УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МОЩНОСТИ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК G01J5/20 G01J5/42 

Изобретение относится к устройствам для обнаружения и преобразования мощности излучения, а именно к оптико-акустическим приемникам, предназначенным для преобразования инфракрасной радиации от исследуемого объекта или источника в спектральном диапазоне от 0,3 до 2000 мкм в постоянное напряжение электрического тока, и может быть использовано в фотометрах.

Известны устройства для измерения параметров излучения лазеров [1], реализующие принцип пространственно-временного ослабления и применяемые для мощного лазерного излучения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство, реализующее способ измерения мощности лазерного излучения (ЛИ), предназначенный для расширения предела измерения излучения в область больших значений мощности [2] . В качестве приемника излучения в макете устройства использован широкоапертурный пленочный анизотропный термопреобразователь (АТП) в режиме пространственно-временного ослабления (ПВО) за счет перемещения приемника вручную оператором. При быстродействии 0,1 с формируется импульсный сигнал, амплитудное значение которого пропорционально мгновенной мощности измеряемого ЛИ. АТП в режиме ПВО имеет в непрерывном режиме эксплуатации с охладителем предельную нагрузочную характеристику около 100 Вт/см² и может применяться без охладителя лазерного излучателя при плотности мощности 0,5 кВт/см².

Недостатком способа измерения мощности ЛИ и устройства, его реализующего [2] , является то, что он используется только в инфракрасном оптическом диапазоне и не позволяет работать в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетовой до субмиллиметровой области (от 0,3 до 2000 мкм), а также необходимость в ручной работе оператора с целью перемещения приемного устройства в непосредственной близости от мощного лазерного пучка, что создает опасные условия труда.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение соотношения сигнал/шум при приеме сигналов в широком спектральном диапазоне, повышение надежности, упрощение конструкции и обеспечение безопасности работы устройства.

Для решения данной задачи предлагается два варианта устройства для обнаружения и преобразования мощности источника излучения. Устройство по п.1 содержит источник излучения и первый приемник излучения. В отличие от прототипа оно содержит также последовательно соединенные автогенератор, делитель частоты, ждущий мультивибратор, схему управления электродвигателем и электродвигатель с модулятором. Источник излучения оптически связан с первым приемником излучения, дополнительный источник излучения, подключенный к выходу автогенератора, оптически связан со вторым приемником излучения, при этом первый и второй приемники излучения соединены между собой последовательно и подключены параллельно инвертирующему входу операционного усилителя с резистором в цепи обратной связи. К выходу операционного усилителя последовательно подключены усилитель, двухполупериодный выпрямитель, фильтр нижних частот, выход которого является выходом устройства.

Устройство по п.2 содержит источник излучения и первый приемник излучения и отличается тем, что оно содержит последовательно соединенные автогенератор, делитель частоты, ждущий мультивибратор, подключенный к входу источника излучения, оптически связанного с первым приемником излучения. К выходу автогенератора подключен дополнительный источник излучения, оптически связанный со вторым приемником излучения, при этом первый и второй приемники излучения соединены между собой последовательно и подключены параллельно инвертирующему входу операционного усилителя с резистором в цепи обратной связи. К выходу операционного усилителя последовательно подключены усилитель, двухполупериодный выпрямитель, фильтр нижних частот, выход которого является выходом устройства.

