УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ Российский патент 2006 года по МПК G01J1/18 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для калибровок диаграмм направленности фотоприемных устройств (определения размеров и положения диаграмм направленности фотоприемных устройств на калибровочном стенде).

Ближайшим аналогом заявляемого устройства для измерения диаграммы направленности фотоприемных устройств (далее устройство) является электроннооптическое устройство, содержащее источник излучения, оптический канал с модулятором оптического сигнала, приемник излучений, измерительную цепь (1). Недостатками аналога являются наличие сложной системы зеркал, линз в оптическом канале, сложность настройки, низкая надежность, недостаточная точность измерений, трудоемкость процесса измерений. Для обеспечения необходимой точности измерений оптический канал еще больше усложняется при разделении светового потока источника излучений на пучки с применением дополнительных зеркал, линз и измерении разности оптических сигналов. Новизна заявляемого устройства в том, что необходимая точность измерений достигнута при делении светового потока без применения дополнительных зеркал и линз, благодаря введению в оптический канал электронных устройств и измерению в измерительном канале разности не оптических, а электрических сигналов. Введение электронных устройств в оптический канал устраняет недостатки аналога.

Устройство для измерения диаграммы направленности позволяет решить следующие задачи:

- повысить точность и надежность измерений;

- производить калибровку диаграммы направленности вдоль заданной оси с точностью до ¹/₂ цены деления аттестованной координатно-модулирующей линейки (далее линейка);

- измерять диаграммы направленности как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях;

- синхронизировать работу измерительного канала;

- измерять диаграммы направленности на разном удалении от фотоприемных устройств.

Решение поставленных задач достигается тем, что в устройстве, содержащем источник излучения, полупроводниковый приемник излучения, оптический канал с модулятором оптического сигнала, измерительный канал, оптический канал включает фотодиод источника излучения и последовательно подсоединенные к нему преобразователь фототоков источника, усилитель сигналов источника, фильтр нижних частот источника, компаратор уровня, усилитель мощности сигналов источника и излучатель координатно-модулированных оптических сигналов, часть которых поступает на фотоприемное устройство, с которого затем измеряемые сигналы поступают на ЭВМ; измерительный канал включает полупроводниковый приемник излучения, на который поступает другая часть координатно-модулированных оптических сигналов и к которому последовательно подключены преобразователь фототоков излучателя, усилитель сигналов излучателя, фильтр нижних частот излучателя, предварительный усилитель сигналов излучателя, оконечный усилитель, с которого импульсные эталонные сигналы «МЕТКИ» поступают на ЭВМ; модулятор в оптическом канале выполнен в виде аттестованной координатно-модулирующей измерительной линейки со щелевой диафрагмой, на концах линейки расположены два концевых выключателя, связанные с формирователем синхронизирующих сигналов «СТРОБ», которые подаются на ЭВМ; на основании устройства расположены мотор с приводом, электронное устройство формирователя сигналов и управления мотором, каретка с жестко закрепленными на ней источником излучения, фотодиодом источника излучений, электронным устройством каретки, излучателем координатно-модулированных оптических сигналов, полупроводниковым приемником излучений с двумя шторками, причем электронное устройство каретки связано с электронным устройством формирователя сигналов и управления мотором гибким соединителем и содержит источник тока, преобразователь фототоков источника, усилитель сигналов источника, преобразователь фототоков излучателя и усилитель сигналов излучателя; устройство содержит две направляющие, причем каретка выполнена с возможностью движения по двум направляющим.

На фиг.1 показана конструкция устройства, где обозначено:

1 - линейка;

2 - электронное устройство формирователя сигналов и управления мотором;

3 - правый концевой выключатель;

4 - направляющие каретки;

5 - полупроводниковый приемник излучения (вид Б);

6 - шторки;

7 - излучатель координатно-модулированных оптических сигналов (далее излучатель);

8 - каретка с расположенным в ней источником излучения и излучателем (далее каретка);

9 - гибкий соединитель;

10 - электронное устройство каретки;

11 - левый концевой выключатель;

12 - привод;

13 - основание;

14 - мотор;

15 - разъем подключения устройства к калибровочному стенду;

16 - источник излучения (далее источник);

17 - фотодиод источника (вид А);

18 - щелевая диафрагма.

На фиг.2 показана структурная схема устройства (стрелками показано направление излучения), где обозначено:

1 - линейка;

2 - электронное устройство формирователя сигналов и управления мотором;

3 - правый концевой выключатель;

5 - полупроводниковый приемник излучения;

7 - излучатель;

10 - электронное устройство каретки;

11 - левый концевой выключатель;

14 - мотор;

16 - источник;

17 - фотодиод источника;

18 - щелевая диафрагма;

19 - источник тока;

20 - преобразователь фототоков источника;

21 - преобразователь фототоков излучателя;

22 - усилитель сигналов источника;

23 - усилитель сигналов излучателя;

24 - фильтр нижних частот источника;

25 - фильтр нижних частот излучателя;

26 - компаратор уровня;

27 - предварительный усилитель сигналов излучателя;

28 - формирователь синхронизирующих сигналов «СТРОБ»;

29 - усилитель мощности сигналов источника;

30 - оконечный усилитель;

31 - каскад согласования уровней;

32 - электронное устройство управления мотором.

