СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭКСПОЗИЦИИ И ЛАЗЕРНЫЙ ДОЗИМЕТР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК G01J5/14 

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к приборам, предназначенным для измерения энергетических параметров отраженного и рассеянного лазерного излучения при эксплуатации лазерных изделий в целях гигиены и санитарии службами техники безопасности, органами Государственного санитарного надзора, органами, проводящими испытания и сертификацию предприятий, организациями и медицинскими учреждениями.

Известен лазерный дозиметр для измерения энергетической экспозиции, содержащий сменное фотоприемное устройство и блок обработки сигналов, микроконтроллер, связанный первым выходом и первым входом с аналого-цифровым преобразователем, вторым выходом - с дисплеем, вторым входом - с клавиатурой, и блок усилителя-формирователя (1).

Однако указанный дозиметр имеет недостаточную надежность, сложную для реализации схему, потребляет необоснованно много энергии в автономном режиме, что снижает потребительские свойства товара.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является достижение требуемой надежности лазерного дозиметра и уменьшение потребляемой энергии в автономном режиме.

Для решения поставленной задачи предлагается следующее.

В лазерном дозиметре для измерения энергетической экспозиции, содержащем сменное фотоприемное устройство и блок обработки сигналов, микроконтроллер, связанный первым выходом и первым входом с аналого-цифровым преобразователем, вторым выходом - с дисплеем, вторым входом - с клавиатурой, и блок усилителя-формирователя, дополнительно введен усилительный блок, который своим первым входом связан с блоком обработки сигналов, а выходом с аналого-цифровым преобразователем, при этом второй вход усилительного блока связан с блоком усилителя-формирователя, первый вход и первый выход блока усилителя-формирователя - с блоком обработки сигналов, третий выход микроконтроллера - с блоком обработки сигналов, а четвертый выход - с блоком усилителя-формирователя, при этом блок обработки сигналов содержит усилитель и интегратор, а блок усилителя-формирователя включает последовательно соединенные усилитель переменного тока, компаратор и ключ.

Поставленная задача достигается также тем, что способ измерения энергетической экспозиции, ведут следующим образом: используют сменные фотоприемные устройства, предварительно определяют коэффициент усиления напряжения в зависимости от длины волны лазерного излучения при воздействии лазерного излучения, заносят в память микроконтроллера коэффициенты усиления и параметры импульсного лазерного излучения, вычисляют предельно допустимые уровни импульсов лазерного излучения, на фотоприемные устройства подают импульсное излучение от лазерного источника, которое преобразуют в электрический аналоговый сигнал, усиливают, интегрируют и преобразуют в цифровой сигнал, сравнивают с предельно допустимыми уровнями импульсов лазерного излучения, осуществляют индикацию параметров контролируемого излучения - длины волны, длительности импульсов и проводят индикацию значения дозы излучения и времени воздействия излучения.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана блок-схема лазерного дозиметра для измерения облученности; на фиг.2 - для измерения энергетической экспозиции; на фиг.3 - пример выполнения узла преобразования и регистрации сигналов, где λ - сигнал переключения длины волны; ФПУ Е - разъем для подключения ФПУ (фотоприемного устройства) при измерении облученности; ФПУ Н - разъем для подключения ФПУ при измерении энергетической экспозиции; Н-Е - сигнал переключения типа излучения.

Лазерный дозиметр для измерения облученности (фиг.1) содержит узел преобразования и регистрации сигналов (УПР), который образуют последовательно соединенные блок обработки сигналов при измерении облученности (БОС Е) 1, усилительный блок 2 (У), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, микроконтроллер (МК) 4 и блок усилителя-формирователя (БУФ) 5; сменное фотоприемное устройство (ФПУ) 6 для работы в спектральном диапазоне с различными длинами волн (0,49-1,15 мкм, 1,15-1,8 мкм и 2-11 мкм); и связанные с микроконтроллером 4 своим входом дисплей 7 и своим выходом клавиатура 8.

