Фотоэлектрический анализатор спектра Советский патент 1985 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для одновременного определения полигармонических составляющих (коэффициентов ряда Фурье) исследуемых процессов.

Известен анализатор спектра, содержавший два квадратурных канала измерения, состоящее из множительных блоков по числу измеряемых гармоник, выполненных в виде мостовых схем с фоторезисторами в двух плечах, выхода которых через соответствукяцие интеграторы связаны с блоком регистрац1ш, причем фоторезисторы блока измерения первой гармоники оптически связаны с источником постоянного света, входы мостов этого блока подключены к источнику анализируемых сигналов, связанного с задатчиком вынужденных колебаний, а входы мостов остальных блоков подключены к источнику постоянного напряжения, вторые плечи всех мостов, за исключением последнего блока измерения, выполнены в виде источников переменого света, два других плеча мостов последнего блока выполнены на резисторах, а фоторезисторные плетет всех мостов. за исключением первого блока измерения, выполнены в виде последовательно соединенных двух фоторезисторов, при этом источники переменного света мостов блока оптически связаны последовательно .и перекрестно с фоторезисторами последующих блоков измерения 1 .

Однако для известного анализатора характерна недостаточная точность измерений за счет сравнительной сложности светового модулятора оптико-механического узла, выполненного в виде 2т (где m порядок высшей гармоники) цилиндрических эксцентриков с экстремумами, сдвинутыми попарно один относительно другой на угол 90, так как при большом числе анализируемых гармоник трудно (практически невозможно) строго вь1держать этот установочный угол между всеми эксцентриками, что влечет к фазовым рассогласованиям в отдельных каналах, особенно неприемлемых при гармоническом анализе, и возникновению биений в

выходных сигналах. Кроме того оптическая связь отдельных источников переменного одновременно последовательно и перекрестно с двумя фоторезисторами разных квадратурных каналов измерения усложняет в целом настройку анализатора и приводит к дополнительным погрешностям измерения.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в фотоэлектрическом анализаторе спектра, содержащем синфазлый и квадратурный каналы измерения, состоящие из множительных блоков по числу измеряемых гармоник, каждый из которых выполнен в виде мостов с фоторезисторами в двух плечах, выходы которых через соответствующие интеграторы соединены с блоком регистрации, а входы через источник анализируемых сигналов с задатчиком вынужденных колебаний,

фоторезисторы блока измерения первой гармоники связаны с источником постоянного света, входы мостов остальных блоков подключены к источнику постоянного напряжения, вторые

плечи всех мостов, за исключением последнего блока измерения, выполнены в виде источников переменного света, два других плеча мостов -пос-/ леднего блока выполнены на резистоpax, а фоторезисторные плечи всех мостов, за исключением первого блока измерения, вьшолнены в виде последовательно соединенных двух фоторезисторов , при этом источники

переменного света мостов блока оптически связаны последовательно и параллельно с фоторезисторами последующих блоков измерения, осветительные плечи мостов множительных

блоков, за исключением последнего блока, выполнены в виде последовательно соединенных двух источников переменного света, образующих в каждом мосту две дифференциальные пары,

каскадно оптически сопряжённые с фоторезисторами плеч мостов через световой модулятор в виде двух цилиндрических эксцентриков с экстремумами, сдвинутыми один относительно другого на угол 90, при этом одни пары источников переменного света мостов оптически сопряжены с соответствующими фоторезисторами

3

через первый эксцентрик светового модулятора, другие пары - через второй эксцентрик светового модулятора а источники переменного света с фо- торезисторамн выполнены в виде отдельных оптоэлекронных ячеек, фоторезисторы которых попарно последовательно соединены в плечах мостов синфазного и квадратурного каналов измерения.

На фиг. 1 представлена структурная схема фотоэлектрического анализатора спектра; на фиг. 2 - оптикомеханический узел.

Фотоэлектрический анализатор спектра содержит (фиг. 1) задатчик

1вынужденных колебаний, источник

2анализируемых сигналов, источник

3постоянного напряжения, источник

4постоянного света, множительные блоки в виде m пар (где т - число анализируемых гармоник) мостов

5и 6, интеграторы 7 и блок 8 регистрации .