На фиг.3 показана структурная схема калибровочного стенда, включающего устройство, где обозначено:

33 - устройство для измерения диаграммы направленности;

34 - выход оптических координатно-модулированных сигналов излучателя;

35 - фотоприемное устройство;

36 - выход эталонных сигналов «МЕТКИ»;

37 - выход измеряемых сигналов фотоприемного устройства;

38 - выход сигналов «СТРОБ»;

39 - ЭВМ с монитором.

Конструкция устройства представляет следующее. На основании 13 закреплены линейка 1, электронное устройство формирователя сигналов и управления мотором 2, направляющие каретки 4, разъем подключения к калибровочному стенду 15, мотор 14. Электронное устройство формирователя сигналов и управления мотором включает часть блоков оптического и измерительного каналов и блоки формирователя сигнала «СТРОБ», а также электронное устройство управления мотором 32, которое включает мотор по команде «ПУСК», приходящей с ЭВМ. Концевые выключатели 3 и 11, выполненные в виде оптопар, предназначены для формирования сигналов «СТРОБ». Линейка 1 выполнена из стекла и имеет хромовое покрытие. Вдоль длины линейки в средней ее части методом фотолитографии сделано 800 непрозрачных поперечных штрихов прямоугольной формы с шагом 0,25 мм. Ширина штриха 0,125 мм. Каретка 8 соединена с мотором 14 приводом 12. На каретке 8 размещены источник 16, фотодиод источника 17, щелевая диафрагма 18, излучатель 7, полупроводниковый приемник излучения 5, электронное устройство каретки 10, шторки 6. Источник излучения 16 расположен на одной оптической оси с фотодиодом источника 17, проходящей через середину линейки 1 для получения наибольшего оптического сигнала. Гибкий соединитель 9 соединяет электронное устройство каретки 10 с электронным устройством формирователя сигналов и управления мотором 2. Разъем подключения устройства к калибровочному стенду 15 служит для подачи напряжения питания на устройство 33 и соединяет измерительную цепь устройства 33 с калибровочным стендом и ЭВМ 39. В оптический канал входят фотодиод источника 17 и связанные с ним последовательно преобразователь фототоков источника 20, усилитель сигналов источника 22, фильтр нижних частот источника 24, компаратор уровня 26, усилитель мощности сигналов источника 29. Оптический канал включает также излучатель 7. Большая часть оптического сигнала излучателя 7 поступает на выход устройства 33 в виде оптических координатно-модулированных сигналов 34 и затем на ЭВМ 39, а меньшая часть - на полупроводниковый приемник излучений 5. Полупроводниковый приемник излучений 5 последовательно связан с преобразователем фототоков излучателя 21, усилителем сигналов излучателя 23, фильтром нижних частот излучателя 25, предварительным усилителем сигналов излучателя 27, оконечным усилителем 30, входящими в измерительный канал устройства 33, с оконечного усилителя которого выходные эталонные сигналы «МЕТКИ» с выхода 36 поступают через разъем 15 на ЭВМ 39, а с каскада согласования уровней 31 устройства 33 на ЭВМ поступают сигналы «СТРОБ» с выхода 38.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Устройство 33 подсоединяют при помощи разъема 15 к калибровочному стенду и включают в сеть, оператор запускает программу калибровки фотоприемного устройства 35 с помощью ЭВМ. При выполнении программы калибровки на устройство 33 с ЭВМ 39 приходит команда «ПУСК», по которой с помощью электронного устройства управления мотором 32 включается мотор 14. При включении мотора вращательное движение оси мотора 14 с помощью привода 12 приводит к поступательному движению каретки 8. Световой поток, создаваемый источником 16, при протекании через него постоянного тока I_о от источника тока 19 проходит между штрихами на линейке 1, щелевую диафрагму 18 и поступает на фотодиод источника 17. В зазоре между фотодиодом источника 17 и источником 16 промежутки между штрихами на линейке сменяются непрозрачными штрихами, происходит модуляция световых потоков по амплитуде с частотой 1 кГц.

Таким образом, на фотодиод источника 17 поступают модулированные по амплитуде световые потоки. Щелевая диафрагма 18, прорезь которой параллельна штрихам на линейке 1, ограничивает фоновую засветку фотодиода 17 и увеличивает глубину модуляции.