Дозиметр для измерения энергетической экспозиции (фиг.2) содержит узел преобразования и регистрации сигналов (УПР), который образуют последовательно соединенные блок обработки сигналов при измерении облученности (БОС Е) 1, усилительный блок 2 (У), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, микроконтроллер (МК) 4 и блок усилителя-формирователя (БУФ) 5; сменное фотоприемное устройство (ФПУ) 6 для работы в спектральном диапазоне с различными длинами волн (0,49-1,15 мкм, 1,15-1,8 мкм и 2-11 мкм); и связанные с микроконтроллером 4 своим входом дисплей 7 и своим выходом клавиатура 8.

Узел преобразования и регистрации УПР (фиг.3) конструктивно выполнен в виде портативного блока, на лицевой панели которого расположен дисплей 7 для отображения информации и клавиатура 8 для управления работой дозиметра.

Блок обработки сигналов при измерении облученности (БОС Е) 1 своим выходом связан с усилительным блоком 2, усилительный блок 2 своим вторым входом - с блоком усилителем-формирователем 5, а выходом с аналого-цифровым преобразователем 3, аналого-цифровой преобразователь 3 - своим вторым входом с микроконтроллером 4, микроконтроллер - выходами с блоком усилителя-формирователя 5, усилительным блоком 2 и АЦП 3.

Блок обработки сигналов при измерении энергетической экспозиции (БОС Н) 1 своим входом и выходом связан с блоком усилителя-формирователя 5, своим вторым выходом - с усилительным блоком 2, усилительный блок 2 своим выходом - с аналого-цифровым преобразователем 3, аналого-цифровой преобразователь 3 - своим вторым входом с микроконтроллером 4, микроконтроллер - вторым входом с блоком усилителя-формирователя 5, выходом и входом - с блоком управления-формирователя 6, другим выходом - с блоком обработки сигналов 1.

При работе в различных поддиапазонах применяются сменные фотоприемные устройства.

Фотоприемное устройство ФПУ-1 предназначается для работы в спектральном диапазоне 0,49-1,15 мкм. При работе в поддиапазонах 10^-6-10^-4 Вт/см² и 10^-8-10^-6 Дж/см² ФПУ-1 комплектуется входной блендой Б.

При работе в поддиапазонах 10^-4-10^-2 Вт/см² и 10^-6-10^-4 Дж/см² ФПУ-1 комплектуется преобразователем масштабным сетчатым ПМС, коэффициент ослабления которого равен 100±10.

Фотоприемное устройство ФПУ-2 предназначается для работы в спектральном диапазоне 1,15-1,8 мкм. При работе в поддиапазонах 10^-5-10^-3 Вт/см² и 10^-8-10^-6 Дж/см² ФПУ-2 комплектуется входной блендой Б. При работе в поддиапазонах 10^-3-10^-1 Вт/см² и 10^-6-10^-4 Дж/см² ФПУ-2 комплектуется преобразователем масштабным сетчатым ПМС.

Фотоприемное устройство ФПУ-3 предназначается для работы в спектральном диапазоне 2-11 мкм. При работе в поддиапазонах 10^-1-1 Вт/см² и 10^-3-10^-1 Дж/см² ФПУ-3 комплектуется преобразователем масштабным диафрагмирующим ПМД с коэффициентом ослабления 100±10.

При измерении облученности от непрерывного излучения фотоприемные устройства подключаются к разъему ФПУ Е, а при измерении энергетической экспозиции от импульсного излучения к разъему ФПУ Н. Разъемы расположены на боковой поверхности УПР.

Блок обработки сигналов (БОС Н) 1 позволяет при импульсном излучении проводить автоматическую коррекцию сигнала на величину шумового фонового излучения (автоматическая коррекция фона) и детектировать импульсный сигнал в постоянное напряжение, пропорциональное энергии излучения.

БОС Н содержит усилитель 10 и интегратор 12, причем выход усилителя соединен с входом интегратора.

БОС Е содержит усилитель 11 и мультиплексор 13, причем входы усилителя 11 подключены к мультиплексору 13.

Усилительный блок (У) 2 содержит мультиплексор 14 и усилители 15, 16 и 17, причем усилители 15, 16 и 17 соединены параллельно, а выход мультиплексора 14 соединен с входами усилителей 15, 16, 17.

Блок усилителя-формирователя (БУФ) 5 содержит усилитель переменного тока 18, компаратор 19 и ключ 20, причем усилитель 18, компаратор 19 и ключ 20 соединены последовательно.

