УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И КАЛИБРОВКИ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ УСТРОЙСТВ В ПЛОСКОСТИ Российский патент 2009 года по МПК G01J1/18 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения и калибровки диаграмм направленности светоизлучающих устройств, светодиодов, излучающих диодов инфракрасного диапазона волн и других светоизлучающих устройств оптического диапазона волн (фотоприемных устройств, фотодиодов), определения размеров и положения диаграмм направленности устройств.

Аналогом заявляемого устройства для измерения диаграммы направленности фотоприемных устройств является электронно-оптическое 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.

Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого устройства является 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 (Патент RU 2274837 С2, МПК G01J 1/18 от 26.04.2004). Прототип не позволяет производить прямые измерения и калибровку диаграмм направленности светоизлучающих(фотоприемных) устройств F(φ), где F - амплитуда сигнала; φ - пространственный угол (например, угол азимута). Прототип не решает поставленной задачи самостоятельно, т.е. он представляет незаконченное техническое решение (приставку для измерений).

По определению, диаграмма направленности передающих и приемных устройств - это зависимость амплитуды сигнала от пространственного углового направления.

Прототип регистрирует зависимость изменения амплитуды сигнала по прямой линии (оси). Эта зависимость не является диаграммой направленности светоизлучающих устройств, светодиодов (фотоприемных устройств, фотодиодов).

Таким образом, прототип не может самостоятельно измерять диаграммы направленности F(φ) устройств.

Целью изобретения является создание законченного более простого устройства, позволяющего самостоятельно производить прямые измерения и калибровку диаграмм направленности светоизлучающих устройств; автоматически регистрировать и записывать диаграммы направленности в базы данных на ЭВМ.

Заявляемое устройство для измерения и калибровки диаграмм направленности в плоскости позволяет решить следующие задачи:

- производить прямые измерения и калибровку диаграмм направленности F(φ) светоизлучающих устройств, т.е. измерять амплитуду сигнала в зависимости от угла поворота диска поворотного устройства с жестко закрепленным светоизлучающим устройством;

- повысить точность и надежность измерений;

- производить калибровку диаграммы направленности по угловому направлению в плоскости с точностью до 1/2 цены деления аттестованной координатно-модулирующей линейки;

- измерять диаграммы направленности как в горизонтальной, так и в вертикальной и других плоскостях путем поворота (вокруг оси на угол θ=90° или любое другое значение) и установки светоизлучающих устройств на треноге.

Решение поставленных задач достигается тем, что в устройстве двигатель своим приводом вращает диск поворотного устройства 8, движущийся вокруг вертикальной оси, на диске закреплено движущее электронное устройство 10, вращающаяся тренога с закрепленным излучателем 7 координатно-модулированных оптических сигналов, являющимся светоизлучающим измеряемым устройством, и полупроводниковый приемник излучения 5, жестко закреплены на диске поворотного устройства источник излучения 16 и фотодиод источника излучения 17, а аттестованная координатно-модулирующая измерительная линейка 1 является частью цилиндрической поверхности в виде изогнутой ленты, установленной неподвижно и концентрически с внешней цилиндрической поверхностью диска, на диске закреплены левая 6 и правая шторки 6, а фотоприемное устройство 35, являющееся зондом, установлено на неподвижной треноге 34 и последовательно соединено с преобразователем фототоков зонда 43, усилителем сигналов зонда 44, фильтром нижних частот зонда 45 и ЭВМ 39.

На фиг.1 показана конструкция устройства, где обозначено:

1 - калибровочная линейка по азимуту;

2 - электронное устройство формирования сигналов и управления двигателем;

3 - правый концевой выключатель;

4 - вращающаяся тренога светоизлучающего измеряемого устройства;

5 - полупроводниковый приемник излучения;

6 - шторки;

7 - излучатель координатно-модулированных оптических сигналов, являющий светоизлучающим измеряемым устройством (далее излучатель);

8 - диск поворотного устройства;

9 - гибкий соединитель;

10 - электронное устройство поворотного устройства;

11 - левый концевой выключатель;

12 - привод;

13 - основание;

14 - двигатель;

15 - разъем подключения устройства к ЭВМ;

16 - источник излучения (далее источник);

17 - фотодиод источника;

18 - щелевая диафрагма.

