцип формирования термокомпенсационного воздействия на зависимость чувствительности фотодиода, когда датчиком температуры является этот же фотодиод.

Существенное отличие в работе предлагаемого устройства заключается в том, что новыми элементами и новой схемой включения обеспечивается исключение влияния температурной зависимости чувствительности фотодиода на фотометрические измерения без затрат времени на двойное интегрирование, что делает измерения практически мгновенными. Кроме того, сокращение количества переключателей, интегратора и генератора разрядного тока упрощает устройство и повышает его надежность.

На чертеже представлена функциональная схема импульсного фотометрического устройства.

Импульсное фотометрическое устройство содержит фотодиод 1, одним из электродов подключенный к общей шине, а вторым - ко входу повторителя напряжения 3 и входу переключателя 2, выход которого соединен с генератором измерительного тока 4, а выход повторителя напряжения 3 соединен со входами устройства выборки-хранения 5 и переключателя 6, выход которого соединен с блоком деления 7, при этом выход устройства выборки-хранения 5 соединен со вторым входом блока деления 7, а управляющий вход устройства выборки-хранения соединен с устройством управления переключателями 8, к которому также подсоединены переключатели.

Импульсное фотометрическое устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии фотодиод 1 ключом 2 подключен к генератору измерительного тока 4, а ключ 6 разомкнут. Через фотодиод 1 начинает протекать ток в прямом направлении, при этом пропорциональное температуре падение напряжения на фотодиоде 1 через повторитель напряжения 3 подается на устройство выборки-хранения 5, которым считывается, запоминается и масштабируется в напряжение, пропорциональное температурному коэффициенту чувствительности фотодиода. С выхода устройства выборки-хранения напряжение подается на вход блока деления 7. Одновременно с воздействием на фотодиод 1 импульса излучения на устройство управления ключами 8 поступает импульс запуска, который приводит к отключению ключа 2 и включает ключ 6, которым выход повторителя напряжения 3 подключается ко второму входу блока деления 7. При этом на блок деления одновременно поступают сигналы, пропорциональные фототоку и температуре фотодиода 1. Деление напряжения, пропорционального фототоку, на напряжение, пропорциональное температурному коэффициенту чувствительности фотодиода, позволяет обеспечить неизменную чувствительность фотодиода при изменении его температуры.

Таким образом, в предлагаемом устройстве достигнуто повышение быстродействия за счет исключения времени на операцию двойного интегрирования, повышена надежность за счет упрощения устройства путем исключения из устройства переключателя, интегратора, компаратора, генератора разрядного тока, преобразователя напряжения в ток и замены переключателей ключами при одновременном сохранении точности, достигнутым за счет того, что исключение влияния температурной зависимости чувствительности фотодиода на результат фотометрического измерения обеспечивается сигналом, снимаемым с самого фотодиода.

Использование новых элементов - устройства выборки-хранения и блока деления, а также новой схемы включения позволили увеличить быстродействие до времени, определяемого постоянной времени самого фотодиода, и упростить устройство в целом, при этом погрешность, обусловленная температурной зависимостью чувствительности фотодиода в диапазоне температур (-30 - +60)^oC, не превышает (0,2-0,3)%.

Источники информации
1. Авт. св. СССР 207704, М.кл. G 01 J 1/44, 1997 г., БИ 25.

2. Метод компенсации температурного дрейфа фотоприемника. ПТЭ 1, 1988 г, с.174-176.

3. Авт. св. СССР 960545, М.кл. G 01 J 1/44, 1982 г., БИ 35.

4. Авт. св. СССР 1345064, М.кл. G 01 J 1/44, 1987 г., БИ 38.

Изобретение относится к области фотометрии и может быть использовано в оптико-электронных приборах с фотодиодными преобразователями излучений. Сущность изобретения: в устройство, содержащее фотодиод 1, переключатели 2, 6, генератор измерительного тока 4, повторитель напряжения 3 и устройство управления переключателями 8, дополнительно введены устройство выборки-хранения 5 и блок деления 7, один из электродов фотодиода подключен к общей шине, а второй - ко входу повторителя напряжения и входу переключателя, выход которого соединен с генератором измерительного тока, а выход повторителя напряжения соединен со входами устройства выборки-хранения и другого переключателя, выход которого соединен с блоком деления, при этом выход устройства выборки-хранения соединен со вторым входом блока деления, а управляющий вход устройства выборки-хранения соединен с устройством управления переключателями, к которому также подсоединены переключатели. Техническим результатом является повышение быстродействия и надежности при одновременном упрощении и сохранении точности. 1 ил.

Импульсное фотометрическое устройство, содержащее фотодиод, повторитель напряжения, генератор измерительного тока, устройство управления переключателями, два переключателя, один из которых входом соединен с генератором измерительного тока, а выходом - со входом повторителя напряжения, отличающееся тем, что в него введены устройство выборки-хранения с коэффициентом преобразования, пропорциональным температурному коэффициенту чувствительности фотодиода, и блок деления, к одному входу которого подключен выход другого переключателя, вход которого соединен с выходом повторителя напряжения и входом устройства выборки-хранения, а к другому входу подключен выход устройства выборки-хранения, при этом фотодиод одним электродом соединен с общей шиной, другим - с входом повторителя напряжения, а управляющие входы переключателей и устройства выборки-хранения соединены с устройством управления переключателями.