Токи фотодиода источника 17, возникающие под воздействием модулированных оптических сигналов, поступают в электронное устройство каретки 10, где с помощью преобразователя фототоков источника 20 преобразуются в напряжения U. Напряжения U с помощью усилителя сигналов источника 22 поступают по гибкому соединителю 9 в электронное устройство формирователя сигналов и управления мотором 2 и после фильтра нижних частот источника 24 поступают на компаратор уровня 26. Фильтр нижних частот источника 24 ограничивает полосу пропускания частот. На второй вход компаратора уровня 26 поступает опорное напряжение Uo. С выхода компаратора уровня 26 импульсы напряжения прямоугольной формы поступают на усилитель мощности сигналов источника 29, а затем на излучатель 7, имеющий широкую диаграмму направленности излучения. Излучатель 7, перемещаясь на каретке 8 вдоль линейки 1, излучает оптический координатно-модулированный сигнал 34.

Ось, в направлении которой происходит измерение диаграммы направленности (ось координат), совпадает с направлением движения излучателя 7. Эта ось жестко связана с горизонтальной осью фотоприемного устройства 35, параллельна ей и лежит с ней в одной плоскости. Такую привязку осей обеспечивает конструкция калибровочного стенда.

Незначительная часть оптической мощности излучателя 7 одновременно поступает на полупроводниковый приемник излучения 5, а затем после линейного усиления в виде напряжений импульсных эталонных сигналов «МЕТКИ» поступает на ЭВМ 39. Это происходит следующим образом: токи контрольного фотодиода излучателя 5 сначала поступают в электронное устройство каретки 10, где с помощью преобразователя фототоков излучателя 21 преобразовываются в импульсы напряжений, эти напряжения поступают на усилитель сигналов излучателя 23, а затем на фильтр нижних частот излучателя 25. С выхода фильтра нижних частот излучателя 25 импульсы поступают на предварительный усилитель сигналов излучателя 27, затем на оконечный усилитель 30. Оконечный усилитель 30 обеспечивает необходимую мощность эталонных сигналов «МЕТКИ» на выходе 36 устройства 33. При достижении кареткой 8 крайних положений на линейке 1 срабатывают концевые выключатели 11 или 3. Срабатывание концевых выключателей 3 и 11 происходит при закрывании шторками 6 промежутка между оптопарами концевых выключателей только при движении слева направо. Начало линейки 1 соответствует крайнему левому положению каретки 8. При открытии левого концевого выключателя 11 и закрытии шторками 6 правого концевого выключателя 3 возникают положительный и отрицательный перепад напряжений, которые с помощью формирователя строба 28 преобразуются в сигналы «СТРОБ», представляющие собой прямоугольные импульсы определенной длительности, синхронизирующие работу измерительного канала. С выхода каскада согласования уровней 31 сигналы «СТРОБ» поступают на выход 38, передним фронтом они запускают, а задним фронтом останавливают процедуру измерений, производимую под управлением ЭВМ 39. Оптические координатно-модулированные сигналы с выхода 34 поступают на вход фотоприемного устройства 35 для измерения его диаграммы направленности. При этом фотоприемное устройство 35 формирует на выходе сигналы в строгом соответствии с собственной диаграммой направленности. Эти измеряемые сигналы фотоприемного устройства поступают на выход 37. Измерения производятся в разных положениях заявляемого устройства 33 по всей длине линейки 1.

Измерение диаграммы направленности фотоприемного устройства 35 по заданной оси осуществляют следующим образом. Фотоприемное устройство 35, диаграмму направленности которого необходимо измерить, устанавливают на калибровочном стенде, в который входит заявляемое устройство 33. После включения питания устройства, калибровочного стенда и запуска программы калибровки эталонные сигналы «МЕТКИ» с выхода 36 заявляемого устройства и измеряемые сигналы с выхода 37 фотоприемного устройства 35 одновременно поступают на входы ЭВМ 39. Эти сигналы в течение действия сигнала «СТРОБ» преобразуют в цифровую форму с помощью программы ЭВМ 39 и сохраняют для дальнейшей обработки в памяти ЭВМ 39. С помощью программы происходит отображение временных характеристик этих сигналов на мониторе ЭВМ 39. Эталонные сигналы «МЕТКИ» с выхода 36 используют в качестве эталона при сравнении с ними амплитуд и координат сигналов, полученных с выхода 37 фотоприемного устройства 35. Измеряют величину диаграммы направленности по заданной оси, расположенной в горизонтальной плоскости, методом сравнения эталонного сигнала «МЕТКИ» на выходе 36 и измеряемого сигнала фотоприемного устройства 35 на выходе 37.