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

1 - линейка;

2 - электронное устройство формирования сигналов и управления двигателем;

3 - правый концевой выключатель;

5 - полупроводниковый приемник излучения;

7 - излучатель;

10 - электронное устройство поворотного устройства;

11 - левый концевой выключатель;

14 - двигатель;

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 двигателем.

33 - разъем треноги;

34 - тренога фотоприемного устройства зонда

35 - фотоприемное устройство - зонд;

36 - кабель соединителя;

37 - принятый сигнал;

38 - излученный координатно-модулированный сигнал;

39 - ЭВМ с монитором;

40 - блок поворотного устройства с излучателем координатно-модулированных оптических сигналов, являющийся светоизлучающим измеряемым устройством и полупроводниковым приемником излучения;

41 - сигнал «СТРОБ»;

42 - сигнал «МЕТКИ»;

43 - пребразователь фототоков зонда;

44 - усилитель сигналов зонда;

45 - фильтр нижних частот зонда.

Конструкция устройства представляет и содержит следующее.

Источник излучения 16, полупроводниковый приемник излучения 5, оптический канал с модулятором оптического сигнала, включающий фотодиод источника излучения 17 и последовательно подсоединенный к нему преобразователь фототоков источника 20, усилитель сигналов источника 22, фильтр нижних частот источника 24, компаратор уровня 26, усилитель мощности сигналов источника 29, соединенный с излучателем координатно-модулированных оптических сигналов являющимся светоизлучающим измеряемым устройством. Содержит фотоприемное устройство 35, являющееся зондом, на которое поступает часть координатно-модулированных оптических сигналов, установленное на неподвижной треноге 34 и последовательно соединенное с преобразователем фототоков зонда 43, усилителем сигналов зонда 44, фильтром нижних частот зонда 45 и ЭВМ 39. Содержит измерительный канал, включающий полупроводниковый приемник излучения 5, на который поступает другая часть координатно-модулированных оптических сигналов и к которому последовательно подключены преобразователь фототоков излучателя 21, усилитель сигналов излучателя 23, фильтр нижних частот излучателя 25, предварительный усилитель сигналов излучателя 27, оконечный усилитель 30, с которого импульсные эталонные сигналы «МЕТКИ» поступают на ЭВМ 39. На основании устройства 13 расположены двигатель 14 с приводом 12, электронное устройство формирования сигналов и управления двигателем 2, модулятор в оптическом канале с аттестованной координатно-модулирующей измерительной линейкой 1 со щелевой диафрагмой, являющейся частью цилиндрической поверхности в виде изогнутой ленты, установленной неподвижно и концентрически с внешней цилиндрической поверхностью диска, на концах линейки расположены два концевых выключателя 3, 11, связанные с формирователем синхронизирующих сигналов «СТРОБ» 28 и преобразователем уровней 31, с которого сигналы подаются на ЭВМ 39. Содержит движущееся электронное устройство поворотного устройства 10, связанное с электронным устройством формирования сигналов и управления двигателем 10 гибким соединителем 9, и содержит источник тока 19, преобразователь фототоков источника 20, усилитель сигналов источника 22, преобразователь фототоков излучателя 21 и усилитель сигналов излучателя 23. Двигатель 14 своим приводом 12 вращает диск поворотного устройства 8, движущийся вокруг вертикальной оси, на диске закреплено движущее электронное устройство 10, вращающаяся тренога 4 с закрепленными излучателем координатно-модулированных оптических сигналов 7, являющимся светоизлучающим измеряемым устройством, и полупроводниковый приемник излучения 5. Содержит жестко закрепленные на диске поворотного устройства источник излучения 16 и фотодиод источника излучения 17. На диске закреплены левая и правая шторки 6, а фотоприемное устройство 35, являющееся зондом, установлено на неподвижной треноге 34, а аттестованная координатно-модулирующая измерительная линейка 1 является частью цилиндрической поверхности в виде изогнутой ленты, установленной неподвижно и концентрически с внешней цилиндрической поверхностью диска 10, и последовательно соединено с преобразователем фототоков зонда 43, усилителем сигналов зонда 44, фильтром нижних частот зонда 45 и ЭВМ 39.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Оператор запускает программу калибровки светоизлучающего измеряемого устройства 7 с помощью ЭВМ 39. При выполнении программы калибровки с ЭВМ 39 приходит команда «ПУСК», по которой с помощью электронного устройства управления двигателем 2 включается двигатель 14. Световой поток, создаваемый источником 16, при протекании через него постоянного тока I₀ 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 2 кГц. На фотодиод источника 17 поступают модулированные по амплитуде световые потоки. 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 поворотного устройства 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 двигателем 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 U₀. С выхода компаратора уровня 26 импульсы напряжения прямоугольной формы поступают на усилитель мощности сигналов источника 29, а затем на излучатель 7. Излучатель 7 размещен на вращающейся треноге 4, излучает оптический координатно-модулированный сигнал 38.

