Измеритель и способ измерения приведенной яркости люминесценции бумаги Российский патент 2025 года по МПК G01N21/63 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, а именно к устройствам и способам для анализа оптических характеристик люминесценции материалов, возникающей под воздействием возбуждающего УФ-излучения с двумя центральными длинами волн - 265 и 370 нм.

В дальнейшем при характеристике разработанного технического решения будет использован термин «приведенная яркость люминесценции» указанный термин означает, что измеряется не абсолютная яркость люминесценции, а сила света люминесценции приведенная к мощности возбуждающего люминесценцию излучения, то есть сила света люминесценции в кд отнесена к мощности в Вт возбуждающего излучения светодиодов и введена единица измерения кд/Вт.

Известен (RU, патент 27901, опубл. 27.02.2003) анализатор характеристик люминесценции, содержащий источник возбуждающего излучения с высокочастотным генератором импульсов, держатель, систему регистрации люминесценции, включающую фотоприемное устройство на базе фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), выход которого соединен с усилителем сигнала люминесценции, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микропроцессор (МП), снабженный возможностью осуществления функций обработки цифровых значений сигнала люминесценции, фильтр нижних частот (ФНЧ), пиковый детектор и устройство индикации выходных данных, причем выход усилителя сигнала люминесценции подключен к первому сигнальному входу АЦП через ФНЧ, цифровые выходы АЦП соединены шиной данных с одноименными входами МП, первый выход которого соединен с входом устройства индикации. Устройство также содержит синхронизатор, выходы которого соединены, соответственно, с входами запуска генератора импульсов и АЦП, и фильтр верхних частот, вход которого подключен к выходу усилителя сигнала люминесценции, а выход - ко второму сигнальному входу АЦП. Держатель снабжен возможностью смены исследуемого объекта.

Существенными недостатками такого устройства являются искажение получаемого значения БК сигнала люминесценции, а также зависимость получаемых значений БК и МК сигнала люминесценции от режима облучения (напряжение и Ток рентгеновской трубки, длительность импульса) и регистрации (напряжение на ФЭУ).

Известен (RU, патент 54535, опубл. 10.07.2006) анализатор характеристик люминесценции, содержащий источник возбуждающего излучения с высокочастотным генератором импульсов, держатель, систему регистрации люминесценции, включающую фотоприемное устройство на базе фотоэлектронного умножителя, выход которого соединен с усилителем сигнала люминесценции, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микропроцессор (МП), фильтр низких частот (ФНЧ), пиковый детектор и устройство индикации выходных данных, причем выход усилителя сигнала люминесценции подключен к первому сигнальному входу АЦП через ФНЧ, цифровые выходы АЦП соединены шиной данных с одноименными входами МП, первый выход которого соединен с входом устройства индикации. Кроме того, в него дополнительно введен блок ввода эталонного образца, управляющий вход которого соединен со вторым выходом МП, третий и четвертый выходы которого соединены, соответственно, с входами запуска генератора импульсов и АЦП, второй сигнальный вход которого подключен к выходу усилителя сигнала люминесценции через пиковый детектор, МП дополнительно снабжен возможностью определения значения быстрой компоненты сигнала люминесценции в виде разности между максимальным значением сигнала люминесценции и его значением в заданный момент времени после запуска источника возбуждающего излучения, а также возможностью нормирования характеристик исследуемого объекта на одноименные характеристики эталонного образца.

Недостатком известного устройства следует признать его сложность.

Известно (RU, патент 139047, опубл. 10.04.2014) устройство, предназначенное для светооптической проверки документов, выполненное в едином пластиковом корпусе, состоящее из рабочего стола со встроенной донной подсветкой видимого света, инфракрасных и ультрафиолетового осветителей, управление которыми осуществляется с помощью клавиатуры, монитором, на который поступает видеосигнал с видеокамеры, встроенной в верхнюю крышку корпуса, причем все осветители представляют собой полупроводниковые излучатели.

Недостатком известного устройства следует признать невозможность регистрации люминесценции.