Мосты 5 и 6 множительных блоков имеют фоторезисторные плечи, кото рые в канале первой гармоники (п 1) содержат по одному из фоторезисторов 9.1, 9.2, 9.3. 9.4, а в остальных каналах выполнены в виде последовательно соединенных двух фоторезисторов 9.1 - 9.6, 9.3 - 9.8, 9.2 - 9.7, 9,4 - 9.5, и осветительные плечи, выполненные в виде последовательно соединенных двух источников переменного света 10.1 - 10.2, 10.3 - 10,4, 10.5 10.6, 10.7 - 10.8, образующих в каждом мосте по две дифференциальные пары, за исключением мостов канала высшей гармоники, где подобные плечи состоят из резисторов 11.1, 1i.2, 11.3 и 11.4. Входы мостов 5 и 6 в канале первой гармоники подключены к источнику 2 анализируемых сигналов, а входы мостов 5 и 6 в каналах остальных гармоник подключены к .источнику 3 постоянного напряжения. Выходы всех мостов множительного блока через соответствующие интеграторы 7 соединены с блоком 8 регистрации. Источник 2 анализируемых сигналов синхронизирован с задатчиком 1 вынужненных колебаний.

Источники 4 и 10 постоянного и переменного света, а также все фоторезисторы 9 размещены в парал7.4

лельных плоскостях в оптико-механическом узле (фиг. 2) и оптически сопряжёны друг с другом через световой модулятор в виде двух цилиндрических эксцентриков 12 и 13, экстремумы которых взаимно сдвинуты на угол 90. Ось светового модулятора сочленена с задатчиком 1 вынужденных колебаний. Для формирования равномерных световых потоков источников 4 и 10 служит линейный конденсатор 14, Источник 4 постоянного света сопряжен оптически одновременно через эксцентрикй 12 и 13 с фоторезисторами 9 канала первой гармоники. Источники 10 переменного света каскадно оптически сопряжены в синфазном тракте через эксцентрик 12, а в квадратурном тракте через эксцентрик 13 с соответствующими фоторезисторами 9, образуя при этом отдельные оптоэлектронные ячейки, светоизолированные одна от другой. Фоторезисторы оптоэлектронных ячеек попарно последовательно соединены в фоторезистивных плечах мостов 5 синфазного тракта по однозначному (синфазному) по приращениям сопротивлений признаку, а мостов 6 квадратурного тракта по равнозначному (противофазному) по приращениям сопротивлений признаку. Подобные элементы анализатора имеют идентичные параметры.

Фотоэлектрический анализатор спектра работает следующим образом.

Сигнал на выходе источника 2 в виде напряжения U(t) можно представить разложением в ряд Фурье

АО +. (а +

U(t)

пгч + bf, cos nu) t,

(t)

де АС

-постоянная составляющая,

r Ь„

-синфазная и квадратурная составляющие,

П 10

-номер гармоники, круговая частота.

При вращении эксцентриков 12 и 13 светового модулятора с постоянной угловой скоростью гшощади фоторезисторов 9 перекрываются по гармоническим законам sin lu t и cos а t.