БОС Е, БОС Н и БУФ представляют собой блоки с электронным управлением режимами работ (выбор времени интегрирования, коэффициентов усиления и т.п.), что делает возможным их управление от встроенного микроконтроллера.

Вывод результатов осуществляется на двухстрочный графический дисплей 8 с управлением от микропроцессора, что позволяет выдавать текстовую информацию о длинах волн, измеренных допустимых уровнях и данных стандарта.

БОС Н работает следующим образом.

В режиме измерения энергетической экспозиции импульс тока с ФПУ 6 поступает на вход усилителя 10. Входная цепь усилителя представляет собой RC цепочку. Постоянная времени заряда выбирается равной 3×10^-4 с. Усилитель 10 собран по неинвертирующей схеме на операционном усилителе. Коэффициент усиления усилителя равен 10. С выхода усилителя сигнал поступает на интегратор 12 и на усилитель 18 блока БУФ. С выхода интегратора 16 сигнал, соответствующий энергии импульса излучения, поступает на мультиплексор 14 усилительного блока для переключения режима измерения параметров импульсного или непрерывного излучения.

При измерении энергетической экспозиции интегратор 16 интегрирует только импульсный сигнал.

БОС Е работает следующим образом.

Сигнал, соответствующий облученности от непрерывного излучения, поступает на мультиплексор 14 БАП с усилителя 11. На вход усилителя 11 поступает ток от ФПУ 7 при измерении облученности от непрерывного излучения. Усилитель 11 собран на операционном усилителе по инвертирующей схеме. Мультиплексор 13 переключает сопротивления цепи балансировки усилителя 11 в зависимости от диапазона длин волн излучения.

Усилительный блок работает следующим образом.

С выхода блока БОС Н импульсный сигнал (при измерении энергетической экспозиции) или постоянный (при измерении облученности) с выхода блока БОС Е поступают на мультиплексор 14 и выбираются сигналом Н-Е, а затем поступают одновременно на входы инвертирующих усилителей: 15 с коэффициентом усиления 1; 16 с коэффициентом усиления 10; 17 с коэффициентом усиления 100. Снятие выходного сигнала с усилителя 17 соответствует одному диапазону измерения, с усилителя 16 - второму диапазону, с усилителя 15 - третьему диапазону. С выхода усилителя 19 сигнал поступает на пороговое устройство 22, соответствующее нижнему порогу второго диапазона. С выхода усилителей сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь 3. Коэффициент усиления напряжения определяют предварительно в зависимости от длины волны лазерного излучения.

БУФ работает следующим образом.

Сигнал с выхода входного усилителя 10 БОС поступает на усилитель переменного тока 18. С выхода усилителя 18 сигнал поступает на компаратор 19, с выхода которого подается сигнал готовности на микроконтроллер 4. Коэффициенты усиления, соответствующие длине волны импульсного лазерного излучения, заносят в память микроконтроллера. Ключ 20 управляется сигналом Н-Е (импульсный или непрерывный режимы), вырабатываемым МК 4. В непрерывном режиме к усилителю 15 усилительного блока подключается фильтрующая цепочка для отсечения помех от внешнего освещения. В импульсном режиме ключ 20 служит для сброса в «0» интегратора 12 БОС Н.

Микроконтроллер вычисляет предельно допустимые уровни импульсов лазерного излучения. Фотоприемные устройства принимают импульсное излучение от лазерного источника, которое преобразуют в электрический аналоговый сигнал, усиливают, интегрируют и преобразуют в цифровой сигнал, сравнивают с предельно допустимыми уровнями импульсов лазерного излучения, осуществляют индикацию параметров контролируемого излучения - длины волны, длительности импульсов и проводят индикацию значения дозы излучения и времени воздействия излучения, для чего выходной сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Последовательность импульсов с выхода АЦП 3 поступает на микроконтроллер 4, также на АЦП поступает сигнал со стабилизатора напряжения об уровне разряда батарей. На управляющие входы микроконтроллера 4 поступают потенциалы с клавиш управления 9, расположенных на лицевой панели дозиметра. К выходам микропроцессора подключен дисплей 8, предназначенный для отображения информации о режимах измерения, результатах измерения и результатах вычисления ПДУ. Микроконтроллер 4 запрограммирован таким образом, что с помощью клавиатуры на лицевой панели можно выполнить следующие функции:

1) индикацию текущего значения измеряемого параметра;

2) индикацию максимального значения измеряемого параметра;

3) индикацию значения измеренной дозы излучения;

4) индикацию вида контролируемого излучения: импульсное или непрерывное;

5) индикацию параметров контролируемого излучения: длины волны, длительность импульсов;

6) индикацию значения времени воздействия излучения;

7) индикацию измеренного значения частоты повторения импульсов;

8) индикацию вычисленного значения ПДУ либо в соответствии со СНИП N 5804-91, либо в соответствии со стандартом МЭК;

9) индикацию уровня разряда батарей.

Микроконтроллер запрограммирован на определение результатов измерений с учетом значений относительной спектральной чувствительности фотодиодов на рабочих длинах волн излучения и с учетом коэффициента ослабления ПМС и ПМД. Микроконтроллер позволяет производить калибровку дозиметра путем введения в память необходимого калибровочного множителя.

Источник информации

1. Патент РФ №2153655, МКИ 7 G 01 J 5/14, опубл.27.07.2000

Изобретение относится к измерительной технике. В лазерном дозиметре предусмотрен усилительный блок, своим первым входом связанный с блоком обработки сигналов, а выходом - с аналого-цифровым преобразователем, при этом второй вход усилительного блока связан с блоком усилителя-формирователя, первый вход и первый выход блока усилителя-формирователя - с блоком обработки сигналов, третий выход микроконтроллера - с блоком обработки сигналов, четвертый выход - с блоком усилителя-формирователя, а третий вход - с блоком усилителя-формирователя. В способе предварительно определяют коэффициент усиления напряжения в зависимости от длины волны лазерного излучения для каждого фотоприемного устройства путем регистрации выходных значений датчика от воздействия на него лазерного излучения заданной длины волны, заносят в память микроконтроллера прибора коэффициенты усиления и параметры импульсного лазерного излучения и вычисляют предельно допустимые уровни импульсов, подключают необходимое фотоприемное устройство и выбирают длину волны в зависимости от длины волны лазерного излучения, усиливают, интегрируют сигнал, обрабатывают его и сравнивают с предельно допустимыми уровнями импульсов. Технический результат - повышение надежности измерений. 2 н.п.ф-лы, 3 ил.

1. Лазерный дозиметр для измерения энергетической экспозиции, содержащий сменное фотоприемное устройство и блок обработки сигналов, микроконтроллер, связанный первым выходом и первым входом с аналого-цифровым преобразователем, вторым выходом - с дисплеем, вторым входом - с клавиатурой, и блок усилителя-формирователя, отличающийся тем, что дополнительно содержит усилительный блок, своим первым входом связанный с блоком обработки сигналов, а выходом с аналого-цифровым преобразователем, при этом второй вход усилительного блока связан с блоком усилителя-формирователя, первый вход и первый выход блока усилителя-формирователя - с блоком обработки сигналов, третий выход микроконтроллера - с блоком обработки сигналов, а четвертый выход - с блоком усилителя-формирователя, при этом блок обработки сигналов содержит усилитель и интегратор, а блок усилителя-формирователя включает последовательно соединенные усилитель переменного тока, компаратор и ключ.2. Способ измерения энергетической экспозиции, заключающийся в том, что используют сменные фотоприемные устройства, предварительно определяют коэффициенты усиления напряжения в зависимости от длины волны лазерного излучения при воздействии лазерного излучения, заносят в память микроконтроллера коэффициенты усиления и параметры импульсного лазерного излучения, вычисляют предельно допустимые уровни импульсов лазерного излучения, на фотоприемные устройства подают импульсное излучение от лазерного источника, которое преобразуют в электрический аналоговый сигнал, усиливают, интегрируют и преобразуют в цифровой сигнал, сравнивают с предельно допустимыми уровнями импульсов лазерного излучения, осуществляют индикацию параметров контролируемого излучения - длины волны, длительности импульсов и проводят индикацию значения дозы излучения и времени воздействия излучения.