ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР Российский патент 2009 года по МПК G01N21/59 

Изобретение относится к области контроля оптической плотности сред, частично поглощающих и рассеивающих оптическое излучение, а также величин, однозначно связанных с оптической плотностью. Устройство может быть использовано в частности при проведении измерений показателя ослабления направленного света морской водой в реальных морских условиях.

Известен базисный метод измерения ослабления направленного света в водной среде, когда излучатель и фотоприемник располагаются напротив друг друга на определенном расстоянии, называемом оптической базой. Здесь непосредственно используется закон Бугера:

Измеряют световые потоки Ф₀ и Ф до и после прохождения в воде расстояния l, проводят соответствующие вычисления и определяют показатель ослабления ε.

В большинстве измерителей прозрачности используются двухканальные оптические схемы, принцип действия которых состоит в сравнении двух световых потоков: измерительного Ф_и, прошедшего определенное расстояние в воде (обычно порядка метра), и опорного Ф_оп, который либо не выходит в исследуемую среду, либо проходит в ней небольшой путь. В дальнейшем измерительный и опорный световые потоки могут поступать либо на различные фотоприемники (двухканальная электрическая схема), либо на один и тот же приемник (одноканальная электрическая схема). Более предпочтительным является использование одноканальной электрической схемы, поскольку при этом сводятся к минимуму погрешности, связанные с нестабильностью фотоприемника и последующего электронного тракта. Для того чтобы отличить электрические сигналы от опорного и измерительного каналов, световые потоки Ф_и и Ф_оп модулируются таким образом, чтобы на фотоприемник они попадали поочередно. На выходе прибора формируется сигнал, пропорциональный либо показателю ослабления, либо некоторой его функции [1].

Известен прозрачномер "Опал", его оптическая схема приведена в [2], который позволяет проводить измерения в реальных морских условиях. Здесь использована двухканальная оптическая схема сравнения световых потоков, при этом опорный поток также проходит через исследуемую среду, но другое расстояние. Вращающийся механический модулятор модулирует опорный и измерительный световой потоки в противофазе.

Недостатком такого прозрачномера является использование вращающегося оптико-механического модулятора. Если модулятор выполняет не только переключение каналов, а и модуляцию светового потока, то он выполнен в виде вращающегося диска с большим количеством отверстий. Вращение диска осуществляется электродвигателем. Для обеспечения стабильности частоты модуляции требуется специальная система стабилизации скорости вращения электродвигателя, и предъявляются высокие требования к взаимному расположению модулирующих отверстий на диске. Кроме того, работающий электродвигатель создает электрические помехи для электронной схемы прозрачномера.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является фотоэлектрический анализатор [3], содержащий источник оптического излучения, подключенный к генератору переменного напряжения, оптическую систему формирования измерительного и компенсационного каналов, выполненную в виде световодов, прозрачную кювету с контролируемой средой, помещенную в измерительный канал, имитатор оптической плотности, помещенный в компенсационный канал, фотоэлектрический преобразователь, расположенный за объединенным торцом разветвленного световода и подключенный к входу усилителя, причем в качестве источника оптического излучения использован единичный светодиод, измерительный и компенсационный каналы формируются с помощью разветвленного световода, объединенным торцом связанного с источником оптического излучения, в каждом оптическом канале установлены электроуправляемые оптические затворы, фотоэлектрический преобразователь выполнен в виде фотодиода, включенного для работы в токовом режиме, фотоэлектрический преобразователь подключен к входу узкополосного усилителя, выходом подключенного к входу амплитудного детектора, выход которого через электронные ключи подключен к входам аналоговых запоминающих устройств, образующих фазочувствительный детектор, к входу которого подключен регистратор.

Световой поток светодиода модулирован с помощью генератора переменного напряжения. Это позволяет снизить влияние на результат внешних фоновых засветок т.к. узкополосный усилитель усиливает только сигнал на частоте модуляции. Сравнение световых потоков производится в данном анализаторе посредством поочередного открывания двух электроуправляемых оптических затворов, установленных в измерительном и компенсационном оптических каналах. Это позволяется отказаться от сложного оптико-механического модулятора.

Недостатком данного устройства является его неприспособленность к работе в реальных морских условиях, так как узлы измерительного канала не защищены от воды - исследуемая вода наливается в кювету, что выполнимо лишь в лабораторных условиях.