Сущность изобретения заключается в следующем. В устройстве реализована амплитудная модуляция и осуществлен перенос спектра полезного сигнала из области низкой частоты f_н, где на результаты преобразования оказывает влияние низкочастотный шум усилителя, в область высоких частот f_в, где влиянием низкочастотного шума можно пренебречь. Это позволяет существенно улучшить пороговую чувствительность и расширить нижний предел обнаружения и преобразования мощности источника излучения. Это достигается тем, что в устройство введены автогенератор, вырабатывающий прямоугольные импульсы (меандр) на высокой частоте f_в, делитель частоты, ждущий мультивибратор, электродвигатель с модулятором и схема управления электродвигателем, вырабатывающая 4-фазные прямоугольные импульсы, обеспечивающие вращение электродвигателя с модулятором с частотой вращения f_н. При этом автогенератор модулирует тепловой поток второго дополнительного источника излучения электрическим способом на высокой частоте f_в, а модуляционный диск механическим способом прерывает регистрируемый поток от первого источника излучения с низкой частотой f_н. Тепловой поток, модулированный частотой f_н, фокусируется оптической системой на фотоприемнике VD1, а тепловой поток, модулированный частотой f_в, - на фотоприемнике VD2. Фотоприемники VD1 и VD2 (например, фотодиоды) включены последовательно по отношению друг к другу и параллельно - к инвертирующему входу малошумящего операционного усилителя. Операционный усилитель включен по схеме преобразователя тока в напряжение. Суммарный ток фотоприемников VD1 и VD2 протекает в суммирующую точку (инвертирующий вход операционного усилителя). Равный этому ток протекает через резистор обратной связи R_ос, включенный между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя. На выходе усилителя - преобразователя формируется амплитудно-модулированный сигнал, в котором несущей частотой является высокая частота f_в, а огибающей - низкая частота f_н. Далее амплитудно-модулированный сигнал поступает на усилитель импульсного сигнала и детектор огибающей с фильтром нижних частот. На выходе фильтра формируется постоянное напряжение, пропорциональное мощности теплового источника регистрируемого источника излучения. Синхронизация частот f_н и f_в достигается за счет того, что устройство работает от одного автогенератора. Благодаря переносу спектра сигнала с низкой частоты в область относительно высоких частот f_в улучшается отношение сигнал/шум, тем самым повышается чувствительность устройства. Кроме того, в устройстве отсутствует необходимость в использовании ручных операций вблизи источников лазерного излучения, что повышает безопасность работы с устройством.

В другом варианте исполнения устройства модуляция тепловых потоков излучения регистрируемого источника и дополнительного источника осуществляется электронным способом. Исключение механического модулятора позволяет значительно упростить конструкцию устройства. При использовании в качестве первого приемника излучения оптико-акустического приемника исчезает потребность в его виброизоляции, неизбежная при работе механических модуляторов.

Сущность изобретения проиллюстрирована на чертежах. На фиг.1 представлена структурная схема устройства для обнаружения и преобразования мощности источника излучения, на фиг.2 - структурная схема другого варианта устройства.

Устройство для обнаружения и преобразования мощности источника излучения на фиг. 1 содержит последовательно соединенные автогенератор 1, формирующий импульсные сигналы с высокой частотой f_в, делитель 2 частоты, ждущий мультивибратор 3, схему 4 управления электродвигателем, электродвигатель 5 с модуляционным диском. Источник 6 излучения оптически связан с первым приемником излучения. В данной схеме в качестве приемника использован оптико-акустический приемник 7 [3] с фотодиодом 8, воспринимающим излучение, модулированное частотой f_н. Дополнительный источник излучения 9 подключен к выходу автогенератора 1 и оптически связан с дополнительным приемником излучения (в данной схеме фотодиодом 10), воспринимающим тепловое излучение, модулированное частотой f_в. Фотодиоды 8 и 10 соединены последовательно и подключены параллельно инвертирующему входу операционного усилителя 11 с резистором 12 обратной связи, работающего в режиме преобразователя тока в напряжение. К выходу операционного усилителя подключен усилитель 13 импульсного сигнала, двухполупериодный выпрямитель 14 и фильтр 15 нижних частот, выход которого является выходом устройства.

Блоки 1,2,3,4,13,14,15 реализуются на стандартных схемах на базе цифровых и линейных интегральных микросхем.