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 полупроводникового приемника излучения 5 сначала поступают в электронное устройство поворотного устройства 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». При достижении диском поворотного устройства 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 диска поворотного устройства 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 41, передним фронтом они запускают, а задним фронтом останавливают процедуру измерений, производимую под управлением ЭВМ 39. Оптические координатно-модулированные сигналы с выхода излучателя 7 поступают на вход фотоприемного устройства зонда 35 для измерения диаграммы направленности излучателя 7. При этом фотоприемное устройство - зонд 35 формирует на выходе измеряемые сигналы в строгом соответствии с диаграммой направленности светоизлучающего измеряемого устройства 7. Эти измеряемые сигналы фотоприемного устройства поступают через последовательно соединенные пребразователь фототоков зонда 43, усилитель сигналов зонда 44, фильтр нижних частот зонда 45 на ЭВМ 39.

Измерение диаграммы направленности светоизлучающего устройства в горизонтальной плоскости осуществляют следующим образом. Светоизлучающее устройство 7, диаграмму направленности которого необходимо измерить, устанавливают на вращающейся треноге 4. После включения питания устройства и запуска программы калибровки эталонные сигналы «МЕТКИ» 42 и принятые фотоприемным устройством зондом 35 измеряемые сигналы 37 одновременно поступают на входы ЭВМ 39. Эти сигналы в течение действия сигнала «СТРОБ» преобразуются в цифровую форму с помощью программы ЭВМ 39. Затем сигналы сохраняют для дальнейшей обработки в памяти ЭВМ 39. С помощью программы происходит отображение временных характеристик этих сигналов на мониторе ЭВМ 39.

Эталонные сигналы «МЕТКИ» 42 используют для калибровки в качестве эталона при сравнении с ними амплитуд и координат сигналов, полученных с выхода фотоприемного устройства зонда 35. Измеряют диаграмму и ширину диаграммы направленности в горизонтальной плоскости методом сравнения эталонного сигнала «МЕТКИ» 42 и измеряемого координатно-модулированного сигнала, полученного с выхода фотоприемного устройства зонда 35.

Заявляемое устройство позволяет измерять диаграмму направленности светоизлучающего устройства 7 в вертикальной плоскости при повороте светоизлучающего устройства 7 вокруг горизонтальной оси на 90° (или любое другое значение) и последующей установке устройства 7 на вращающейся треноге 4. Все вычисления производятся с помощью программы на 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 качестве стенда для измерения и калибровки диаграмм направленности светоизлучающих устройств в лаборатории кафедры «Измерительной техники и информационных технологий»; при выполнении НИОКР и лабораторных работ по планам учебного процесса филиала Московского Государственного Открытого Университета в г.Кропоткине.