Известно (RU, патент 27901, опубл. 27.02.2003) устройство для анализа характеристик люминесценции, содержащее источник возбуждающего излучения с высокочастотным генератором, держатель исследуемого объекта, систему регистрации люминесценции, включающую фотоприемное устройство на базе фотоэлектронного умножителя, выход которого соединен с усилителем сигнала люминесценции, аналого-цифровой преобразователь и устройство обработки, синхронизатор, первый выход которого соединен с управляющим входом источника возбуждающего излучения, а второй - с управляющим входом устройства обработки и устройство индикации выходных данных. В устройство дополнительно введены фильтры низкой и высокой частоты, входы которых соединены с выходом усилителя, выход фильтра низкой частоты подключен непосредственно к первому сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя, выполненного в виде многоканального устройства, а выход фильтра высокой частоты подключен ко второму сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя через пиковый детектор, цифровые выходы аналого-цифрового преобразователя соединены шиной данных с одноименными входами устройства обработки, выполненного в виде арифметико-логического устройства или микропроцессора, выход которого соединен с входом управления усилением усилителя сигналов люминесценции, при этом третий выход синхронизатора соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя.

Недостатком известного устройства следует признать сложность конструкции и значительные размеры.

Техническая проблема, решаемая с использованием заявленного устройства, состоит в обеспечении возможности регистрации приведенной яркости люминесценции бумаги.

Технический результат, достигаемый при реализации разработанного устройства, состоит в обеспечении возможности измерения приведенной яркости люминесценции различных видов бумаги (писчей, для полиграфии и т.п.), изображений, нанесенных на бумагу, и других носителей изображения с плоской поверхностью, а также иных материалов.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать измеритель приведенной яркости люминесценции бумаги разработанной конструкции. Он содержит, по меньшей мере, зонд измерительный, соединенный кабелем с блоком анализа и контрольную меру приведенной яркости люминесценции, причем зонд измерительный содержит первый корпус, на одной из его поверхностей выполнен оптически прозрачный участок, внутри корпуса расположены обращенные в сторону оптически прозрачного участка первого корпуса модуль светодиодов, содержащий, по меньшей мере, светодиоды с длинами волн 265 и 370 нм с коническим зеркалом широким основанием обращенным к светодиодам, а узким - к оптически прозрачному участку и расположенный напротив оптически прозрачного участка приемный оптический узел, в состав которого входят последовательно установленные конденсор, корригирующий светофильтр, коллектив и модуль фотоприемника, содержащий АЦП и микроконтроллер и выполненный с возможностью передачи зарегистрированного модулем фотоприемника сигнала в блок анализа, содержащий установленные во втором корпусе модуль управления и модуль обработки, причем модуль обработки содержит микроконтроллер, выполненный с возможностью приема и обработки цифрового сигнала, поступающего с зонда измерительного, и передачи значения обработанного сигнала на модуль управления, включающий в себя дисплей для отображения данных, а также колесо-манипулятор и пленочную клавиатуру для управления измерителем, а контрольная мера приведенной яркости люминесценции представляет собой корпус с конусообразным углубление в торцевой части для установки зонда измерительного, причем на дне углубления расположен образец люминофора с известными характеристиками приведенной яркости люминесценции, при этом зонд измерительный выполнен с возможностью получения электропитания от модуля обработки через кабель, а модуль обработки выполнен с возможностью использования электрического питания от встроенного аккумулятора или от персонального компьютера через порт USB или от сети переменного тока через сетевой блок питания.

В некоторых вариантах реализации разработанной конструкции модуль светодиодов может быть выполнен в виде кольцевой платы, на которой установлены 3 светодиода с максимумом излучения на длине волны 370 нм и 3 светодиода - 265 нм, при этом на плате располагаются подстроечные резисторы, обеспечивающие возможность регулирования параметров электрической схемы, для стабилизации оптических параметров и характеристик светодиодов в рабочем диапазоне температур.

