Способ измерения отношения двух световых потоков Советский патент 1984 года по МПК G01J1/44 

САЭ О 4

:о

Изобретение относится к оптическим измерениям (фотометрии) и может быть использовано при создании фотометров и спектрофотометров, предназначенных для измерения световых величин, например яркости, силы свет отношения освещенностей и других, и производных световых величин, например прозрачности атмосферы, дальности видимости и др.

Известен нулевой способ измерения отношения двух световых потоков заключающийся в формировании с помощью оптической системы двух световых пучков, преобразовании непрерывного потока пучков в прерывистый с помощью одного фотоприемника, усилении разностного сигнала, т.е. сигнала, пропорционального разности потоков, например, с помощью измерительной диафрагмы, до момента исчезновения разностного сигнала.

Величина изменения потока пучка, определяемая изменением положения диафрагмы, является мерой измеряемого отношения. Этот способ измерения отношения потоков является компенсационным, нулевым, т.е. наиболее точным Щ .

Однако данный способ не позволяет реализовать в чистом виде светокомпенсационный способ измерения отношения и не обеспечивает высокую устойчивость и точность измерений.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения отношения двух световых потоков путем преобразования непрерывных световых потоков в прерывистые и световых сигналов в электрические , .

Однако известный способ обладает рядом недостатков, снижающих чувствительность и точность способа.

Если модулируются два равных све товых пучка, то в момент открывания одного светового пучка и закрывания другого возникают дополнительные световые импульсы помехи, амплитуда которых пропорциональна интенсивное ти модулируемых потоков, а частота равна частоте модуляции.

Однако согласно способу никаких сигналов помехи в этом случае не должно быть. Возникают световые импульсы помехи потому, что невозможно выполнить условие, чтобы в любой момент открывания одного светового пучка и закрывания другого суммарный световой поток, попадающий на фотоприемник, бьщ точно равен световому потоку одного из пучков.

При модуляции двух различных по интенсивности световых потоков, кроме разностного сигнала, возникает и сигнал помехи, по тем же причинам. Электрический сигнал помехи суммируется с электрическим пульсационным сигналом, возникает искажение фазы сигнала на входе устройства автрматического регулирования, приводящее к появлению погрещностей и искажению градуировки из-за того, что равновесие в системе автоматического .регулирования начинает наступать не ;При равенстве световых потоков, а при некотором равновесии электричес.ких сигналов. Градуировка начинает зависить от параметров усилителя, уровня .световых потоков, точности изготовления модулятора и других причин .

; При наличии на входе усилителя Напряжения модуляционной помехи, частота которой точно равна частоте пульсационного сигнала, требуется, чтобы коэффициент усиления усилителя бьш не более того, при котором напряжение помехи на выходе не превышает .напряжениятрогания исполнительного устройства,а так как напряжение модуляционной помехи в 300-500 раз больше напряжения собственных шумов усилителя, то сильно снижается чувствительность способа и точность, особенно при измерении отношения двух слабых световых потоков.

При измерении отношения двух малых световых потоков требуется большое усиление (порядка 10 и более , в этом случае возникают Jзначительные затруднения с обеспече нием малого уровня помех.и стабильности работы усилителя на частоте ,модуляции. При больших коэффициентах усиления и избирательном усилении фазовая характеристика усилителя оказывается недостаточно стабильной.

Цель изобретения - повьш ение чувствительности, точности и стабильности измерений

Указанная цель достигается тем, что согласно способу измерения отношения двух световых, потоков путем преобразования непрерывных световых потоков в прерывистые и световых

3и

сигналов в электрические прерывают п раз каждый световой поток поочередно, усиливают электрический сигнал на частоте следования световых импульсов, выделяют сигнал с частотой в 2п раз меньшей частоты следования световых импульсов, усиливают его, воздействуют им на один из световых потоков до исчезновения этого сигнала и по величине изменения светового потока от начального уровня судят об измеряемом параметре .

Последовательность операций состоит в том, что с помощью моду- , лятора п раз прерывают путь первого светового потока так, что время (tij) полного закрытия и полного открытия светового потока и период следования световых импульсов остаются одинаковыми. По окончании времени (ti) п-закрытия первого потока открывают путь второго потока, который также п раз прерывают, причем время полного открытия и полного закрытия второго светового потока в период следования импульсов равны параметрам -для первого потока. .На этом отрезке времени, когда осуществляют п прерываний второго потока, путь первого потока перекрыт. По окончании времени (t,,) п-го закрытия второго потока открывают путь первого светового потока и далее процесс повторяется.