Кроме того, для формирования измерительном канала в данном устройстве применены световоды, которые не обеспечивают необходимой для корректных измерений параллельности светового пучка, проходящего через исследуемую среду.

Другим недостатком данного анализатора является использование двух электроуправляемых оптических затворов, что требует двух отдельных электрических линий управления ими.

Кроме того, в данном устройстве применена несовершенная схема питания светодиода. Известно, что питание светодиода должно осуществляться от генератора тока [4]. Поэтому в паспортных данных на светодиода приводятся зависимости интенсивности излучения светодиода от протекающего через него прямого тока I(I_пр), где I - интенсивность излучения, I_пр - прямой ток через светодиод. Таким образом, для получения на выходе светодиода требуемого закона модуляции потока излучения нужно модулировать соответствующим образом прямой ток через светодиод. В данном же устройстве модулируется подаваемое на светодиод напряжение, в результате чего ввиду нелинейности прямого участка вольт-амперной характеристики светодиода ток будет промодулирован с нелинейными искажениями, с которыми будет промодулирован соответственно и световой поток. Эти искажения осложняют обработку сигнала фотоэлектрического преобразователя.

Еще одним недостатком вышеописанного устройства является использование для сравнения электрических сигналов измерительного и компенсационного каналов двух отдельных аналоговых запоминающих устройств. Из-за разброса параметров радиоэлементов электрические характеристики запоминающих устройств не совпадают, что приводит к ошибке сравнения сигналов.

Целью изобретения является создание более точного, стабильного, надежного и недорогого устройства, пригодного для измерений в условиях водоема.

В предлагаемом устройстве, содержащем измерительный и компенсационный оптические каналы, источник модулированного оптического излучения в виде светодиода с электрическим модулятором и фотоэлектрический преобразователь, переключатель оптических каналов, блок выработки сигнала переключения оптических каналов, узкополосный усилитель, амплитудный детектор, систему обработки сигналов измерительного и компенсационного каналов, для достижения поставленной цели, измерительный канал состоит из герметичных передающего и приемного объективов с иллюминаторами, установленных соосно на расстоянии, равном измерительной базе. Компенсационный канал выполнен в виде световода, а электрический модулятор выполнен в виде функционального генератора тока. Переключатель оптических каналов выполнен в виде подпружиненной шторки с отверстием, соединенной с якорем электромагнита, подключенного к блоку выработки сигнала переключения оптических каналов. Система обработки сигналов измерительного комплекса включает аналого-цифровой преобразователь, индикатор, а также программируемый микропроцессорный блок, общий с блоком выработки сигнала переключения оптических каналов

Реализация предлагаемого устройства

Устройство представлено на чертеже - фиг.1

Устройство содержит функциональный генератор тока 1, светодиод 2, герметичный передающий объектив с иллюминатором 3, герметичный приемный объектив с иллюминатором 4, световод 5, шторку 6 с отверстием 7, пружину 8, якорь 9, электромагнит 10, фотоэлектрический преобразователь 11, узкополосный усилитель 12, амплитудный детектор 13, аналого-цифровой преобразователь 14, микропроцессорный блок 15, индикатор 16.

Устройство работает следующим образом:

Функциональный генератор тока 1 вырабатывает модулированный по специальному (например, синусоидальному) закону переменный ток, который подается на светодиод 2.

Светодиод 2 излучает модулированный по интенсивности световой поток.

Часть модулированного светового потока проходит через герметичный передающий объектив с иллюминатором 3, который формирует параллельный световой поток. Параллельный световой поток сквозь исследуемую среду попадает в герметичный приемный объектив с иллюминатором 4 и попадает на шторку 6.

Другая часть модулированного светового потока от светодиода 2 попадает на вход световода 5, по которому также поступает на шторку 6. Шторка 6 с отверстием 7 и пружиной 8, соединенная с якорем 9 электромагнита 10, может занимать два положения. При выключенном электромагните 10 под воздействием пружины 8 шторка 6 находится в положении, показанном на фиг.1. В этом положении отверстие 7 находится на оси светового потока измерительного оптического канала, свободно поступающего через объектив 4 на фотоэлектрический преобразователь 11. В этом положении шторки 6 световой поток, выходящий из световода 5, не может попасть на фотоэлектрический преобразователь 11.