В предпочтительном варианте реализации модули светодиодов и фотоприемника могут быть выполнены с возможностью управления от модуля обработки.

Предпочтительно модуль управления представляет собой плату, на которой установлены, по меньшей мере, дисплей, колесо-манипулятор для перемещения по пунктам меню измерителя, пленочная клавиатура для управления измерителем, микроконтроллер, розетки для подключения к сети, к персональному компьютеру и подключения зонда измерительного к блоку анализа.

Также для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ измерения приведенной яркости люминесценции бумаги с использованием ранее охарактеризованного измерителя. Согласно разработанному способу устанавливают зонд измерительный на контрольную меру приведенной яркости люминесценции калибруют измеритель, затем устанавливают зонд измерительный на объект исследования, приведенная яркость люминесценции которого подлежит измерению, включают режим работы «Измерение», микроконтроллер модуля обработки подает по кабелю, соединяющему зонд измерительный и блок анализа, управляющий сигнал модулю светодиодов, который включает светодиоды 370 нм, излучение которых отражается от конического зеркала и формирует в области оптически прозрачного участка корпуса зонда измерительного световое пятно, что возбуждает в объекте исследования люминесценцию, попадающую на конденсор и далее следуя по приемному оптическому узлу, на фотодиод модуля фотоприемника, после чего преобразуется в цифровой сигнал с помощью АЦП, который запоминается по встроенной памяти микроконтроллера модуля фотоприемника, затем микроконтроллер включает светодиоды 265 нм с аналогичной регистрацией люминесценции фотодиодом, циклограмма со временем работы светодиодов и регистрации люминесцентного излучения фотодиодом поступает на модули светодиодов и фотоприемника соответственно в управляющем сигнале от микроконтроллера модуля обработки, после регистрации излучения люминесценции с модуля фотоприемника приходит сигнал с зарегистрированными значениями яркости люминесценции для светодиодов 265 и 370 нм соответственно в отсчетах АЦП, микроконтроллер модуля обработки обрабатывает эти данные и выводит на дисплее измерителя результаты измерения приведенной яркости люминесценции с учетом калибровки в единицах кд/Вт.

Измеритель яркости люминесценции бумаги предназначен для измерения яркости люминесценции различных видов бумаги, (писчей, для полиграфии и т.п.), изображений, нанесенных на бумагу, и других носителей изображения с плоской поверхностью, а также иных материалов.

Принцип действия измерителя состоит в возбуждении излучения люминесценции встроенным источником УФ-излучения и преобразовании падающего на приемник излучения люминесценции в электрический сигнал, поступающий на блок анализа с отображением результатов анализа на дисплее.

В предпочтительном варианте реализации измеритель состоит из зонда измерительного, блока анализа, устройства позиционирования (не всегда используемого при измерении) и контрольной меры приведенной яркости люминесценции. Для передачи электрического сигнала от зонда измерительного к блоку анализа используют кабель телекоммуникационный.

Зонд измерительный предназначен для возбуждения излучения люминесценции встроенными источниками УФ-излучения и преобразования падающего на приемник излучения люминесценции в электрический сигнал. Зонд выполнен в виде тубуса с конусом снизу. На корпусе зонда измерительного установлена розетка для подключения к блоку анализа и кнопка запуска измерения.

Поскольку модуль фотоприемников содержит свои микроконтроллер и АЦП, подключенные таким образом, что сигнал с фотоприемника поступает на АЦП, а с выхода АЦП - на микроконтроллер. После этого микроконтроллер отправляет полученные отсчеты в основной микроконтроллер.

Это позволяет сделать зонд выносным, т.е. по длинному кабелю передается не аналоговый сигнал (в этом случае из-за длинного кабеля он бы был подвержен наводкам и помехам), а цифровой (он более помехоустойчив).

Блок анализа предназначен для отображения на ЖК-дисплее цифровых значений сигнала, полученного с зонда измерительного, калибровки измерителя, выбора режима измерений и запуска измерений. На корпусе блока анализа расположены: розетка для подключения зонда измерительного, розетка подключения сетевого блока питания и розетка подключения к персональному компьютеру.