В результате прерьшания двух световых потоков возникают следующие друг за другом серии из п световых импульсов для каждого потока, которые воспринимаются фотоприемником и преобразуются в электрические сигналы. При равенстве световь ; потоков все ш шульсы имеют одинаковук. амплиг туду, и в составе сигнала есть только одна частота f (Т) где Т период следования импульсов, при неравенстве потоков амплитуды импульсов серий различны и в составе сигнала возникает вторая частота f f l/2n, сигнал которой исчезает в момент равенства световых потоков. При таком процессе прерывания потоков отсутствует какие-либо световые импульсы помехи в момент перехода от прерывания первого потока к прерыванию второго.

Электрические сигналы фотоприемника избирательно усиливают на час07434

тоте следования импульсов f и подают на селективный фильтр, вьщеляющий разностный сигнал частоты fл, который усиливают избирательным уси5 лителем. Этот сигнал воздействует на устройство, восстанавливающее световое равновесие. По величине изменения светового потока до исчезновения разностного сигнала судят об

0 измеряемом отношении.

Так как избирательное усиление осуществляют двумя ступенями на двух частотах различающихся в 2 п раз, то сквозная характеристика уси5 лителя становится непрозрачной для электрических шумов усилительного устройства, вследствие чего резко снижается напряжение шума на выходе. Коэффициент усиления каждой ступени

0 выбирают во много раз меньшим, чем при известном способе измерения отношения. Это обеспечивает стабильность работы усилителей. Общий коэффициент усиления двух усилителей, раз5 деленных избирательным фильтром, равный произведению коэффициентов усиления каждого из них, может быть очень большим без потери стабильности их работы.

Q Ввиду того, что нестабильность фазовой характеристики усилителя на частоте f приводит к появлению фазовых сдвигов разностного сигнала в 2 п раз меньших, чем на частоте f, а на исполнительное устройство воздействует сигнал с частотой f, для стабилизации фазовой характеристики усиление на частоте fi делают в несколько раз большим, чем на час0 тоте f,,. Все это обеспечивает высокую стабильность фазовой характеристики усилителя в целом.

На фиг. 1 представлен вид световых сигналов при неравенстве свето5 вых потоков; на фиг. 2 - то же, при равенстве световых потоков; на фиг. 3 - схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения отношения двух световых потоков; на

0 фиг. 4 - профиль модулятора, обеспечивающего прерывание световых потоков с описанной последовательностью.

На фиг. 1 и 2 обозначены Т(( период следования импульсов; t 5 время полного закрытия и время полного открытия световых потоковJ Т л - период следования серий импульсов; f - частота следования им5

пульсов, f - частота следования серий импульсов.

Устройство, реализующее предлага мый способ, содержит оптические элементы 1-6 и 7-11, формирующие два световых потока, опорный - от лампы 12, другой - от поверхности, яркость которой измеряют, измерительную диафрагму 13, мотор 14 с модулятором 15, фотоумножитель 16 h светофильтрами 6, избирательный усилитель 17 сигналов с частотой f/ селективный фильтр 18 частоты А,, избирательный усилитель 19 сигналов с частотой f.,исполнительный, двигатель 20, механически связанный через редуктор с измерительной диафрагмой 13.

Устройство работает следующим образом.

307436

При вращении модулятора 15 световые потоки прерывают (фиг.1 и 2), Световые импульсы попадают на фотоумножитель 16, сигналы с фотоумно5 жителя поступают на избирательный усилитель 17, настроенный на полосу частот f ± f . Далее усиленные сигналы поступают на селективный фильтр 18, выделяющий сигнал с часto тотой f, Эти сигналы усиливают

избирательным усилителем 19 и подают на исполнительный двигатель 20, перемещающий измерительную диафрагму 13, до момента восстановления свето5 врго равновесия. Положение диафрагмы определяет измеряемое отнощение потоков.

Изобретение позволяет повысить точность, чувствительность и стабиль0 ность измерений.

СПОСОБИЗМЕРЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ ДВУХ СВЕТОВЫХ ПОТОКОВ путем преобразования непрерывных световых потоков в прерывистые и световых сигналов в электрические, отличающийс я тем, что, с целью повьшения точности, чувствительности и стабильности измерений, прерьшают И раз каждый световой поток поочередно, усиливают электрический сигнал на частоте следования световых импульсов, выделяют сигнал с частотой в 2 п раз меньшей частоты следования световых импульсов, усиливают его, воздействуют им на один из световых потоков до исчезновения этого сигнала и по величине изменения светового потока от начального уровня судят об измеряемом параметре.

,«

«