Другой вариант устройства на фиг.2 содержит последовательно соединенные автогенератор 1, формирующий импульсные сигналы с высокой частотой f_в, делитель 2 частоты, ждущий мультивибратор 3, к выходу которого подключен источник 4 излучения, оптически связанный с первым приемником излучения, в данной схеме с фотодиодом 6 оптико-акустического приемника 5. К выходу автогенератора 1 подключен дополнительный источник излучения 9, оптически связанный с дополнительным приемником излучения (в данной схеме фотодиодом 8). Фотодиоды 6 и 8 соединены последовательно и подключены параллельно инвертирующему входу операционного усилителя 9 с резистором 10 обратной связи, работающего в режиме преобразователя тока в напряжение. К выходу операционного усилителя подключен усилитель 11 импульсного сигнала, двухполупериодный выпрямитель 12 и фильтр 13 нижних частот, выход которого является выходом устройства. Данная схема осуществима при условии, что источник 4 излучения может быть подключен к выходу ждущего мультивибратора 3, например инфракрасный светодиод, электрическая лампа накаливания и т.п. Блоки 1,2,3,11,12,13 реализованы на стандартных схемах на базе цифровых и линейных интегральных микросхем.

Устройство на фиг.1 работает следующим образом. Последовательность импульсов с частотой f_в, генерируемая автогенератором 1, подается на вход делителя 2 частоты и одновременно возбуждает дополнительный источник 9 излучения. На выходе делителя 2 частоты формируется последовательность коротких импульсов с частотой f_н. Ждущий мультивибратор 3 позволяет расширить длительность коротких импульсов с частотой f_н и скважностью Q=2, которые поступают на схему 4 управления электродвигателем, которая формирует 4-фазную последовательность импульсов, необходимую для вращения электродвигателя 5 с модуляционным диском. При вращении модуляционного диска тепловой поток источника 6 излучения прерывается частотой f_н. Модулированный частотой f_н поток излучения попадает на приемную площадку оптико-акустического приемника 7. При этом через фотодиод 8 будет пульсировать ток с частотой f_н, амплитуда которого пропорциональна мощности теплового потока источника 6 излучения. Изображение источника 9 излучения проецируется оптическим узлом (на фиг.1 не показан) на фотодиод 10. При этом через него будет пульсировать ток с частотой f_в, амплитуда которого пропорциональна мощности излучения источника 9. Так как фотодиоды 8 и 10 включены последовательно, то через них будет протекать ток суммарной частоты f_н + f_в. С помощью преобразователя тока в напряжение на операционном усилителе 11 с резистором 12 обратной связи ток суммарной частоты преобразуется в напряжение, которое усиливается импульсным усилителем 13. Усиленный амплитудно-модулированный (AM) сигнал выпрямляется выпрямителем 14 и фильтруется фильтром нижних частот 15.

К выходу фильтра нижних частот можно подключить вольтметр постоянного тока и измерить напряжение, значение которого пропорционально тепловой мощности источника 6 излучения.

Другой вариант устройства (фиг.2) работает аналогично устройству на фиг. 1. Последовательность импульсов с частотой f_в, генерируемая автогенератором 1, подается на вход делителя 2 частоты и одновременно возбуждает дополнительный источник 7 излучения, в качестве которого можно использовать инфракрасный светодиод, электрическую лампу накаливания и т.п. Дополнительный источник 7 излучения испускает тепловой поток Ф_в с частотой f_в. На выходе делителя 2 частоты формируется последовательность коротких импульсов с частотой f_н. Ждущий мультивибратор 3 позволяет расширить длительность коротких импульсов и модулирует поток источника 4 излучения электронным способом частотой f_н. Источник 4 излучения испускает тепловой поток Ф_н с частотой f_н. Модулированный частотой f_н поток излучения Ф_н попадает на приемную площадку оптико-акустического приемника 5. Фотодиоды 6 и 8 воспринимают мощности тепловых потоков Ф_н и Ф_в соответственно; через них протекает ток суммарной частоты f_н + f_н, т.е., как и в схеме на фиг.1, на выходе операционного усилителя 9 с резистором 10 обратной связи формируется АМ-сигнал, который усиливается импульсным усилителем 11. Усиленный АМ-сигнал выпрямляется выпрямителем 12 и фильтруется фильтром нижних частот 13.