При включенном электромагните 10 шторка 6 находится в положении, показанном на фиг.2. Отверстие 7 находится на оси выхода световода 5. При этом световой поток из световода 5 через отверстие 7 поступает на фотоэлектрический преобразователь 11, а поступление светового потока измерительного канала на вход фотоэлектрического преобразователя 11 невозможно.

Таким образом, на фотоэлектрический преобразователь 11 поочередно поступают то световой поток измерительного канала, то компенсационного канала.

Преобразователь 11 поочередно преобразует эти световые потоки в соответствующие аналоговые электрические сигналы. Эти сигналы подаются на вход узкополосного усилителя 12, настроенного на рабочую частоту функционального генератора тока 2. Усиленные узкополосным усилителем 12 сигналы поступают на вход амплитудного детектора 13, который преобразует их в сигналы постоянного тока, пропорциональные амплитудам сигналов, поступающих на его вход. Далее сигналы поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 14, где преобразуются в цифровые коды и подаются на вход микропроцессорного блока 15.

В блоке 15 кодированные сигналы измерительного и компенсационного каналов сравниваются и по результатам сравнения оцениваются оптические свойства исследуемой среды. Кроме того, микропроцессорный блок 15 вырабатывает сигнал, управляющий работой электромагнита 10, перемещающего шторку 6. Полученный результат передается на индикатор 16 для преобразования в форму, доступную для восприятия человеком.

Алгоритм работы микропроцессорного блока 15 показан на фиг.3. Технический результат заключается в повышении точности, стабильности измерений и надежности аппаратуры без увеличения стоимости устройства.

Источники информации

1. Оптика океана, 1983 в 2-х т. Т.1 Физическая оптика океана / под ред. Монина А.С. М.: Наука. 207 с., с. 115-118.

2. Зеленчук B.C. Погружаемые измерители первичных гидрооптических характеристик морской воды и метрологическое обеспечение измерений. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук, специальность 01.04.05 - оптика. М., 1992 г., с.13.

3. "Фотоэлектрический анализатор" Патент РФ RU 2134407, кл. G01J 1/44, 1999 г.

4. Берг А., Дин П.Светодиоды. М.: Мир, 1979, с.635.

Изобретение относится к области контроля оптической плотности сред и может быть использовано при проведении измерений показателя ослабления направленного света морской водой в реальных морских условиях. Устройство содержит оптические каналы - измерительный и компенсационный, выполненный в виде световода, , источник модулированного оптического излучения в виде светодиода с электрическим модулятором, фотоэлектрический преобразователь, переключатель каналов, блок выработки сигнала переключения каналов, узкополосный усилитель, амплитудный детектор и систему обработки сигналов измерительного и компенсационного каналов. Измерительный канал состоит из герметичных передающего и приемного объективов с иллюминаторами, установленных соосно на расстоянии, равном измерительной базе. Электрический модулятор выполнен в виде функционального генератора тока, а переключатель оптических каналов состоит из подпружиненной шторки с отверстием, соединенной с якорем электромагнита, подключенного к блоку выработки сигнала переключения каналов. Система обработки сигналов измерительного и компенсационного каналов включает аналого-цифровой преобразователь, индикатор, а также микропроцессорный блок, общий с блоком выработки сигнала переключения оптических каналов. Техническим результатом является повышение точности и стабильности измерений. 3 ил.

Фотоэлектрический анализатор, содержащий измерительный и компенсационный оптические каналы, источник модулированного оптического излучения в виде светодиода с электрическим модулятором и фотоэлектрический преобразователь, компенсационный канал в виде световода, переключатель оптических каналов, блок выработки сигнала переключения оптических каналов, узкополосный усилитель, амплитудный детектор, систему обработки сигналов измерительного и компенсационного каналов, отличающийся тем, что измерительный канал состоит из герметичных передающего и приемного объективов с иллюминаторами, установленных соосно на расстоянии, равном измерительной базе, электрический модулятор выполнен в виде функционального генератора тока, переключатель оптических каналов состоит из подпружиненной шторки с отверстием, соединенной с якорем электромагнита, подключенного к блоку выработки сигнала переключения оптических каналов, система обработки сигналов измерительного и компенсационного каналов включает аналого-цифровой преобразователь, индикатор, а также микропроцессорный блок, общий с блоком выработки сигнала переключения оптических каналов.