Источники информации

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

Устройство содержит источник излучения, от которого световой поток через аттестованную координатно-модулирующую измерительную линейку и щелевую диафрагму поступает на фотодиод источника излучения, соединенный через преобразователь, усилитель, фильтр нижних частот, компаратор уровня с излучателем оптических сигналов, часть которых поступает на фотоприемное устройство, а другая часть - на полупроводниковый приемник излучения, соединенный через преобразователь, усилитель, фильтр низких частот, предварительный усилитель с оконечным усилителем, с которого импульсные эталонные сигналы «МЕТКИ» поступают на ЭВМ. На основании устройства расположены двигатель с приводом, измерительная линейка с концевыми выключателями, связанными с формирователем сигналов «СТРОБ», поступающих на ЭВМ. Введен диск поворотного устройства, вращаемый двигателем вокруг вертикальной оси. На диске закреплены источник излучения, фотодиод источника излучения, движущееся электронное устройство, вращающаяся тренога с излучателем оптических сигналов и полупроводниковым приемником излучения, левая и правая шторки для срабатывания концевых выключателей. Измерительная линейка является частью цилиндрической поверхности, установленной неподвижно и концентрически с внешней поверхностью диска. Фотоприемное устройство установлено на неподвижной треноге и соединено с ЭВМ. Технический результат - повышение точности и надежности измерений и калибровки диаграмм направленности. 2 ил.

Устройство для измерения и калибровки диаграмм направленности светоизлучающих устройств в плоскости, содержащее источник излучения, от которого световой поток, создаваемый при протекании через него постоянного тока от источника тока, через аттестованную координатно-модулирующую измерительную линейку и щелевую диафрагму поступает на фотодиод источника излучения, последовательно подсоединенный с преобразователем фототоков источника, усилителем сигналов источника, фильтром нижних частот источника, компаратором уровня, усилителем мощности сигналов источника, соединенным с излучателем координатно-модулированных оптических сигналов, часть которых поступает на фотоприемное устройство, измерительный канал, включающий полупроводниковый приемник излучения, на который поступает другая часть координатно-модулированных оптических сигналов, 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, на основании устройства расположены двигатель с приводом, аттестованная координатно-модулирующая измерительная линейка с щелевой диафрагмой, на концах которой расположены два концевых выключателя, связанные с формирователем синхронизирующих сигналов «СТРОБ», которые подаются на ЭВМ, при этом указанные источник тока, преобразователь фототоков источника, усилитель сигналов источника, преобразователь фототоков излучателя и усилитель сигналов излучателя содержатся в движущемся электронном устройстве, отличающееся тем, что введен диск поворотного устройства, который двигатель своим приводом вращает вокруг вертикальной оси, на диске закреплено движущееся электронное устройство, вращающаяся тренога с закрепленными излучателем координатно-модулированных оптических сигналов, являющимся светоизлучающим измеряемым устройством, и полупроводниковым приемником излучения, жестко закрепленные на диске поворотного устройства источник излучения и фотодиод источника излучения, а аттестованная координатно-модулирующая измерительная линейка является частью цилиндрической поверхности в виде изогнутой ленты, установленной неподвижно и концентрически с внешней цилиндрической поверхностью диска, на диске закреплены левая и правая шторки, таким образом, чтобы при закрывании шторками промежутка между оптопарами концевых выключателей происходило их срабатывание, а фотоприемное устройство, являющееся зондом, установлено на неподвижной треноге и последовательно соединено с преобразователем фототоков зонда, усилителем сигналов зонда, фильтром нижних частот зонда и ЭВМ.