Устройство позиционирования предназначено для исключения влияния внешнего света и перемещения зонда на результаты измерений. При проведении измерений зонд измерительный может быть помещен в устройство позиционирования и при необходимости соединен с ним стойками.

Управлять работой измерителя можно как с блока анализа, так и с внешнего компьютера, на котором установлено соответствующее программное обеспечение.

Измеритель функционирует под управлением программного обеспечения (ПО), установленного на встроенный микропроцессор, и специального программного обеспечения (СПО), установленного на внешний компьютер (ПК). Измеритель и ПК соединены между собой посредством USB-кабеля. ПО и СПО осуществляют контроль и управление всеми этапами измерений: выбор параметра измерений, проведение измерений и отображение их на дисплее измерителя или экране ПК, сохранение результатов измерений.

ПО записано в энергонезависимой памяти микропроцессора, СПО устанавливают на ПК с использованием USB-флеш накопителя и находится в энергонезависимой памяти ПК.

Оптически прозрачный участок в первом корпусе может быть выполнен из кварцевого стекла, способного без потерь пропускать излучение люминесценции к фоточувствительному элементу.

Первый корпус должен быть выполнен светонепроницаемым, за исключением указанного оптически прозрачного участка.

Разработанное устройство работает следующим образом.

Сначала пользователю необходимо откалибровать измеритель по контрольной мере приведенной яркости люминесценции. Для этого необходимо установить зонд измерительный на контрольную меру приведенной яркости люминесценции, выбрать в меню измерителя необходимые параметры калибровки и нажать кнопку «Калибровка». После проведения калибровки измеритель готов к работе, пользователь устанавливает зонд измерительный на объект, приведенную яркость люминесценции которого он хочет измерить, выбирает в меню измерителя режим «Измерение» и нажимает кнопку «Измерить», после чего на экране измерителя отображается надпись «Идет измерение» и затем появляются два значения приведенной яркости люминесценции объекта для светодиодов с длиной волны 370 нм и 265 нм. Изнутри процесс выглядит следующим образом: после нажатия кнопки «Измерить» микроконтроллер модуля обработки подает по кабелю, соединяющему зонд измерительный и блок анализа, управляющий сигнал модулю светодиодов. Сигнал включает вначале светодиоды 370 нм, их излучение отражается от конического зеркала и формирует в области оптически прозрачного участка корпуса зонда измерительного пятно диаметром (3±0,4) мм. Излучение светодиодов возбуждает в объекте люминесценцию - это люминесцентное излучение попадает на конденсор и далее, следуя по приемному оптическому узлу, регистрируется на фотодиоде модуля фотоприемника. Аналогично происходит со светодиодами 265 нм. Стоит отметить, что циклограмма со временем работы светодиодов и регистрации люминесцентного излучения фотодиодом передается в управляющем сигнале от микроконтроллера модуля обработки. После регистрации излучения люминесценции с модуля фотоприемника приходит сигнал с зарегистрированными значениями приведенной яркости люминесценции в отсчетах АЦП, микроконтроллер модуля обработки обрабатывает эти данные и выводит на дисплее измерителя результаты измерения приведенной яркости люминесценции с учетом калибровки в единицах кд/Вт.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, а именно к устройствам для анализа оптических характеристик люминесценции материалов, возникающей под воздействием возбуждающего УФ-излучения с двумя длинами волн максимума излучения - 265 и 370 нм. Измеритель приведенной яркости люминесценции бумаги содержит зонд измерительный, соединенный кабелем с блоком анализа, и контрольную меру приведенной яркости люминесценции. Зонд измерительный содержит первый корпус, на одной из его поверхностей выполнен оптически прозрачный участок, внутри корпуса расположены обращенные в сторону оптически прозрачного участка первого корпуса модуль светодиодов, содержащий, по меньшей мере, светодиоды с длинами волн 265 и 370 нм с коническим зеркалом, широким основанием обращенным к светодиодам, а узким - к оптически прозрачному участку, и расположенный напротив оптически прозрачного участка приемный оптический узел, в состав которого входят последовательно установленные конденсор, корригирующий светофильтр, коллектив и модуль фотоприемника, содержащий свои микроконтроллер и АЦП, подключенные таким образом, что сигнал с фотоприемника поступает на АЦП, а с выхода АЦП - на микроконтроллер. Блок анализа содержит установленные во втором корпусе модуль управления и модуль обработки, причем модуль обработки содержит микроконтроллер, выполненный с возможностью приема и обработки сигнала, поступающего с зонда измерительного, и передачи значения обработанного сигнала на модуль управления, включающий в себя дисплей для отображения данных и пленочную клавиатуру для управления измерителем, а контрольная мера приведенной яркости люминесценции представляет собой корпус с конусообразным углублением в торцевой части для установки зонда измерительного, причем на дне углубления расположен образец люминофора с известными характеристиками приведенной яркости люминесценции. Технический результат - обеспечение возможности измерения приведенной яркости люминесценции различных видов бумаги (писчей, для полиграфии и т.п.), изображений, нанесенных на бумагу, и других носителей изображения с плоской поверхностью. 3 з.п. ф-лы.

