Дифференцирующий счетчик фотонов Советский патент 1988 года по МПК G01J1/44 

со

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при регистрации слабых и сверхслабых световых потоков в физике, химии, биологии, медицине, геологии и др.

Цель изобретения - повышение точности измерения малых изменений светового потока на большом фоне.

На чертеже представлена блок-схема дифференцирующего счетчика фотонов.

Дифференцирующий счетчик фотонов содержит источник 1 света, модулятор 2, которые вместе образуют источник модулированного света, фотоэлектронный умножитель 3, дискриминатор 4, включенные последовательно, формирователь 5 тактовых импульсов, блок 6 установки кода, устройство 7 сравне- НИН кодов, первый делитель 8 частоты, второй делитель 9 частоты, блок 10 управления, первый вентиль 11, второй вентиль 12, реверсивный счетчик 13, основной счетчик 14, блок 15 памяти, элемент ИЛИ 16, генератор 17 импульсов, третий вентиль 18, дешифратор 19 триггер 20 знака, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21, инвертор 22. Формирователь 5 тактовых импульсов соединен через делитель 9 частоты с блоком 10 управления и с входом элемента ИСКШО- ЧАМДЕЕ ИЛИ 21, второй вход которого подключен к выходу триггера 20 знака, а выход подключен к входу вентиля 11 и через инвертор 22 к входу вентиля 12. Выход дискриминатора через вентили 11 и 12 и элемент ИЛИ 16 подключен к входам реверсивного счетчика 13, выход которого подключен к блоку 15 памяти, а выход заема - к входу триггера 20 знака. Выход блока 15 памяти и выход блока 6 установки кодов подключены к входам блока 7 сравнения кодов, выходы которого подключены к блоку 10 управления и к входу дешифратора 19, выходы которо- го подключены к делителям 8 и 9 частоты. Генератор 17 импульсов через вентиль 18 и делитель 8 частоты подключен к входу основного счетчика 14 Устройство работает следующим образом.

При подаче на управляющий вход блока 10 управления сигнала Пуск блок подготавливается к приему синхросигнала, устанавливают на Ноль ре- версивньш счетчик 13, основной счетчик 14, коэффициенты деления первого

5 0 5 0 j

0

8 и второго 9 делителей частоты равными единице, сбрасывают триггер 20 знака и в зависимости от синхросигнала, поступающего от модулированного источника 1 и 2 света через элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21, инвертор 22, первьй 11 и второй 12 вентили, устанавливает направление счета реверсивного счетчику 13. Измерение начинается с началом первого полупериода синхросигнала. На катод фотоэлектронного умножителя 3 фотоны поступают от модулированного источника света. Эти фотоны выбивают из фотокатода фотоэлектронного умножителя 3 отдельные электроны, которые умножаются его диодной системой и поступают на дискриминатор 4 в виде электрических импульсов. Нормированные по амплитуде и длительности импульсы через вентиль 11 или 12 в зависимости от синхросигнала, поступающего через формирователь 5 от модулятора 2, попадают на суммирующий или вычитающий вход реверсивного счетчика 13. Если начальное положение модулятора 2 таково, что с первым полупериодом синхросигнала устанавливается прямое направление счета реверсивного счетчика 13, то импульсы, поступающие от дискриминатора 4, проходят через вентиль 11 на суммирующий вход реверсивного счетчика 13, в счетчике накапливается колих ество импульсов N,, которое является суммой световых и шумовых импульсов N +Nm. Во втором полупериоде модуляции поступающий от модулятора 2 синхросигнал изменяет направление счета реверсивного счетчика на противоположное, закрывает вентиль 11 и открывает вентиль 12. Импульсы от дискриминатора 4 поступают на вычитающий вход реверсивного счетчика 13, и из количества импульсов N, вычитается количество импульсов N, которое является суммой

световых и шумовых импульсов N. Так как количество импульсов N, иNj содержит одно и тоже слагаемое N,, то после вычитания N, из N, содержимое счетчика 13 соответствует .количество N;,,-N фотонов, поступивших на фотоэлектронньй умножитель в течение периода синхросигнала. Если N,, окажется больше N., , то при переходе счетчика 13 через ноль на его выходе заема появляется импульс, который переключает триггер 20 знака.

При этом сигнал от триггера 20 знак через элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21 и инвертор 22 изменяет направление счта счетчика 13 и он снова заполни- ётся.

Если начальное положение модулятора 2 такое, что устанавливается обратное направление счета счетчика 13, то с первым же поступающим на вход счетчика 13 импульсом на выход заема его появляется импульс, который переключает триггер знака и, соответственно, направление счета, и измерение проходит, как описано вьпие.