Таким образом, реализованные благодаря введению новых элементов и последовательному подключению приемников излучения варианты схемы устройства для обнаружения и преобразования мощности источника излучения с амплитудно-частотной модуляцией с переносом спектра сигнала в область высоких частот позволили обеспечить синхронизацию частот f_н и f_в, улучшить отношение сигнал/шум при приеме сигналов в широком спектральном диапазоне, тем самым повысить чувствительность устройства. Отсутствие необходимости ручной работы оператора вблизи источников лазерного излучения при проведении измерений обеспечивает безопасность работы с прибором, а исключение механического модулятора во втором варианте устройства повышает его надежность и упрощает конструкцию устройства.

Источники информации
1. Иващенко П.А., Калинин Ю.А., Морозов Б.Н. Измерение параметров лазеров. М.: Изд-во стандартов, 1982, с.86.

2. Патент РФ 2084843, 20.07.1997, G 01 5/00.

3. Оптический журнал, 5, 1994, с.5,6.

Использование: для обнаружения и преобразования мощности излучения. Сущность: предлагаются два варианта устройства для обнаружения и преобразования мощности источника излучения, в которых реализована амплитудная модуляция со смещением спектра сигнала из области низких частот в область относительно высоких частот. Устройство по п.1 содержит источник излучения и первый приемник излучения. Оно содержит также последовательно соединенные автогенератор, делитель частоты, ждущий мультивибратор, схему управления электродвигателем и электродвигатель с модулятором, дополнительный источник излучения, подключенный к выходу автогенератора, и оптически связанный с ним второй приемник излучения, последовательно соединенный с входом первого приемника излучения, выход которого подключен параллельно инвертирующему входу операционного усилителя с резистором в цепи обратной связи. В устройстве по п.2 амплитудная модуляция осуществляется электронным способом, в нем исключен механический модулятор, а также вращающий его электродвигатель и схема его управления. Источник излучения подключен непосредственно к выходу ждущего мультивибратора. Технический результат: улучшение соотношения сигнал/шум при приеме сигналов в широком спектральном диапазоне, повышение надежности, упрощение конструкции и обеспечение безопасности работы устройства. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для обнаружения и преобразования мощности источника излучения, содержащее источник излучения и первый приемник излучения, отличающееся тем, что оно содержит последовательно соединенные автогенератор, делитель частоты, ждущий мультивибратор, схему управления электродвигателем и электродвигатель с модулятором, при этом источник излучения оптически связан с первым приемником излучения, дополнительный источник излучения, подключенный к выходу автогенератора, оптически связан со вторым приемником излучения, первый и второй приемники излучения соединены между собой последовательно и подключены параллельно инвертирующему входу операционного усилителя с резистором в цепи обратной связи, к выходу операционного усилителя последовательно подключены усилитель, двухполупериодный выпрямитель, фильтр нижних частот, выход которого является выходом устройства. 2. Устройство для обнаружения и преобразования мощности источника излучения, содержащее источник излучения и первый приемник излучения, отличающееся тем, что оно содержит последовательно соединенные автогенератор, делитель частоты, ждущий мультивибратор, подключенный ко входу источника излучения, оптически связанного с первым приемником излучения, дополнительный источник излучения, подключенный к выходу автогенератора, оптически связан со вторым приемником излучения, при этом первый и второй приемники излучения соединены между собой последовательно и подключены параллельно инвертирующему входу операционного усилителя с резистором в цепи обратной связи, к выходу операционного усилителя последовательно подключены усилитель, двухполупериодный выпрямитель и фильтр нижних частот, выход которого является выходом устройства.