1. Измеритель приведенной яркости люминесценции бумаги, отличающийся тем, что он содержит зонд измерительный, соединенный кабелем с блоком анализа, и контрольную меру приведенной яркости люминесценции, причем зонд измерительный содержит первый корпус, на одной из его поверхностей выполнен оптически прозрачный участок, внутри корпуса расположены обращенные в сторону оптически прозрачного участка первого корпуса модуль светодиодов, содержащий, по меньшей мере, светодиоды с длинами волн 265 и 370 нм с коническим зеркалом, широким основаним обращенным к светодиодам, а узким - к оптически прозрачному участку, и расположенный напротив оптически прозрачного участка приемный оптический узел, в состав которого входят последовательно установленные конденсор, корригирующий светофильтр, коллектив и модуль фотоприемника, содержащий свои микроконтроллер и АЦП, подключенные таким образом, что сигнал с фотоприемника поступает на АЦП, а с выхода АЦП - на микроконтроллер, при этом фотоприемник выполнен с возможностью передачи зарегистрированного модулем фотоприемника сигнала в блок анализа, содержащий установленные во втором корпусе модуль управления и модуль обработки, причем модуль обработки содержит микроконтроллер, выполненный с возможностью приема и обработки сигнала, поступающего с зонда измерительного, и передачи значения обработанного сигнала на модуль управления, включающий в себя дисплей для отображения данных и пленочную клавиатуру для управления измерителем, а контрольная мера приведенной яркости люминесценции представляет собой корпус с конусообразным углублением в торцевой части для установки зонда измерительного, причем на дне углубления расположен образец люминофора с известными характеристиками приведенной яркости люминесценции, при этом зонд измерительный выполнен с возможностью получения электропитания от модуля обработки через кабель, а модуль обработки выполнен с возможностью использования электрического питания от встроенного аккумулятора, или от персонального компьютера через порт USB, или от сети переменного тока через сетевой блок питания.

2. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что модуль светодиодов выполнен в виде кольцевой платы, на которой установлены 3 светодиода с максимумом излучения на длине волны 370 нм и 3 светодиода - 265 нм, при этом на плате располагаются подстроечные резисторы, установленные с возможностью регулирования параметров электрической схемы, для стабилизации оптических параметров и характеристик светодиодов в диапазоне температур окружающей среды.

3. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что модули светодиодов и фотоприемника выполнены с возможностью управления от модуля обработки.

4. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что модуль управления представляет собой плату, на которой установлены, по меньшей мере, дисплей, колесо-манипулятор для перемещения по пунктам меню измерителя, пленочная клавиатура для управления измерителем, микроконтроллер, розетки для подключения к сети к персональному компьютеру и подключения зонда измерительного к блоку анализа.