По истечении периода модуляции в счетчике 13 накопилось bN импульсов. При достаточно малой величине AZ, вызывающей изменение светового потока (модуляции)

, . AN dN lira -г dZ

Это первая производная количества импульсов N по модулирующему параметру Z. При Д получаем величину ., , которую можно считать дифференциалом dN. По окончании первого цикла измерения число Y, накоп- ленное в счетчике 13, записывается в блоке 15 памяти и в блоке 7 сравнения кодов сравнивается с числом X выбранным в блоке 6 установки кодов из совокупности чисел X, jX, ... ,Х :Х., Х. По установочным входам делителей 8 и 9 частоты через дешифратор 19 из блока 7 сравнения кодов поступает сигнал, устанавливающий соответствующий коэффициент деления. Чем больше отношение , тем больше коэффициент деления К. После установления соответствующего коэффициента деления сигналом от блока 10 управления открывается третий вентиль 18, и импульсы от генератора импульсов 1 через вентиль 18 и делитель 8 частоты поступают на вход основного суммирующего счетчика 14. Одновременно импульсы от генератора 17 импульсов через вентиль 18 и элемент ИЛИ 16 поступают на вычитающий вход реверсивного счетчика 13. Когда реверсивный счетчик 13 устанавливается на

ноль, на его выходе заема появляется

сигнал, закрывающий вентиль 18. Это означает, что в счетчике 14 накопилось такое количество импульсов, какое было в реверсивном счетчике 13,

-

to 5

0

5 о ,Q

0

5

деленное на К,, так как коэффициент деления установлен равным К.

Команда Конец измерения на блок 10 управления поступает от делителя 9 частоты в момент появления на его выходе импульса. Таким образом, количество циклов определяется коэффициентом деления и равно коэффициенту деления делителя 8 частоты. Следовательно, результат измерения, полученный на основном счетчике 14, всегда нормируется к одному циклу (периоду модуляции).

Количество циклов К определяется установкой коэффициентов деления, что, в свою очередь, зависит от отношения Х„/У. Следовательно, при выбранном Х чем меньше Y, тем больше количество циклов. Тем самым независимо от светового потока, а также от дифференциала AN результат измерения имеет одинаковую заранее выбранную относительную ошибку.

Данное изобретение позволяет получить более высокую точность измерений малых изменений светового потока, обусловленную выбором времени накопления исходя не из абсолютной величины светового потока, а по величине изменения этого потока, вызванного изменением модулируемого параметра. Например, при регистрации светового потока 1000 имп/с изменение его на 100 имп/с в прототипе определяют с с точностью до 20%, а в предложенном устройстве -с относительной погрешностью до 2%.

Формула изобретения

Дифференцирующий счетчик фотонов,. содержащий модулированный источник света, по ходу лучей которого установлен фотоэлектронный умножитель с дискриминатором на выходе, а также формирователь тактовых импульсов, вход которого соединен с модулированным источником света, а выход через один из двух делителей частоты импульсов подключен к одному из входов блока управления, другой вход которого подключен к выходу блока сравнения кодов, к одному из входов которого подключен блок установки кодов, выход блока управления соединен с входами сброса основного и реверсивного счетчиков, выход блока сравнения подключен к входу дешифратора, а

вход соединен с выходом блока памяти, один вход которого подключен к выходу реверсивного счетчика, а другой - к блоку управления, который подсоединен к одному управляющему входу третьего вентиля, другой управляющий вход которого соединен с реверсивным счетчиком, вычитающий Ёход которого через элемент ИЛИ соединен с сигнальным входом первого делителя частоты, вход котор ого через третий вентиль соединен с генератором импульсов, а выход - с входом основного счетчика, установочный вход подключен к выходу дешифратора, второй выход которого соединен с установочным входом второго делителя частоты, выход дискриминатора соединен с перлей, выходы которых соответственно соединены с входами реверсивного счетчика и элемейта ИЛИ, отличающийся- тем, что, с целью повышения точности измерения малых изменений интенсивности светового йотока на большом фоне, в него дополнительно введены триггер знака,

элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и инвертор, через который второй вход второго вентиля соединен с вторым входом первого вентиля и с выходом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, один вход которого

соединен с выходом формирователя тактовых импульсов, а другой вход - с вькодом триггера знака, счетный вход которого соединен с выхо - дом заема реверсивного счетчи

Изобретение относится к области технической физики и может быть ис1 пользовано при регистрахщи слабых световых потоков в физике, химии, биологии и т.д. Устройство предназначено для регистрации слабых и сверхслабых световых потоков в физике, химии, биологии, медицине и др., а также для использования в системах автоматического регулирования. Изобретение позволяет повышать точность регистрации малых изменений светового потока при воздействии некоторого параметра. Устройство дает возможность регистрировать первую производную интенсивности светового потока. Для достижения цели в изобретение вводится триггер знака, злемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ШШ и инвертор.

выми входами первого и второго венти- ка.

j « cmovHux нодуяираU.1- данного света