Известно, что световой поток Ф, падающий от.источника света на светочувствительньй слой фоторезистора и определякнций его сопротивление, характеризуется выражением Ф Е S(2) Е - значение освещенности источ ника света; S - засвечиваемая им площадь. Согласно этому, изменения световых потоков, падакодих от источника 4 постоянного света (Е const) на светочувствительные слои фоторезисторов 9.1 - 9.4 мостов 5 и 6 канала первой гармоники (п 1), пропорцио нальны законам sin ш t и cos u) t, что влечет к соответствующим измене ниям их сопротивлений. В связи с существующим положением, с выходных диагоналей данных мостов 5 и 6, входные диагонали кот рых подключены к источнз1ку 2 сигнал U{t), снимаются электрические сигна лы, пропорциональные uV(t) U(t) sin w t . (3) uy (t) U(t) cos (4) Кратно законам этих сигналов изменяются токораспределения в осветительных плечах мостов 5 и 6 канала первой гармоники, что приводит к соответствунлцим изменениям освещенностей источников 10.1-10.8 переменного света (t) EO ± (ъ)л -lO I-tOjI . IQj- 1J5 ,Sln u) t 3 E;O.;..O, t) EO ± iE(:u(t)x XCOS U) (6) где Ej, - среднее значение освещенности, (1) sin w t -, (t)4 cos wt - изменение ее приращения Источники 10.1 - 10.8 мостов 5 и 6 канала первой гармоники (п 1) оптически сопряжены с фото резисторами 9.1 - 9.8, специфичесКИМ образом попарно последовательно .сое дииеннькш в фоторезистивных плечах мостов 5 и 6 канала второй гармоники (п 2). За счет ранее отмеченной специфической последовательной коммутации фоторезисторов 9.1 - 9.8 суммарные значения сопротивления фото резистивных плеч этих мостов пропорциональны) (t) (t) RO + (t) sin 2 u) t (7) ) (t) Ч- Rt/ (t) 2 - 9.2 9- RJ, - (t)sin 2 to t (8) ) (t) + R (t) Rp - (t) ( - sin t) RO - ARtuCt) cos 2 Ш (9) ) Rg(t) , (t) RO + flRCu(t) (cos u) t - sin Ш t) (t) «cos 2 w t(10) где Rp - среднее значение сопротивления фоторезистора,ijR sin u) t и uR cos wt - изменения приращения этого сопротивления. Так как входные диагонали мостов 5 и 6 в каналах высших гармоник (п t) подключены к источнику 3 постоянного напряжения, с выходных диагоналей этих мостов снимаем электрические сигналы, кратные функциям изменения сопротивлений плеч с фоторезисторами Us (t) U(t) sin 2u)t (It) U (t) U(t) cos 2 u) t (12) согласно которым изменяется световой поток источников 10.1-10.8 переменного света осветительных п тшёч мостов 5 и 6 канала второй гармоники, который преобразуется в соответствующие изменения сопротивлений фоторезисторов 9.1-9.8 мостов 5 и 6 канала третьей гармоники (п 3). Аналогичным образом изменяются световые потоки источников 10.1 10.8 переменного света мостов 5 и 6 канала предпоследней гармоники (п - 1), которые, в свою очередь, преобразуются вместе с законами модуляции освещаемых площадей светочзвствительных слоев фоторезисторов мостов 5 и 6 канала высшей гармоники (п) в соответствующие изменения их сопротивлений, в результате с выходных диагоналей этих мостов снимаем электрические сигналы, пропорциональные U5(t) U(t) sin (n-1) u) t ncos uj t + COS (n-1) It) t sin to t U(t) sin n w t(13)

(t) U(t) cos (n-1) w t cos wt - sin (n-1) u; t sin w t - U(t)Cos n u) t(14)

После интегрирования электрических сигналов, соответствующих выражениям (3), (4), (11) - (14), на выходе интеграторов 7 каналов от, дельных гармоник анализатора получаем синфазные и квадратурные составляющие гармонического спектра исследуемого сигнала U(t) а,, Ь,,

аг , Ь , . . . , а., , Ы , фиксируемые блоком 8 регистрации.

Таким образом, при сообщении от задатчика вынужденных колебаний эксцентрикам вращения с угловой скоростью, синхронизированной с источником анализируемых сигналов, на выходе анализатора одновременно получаем с высокой степенью точности полигармонические составляющие исследуемого процесса.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА, содержащий синфазный и квадратурный каналы измерения, состоящие из множительных блоков по числу измеряемых гармоник, каждый КЗ которых выполнен в виде мостов с фоторезисторами в двух плечах, йыходы которых через соответствующие интеграторы соединены с блоком регистрации, а входы через источник анализируемых сигналов с задатчиком вынужденных колебаний, фоторезисторы блока измерения пер- вой гармоники связаны с источником постоянного света, входа мостов остальных блоков подключены к источнику постоянного напряжения, вторые плечи всех мостов, за исключением последнего блока измерения, выполнены в виде источников переменного света, два других плеча мостов последнего блока выполнены на резисторах, а фоторезисторные плечи всех мостов.. за исключением первого блока измерения, выполнены в виде последовательно соединенных двух фоторезисторов, при этом источники переменного света мостов бло-ка оптически связаны последовательно и параллельно с фоторезисторами последующих блоков измерения, о тличающийся тем, что, с целью повыщения точности измерений, осветительные плечи мостов множительных блоков, за исключением последнего блока, выполнены в виде последовательно соединенных двух источников переменного света, образующих в каждом мосту две дифференциальные пары, каскадно оптически сопряженные с фоторезисторасл ми плеч мостов через световой модулятор в виде двух цилиндрических эксцентриков с экстремумами, сдвинутыми один относительно другого на угол 90° . при этом одни пары источников переменного света мостов оптически сопр ужены с соответствуюOiib щими фоторезисторами через первый с эксцентрик светового модулятора, другие пары - через второй эксцент рик светового модулятора, а источники переменного света с фоторезисторами выполнены в виде отдельных оптоэлектронных ячеек, фоторезисторы в которых попарно последовательно соединены в плечах мостов синфазного и квадратурного каналов измерения.

Фиг. Е

72 9 9 г

ю iOf

Ю,Ц /J

я fPi/г.г