Заявляемое устройство позволяет измерять диаграмму направленности в вертикальной плоскости при повороте фотоприемного устройства 35 вокруг горизонтальной оси и отсчете на калибровочном стенде угла поворота. Все вычисления производят с помощью программы ЭВМ 39.

Технические решения, положенные в основу построения устройства для измерения диаграммы направленности, выполнены на современном уровне развития электроники с использованием отечественной элементной базы. Заявляемое устройство используется в составе и модификациях стенда калибровок диаграмм направленности измерителей начальной скорости объектов ФЭБ-2И45, разрабатываемых Нижегородским научно-исследовательским приборостроительным институтом «КВАРЦ».

Библиографические данные

1. Е.С.Левшина, П.В.Новицкий. Электрические измерения физических величин. Ленинград: Энергоатомиздат, 1983 г., с.307-309.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для калибровок диаграмм направленности фотоприемных устройств. Технический результат заключается в повышении точности и надежности измерений, в возможности измерять диаграммы направленности как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях, синхронизировать работу измерительного канала, измерять диаграммы направленности на разном удалении от фотоприемных устройств. Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве для измерения диаграммы направленности, содержащем источник излучения, полупроводниковый приемник излучения, оптический канал с модулятором оптического сигнала и измерительный канал, оптический канал включает фотодиод источника излучения и последовательно подсоединенные к нему преобразователь фототоков источника, усилитель сигналов источника, фильтр нижних частот источника, компаратор уровня, усилитель мощности сигналов источника и излучатель координатно-модулированных оптических сигналов, часть которых поступает на измеряемое устройство, с которого затем измеряемые сигналы поступают на ЭВМ, измерительный канал включает полупроводниковый приемник излучения, на который поступает другая часть координатно-модулированных оптических сигналов и к которому последовательно подключены преобразователь фототоков излучателя, усилитель сигналов излучателя, фильтр нижних частот излучателя, предварительный усилитель сигналов излучателя, оконечный усилитель, с которого импульсные эталонные сигналы «МЕТКИ» поступают на ЭВМ. Кроме того, модулятор в оптическом канале выполнен в виде аттестованной координатно-модулирующей измерительной линейки со щелевой диафрагмой, на концах линейки расположены два концевых выключателя, связанные с формирователем синхронизирующих сигналов «СТРОБ», которые подаются на ЭВМ. На основании устройства расположены мотор с приводом, электронное устройство формирователя сигналов и управления мотором, каретка с жестко закрепленными на ней источником излучения, фотодиодом источника излучений, электронным устройством каретки, излучателем координатно-модулированных оптических сигналов, полупроводниковым приемником излучений с двумя шторками. Причем электронное устройство каретки связано с электронным устройством формирователя сигналов и управления мотором гибким соединителем и содержит источник тока, преобразователь фототоков источника, усилитель сигналов источника, преобразователь фототоков излучателя и усилитель сигналов излучателя, устройство содержит две направляющие, причем каретка выполнена с возможностью движения по двум направляющим. 3 ил.

Устройство для измерения диаграммы направленности, содержащее источник излучения, полупроводниковый приемник излучения, оптический канал с модулятором оптического сигнала, измерительный канал, отличающееся тем, что оптический канал включает фотодиод источника излучения и последовательно подсоединенные к нему преобразователь фототоков источника, усилитель сигналов источника, фильтр нижних частот источника, компаратор уровня, усилитель мощности сигналов источника и излучатель координатно-модулированных оптических сигналов, часть которых поступает на измеряемое устройство, с которого затем измеряемые сигналы поступают на ЭВМ, измерительный канал включает полупроводниковый приемник излучения, на который поступает другая часть координатно-модулированных оптических сигналов и к которому последовательно подключены преобразователь фототоков излучателя, усилитель сигналов излучателя, фильтр нижних частот излучателя, предварительный усилитель сигналов излучателя, оконечный усилитель, с которого импульсные эталонные сигналы «МЕТКИ» поступают на ЭВМ, модулятор в оптическом канале выполнен в виде аттестованной координатно-модулирующей измерительной линейки со щелевой диафрагмой, на концах линейки расположены два концевых выключателя, связанные с формирователем синхронизирующих сигналов «СТРОБ», которые подаются на ЭВМ, на основании устройства расположены мотор с приводом, электронное устройство формирователя сигналов и управления мотором, каретка с жестко закрепленными на ней источником излучения, фотодиодом источника излучений, электронным устройством каретки, излучателем координатно-модулированных оптических сигналов, полупроводниковым приемником излучений с двумя шторками, причем электронное устройство каретки связано с электронным устройством формирователя сигналов и управления мотором гибким соединителем и содержит источник тока, преобразователь фототоков источника, усилитель сигналов источника, преобразователь фототоков излучателя и усилитель сигналов излучателя, устройство содержит две направляющие, причем каретка выполнена с возможностью движения по двум направляющим.