Устройство для измерения индикатрис рассеяния света Советский патент 1988 года по МПК G01N21/47 

(Л

ISD

00 Од ts5

IfVI-i

ти ЭВМ. Для этого устройство содержит оптронные пары, замыкающиеся через дополнительные отверстия в диске модуляторе, которые связаны с оптическими щелями, через которые рассеянный свет поступает на фотопреобразователь. Блок 15 формирования команд опроса обеспечивает выработку импульсов, передние фронты которых соответствуют времени достижения максимума и минимума сигнала фотопреобразователя , соответствующего функции углового распределения рассеянного света. Значения света, соответствующие шумам фотопреобразователя , поочередно записывается в запоминающие устройства 46 и 47, при этом предыдущее значение минимума сохраняется и участвует в следующем такте работы блока 16. Полусумма напряжения минимумов через сумматор 53, делитель 54, запоминающее устройство 52 поступает на инвертирующий вход сумматора 55, на неинвертирующий вход которого с запоминающего устройства 45 поступают импульсы максимумов, записанные по командам с третьего выхода блока 15. Выходной электрический сигнал поступает на информационный вход регистратора 17. 6 ил.

Изобретение относится к оптическим устройствам для изучения свойств частиц. Цель - повьппение скорости сканирования. Изобретение позволяет осуществлять опрос регистратором модулированного аналогового сигнала функции углового распределения рассеянного света только строго в максимумах несущей частоты с одновременным учетом собственных шумов фотопреобразователя, что исключает избыточность информации в оперативной памя

1

Изобретение относится к оптическим устройствам для изучения размеров, формы и электромагнитных свойств частиц по угловому распределению рассеянного ими света.

Цель изобретения - повышение скорости сканирования с одновременным снижением верхней частоты дискретизации аналогового сигнала функции угло

1ВОГО распределения рассеянного света

|при сохранении быстродействия и точ- |ности измерений.

.| На фиг.1 изображена оптико-механи- |ческая часть предлагаемого устройст- |ва; на фиг.2 - электронная часть предлагаемого устройства; на фиг.З - конструкция диска-модулятора; на фиг.4 - 6 - диаграммы работы устрой- ства.

Оптико-механическая часть устрой- ства содержит последовательно соосно расположенные источник 1 коллимиро- ванного излучения (лазер), исследуемый объект 2, сканирующее устройство 3, состоящее из входной щелевой диафрагмы 4, коллиматора (объектива) 5, поляризатора 6, вращающегося диска- модулятора 7 с отверстиями, расположенными вдоль линии развертки в виде спирали Архимеда, и дополнительными отверстиями для формирования команд служебной информации, жестко закрепленного на валу механизма 8 его вращения, выходной щелевой диафрагмы 9, собирающей линзы 10 и двух оптрон-

0

5

5

0

ных пар 11 и 12 для формирования электрических сигналов начала цикла сканирования и реперов угла поворота соответственно, закрепленных неподвижно и оптически замыкающихся через дополнительные отверстия в диске-модуляторе, интерференционный фильтр 13 и фотопреобразователь 14.

Электронная часть устройства содержит блок 15 формирования команд опроса, первый и второй входы которого соединены с электрическими выходами оптронных пар 11 и 12 соответственно, блок 16 предварительной обработки, первый, второй и третий управляющие входы которого соединены с соответствующими выходами блока 15 формирования команд опроса, информационный вход соединен с электрическим выходом фотопреобразователя 14, а выход - с третьим входом регистратора 17, первый и второй входы которого через линии 18 и 19 задержки соединены с первым и третьим выходами формирователя команд опроса.

Блок 15 формирования команд опроса содержит усилитель 20, вход которого является первым входом блока, дифференциатор 21, вход которого подключен к выходу усилителя 20, уров- невый компаратор 22 с делителем (потенциометром) 23 опорного напряжения на инвертирующем входе, неинвертирующий вход которого соединен с выходом дифференциатора 21, уровневый компаратор 24 с делителем (гютёнциомет- ,ром) 25 опорного напряжения на неинвертирующем входе, инвертирующий вход которого соединен с выходом дифференциатора 21, уровневый компаратор 26 с делителем (потенциометром) 27 опорного напряжения на неинвертирующем входе, инвертирующий вход которого подключен ко входу дифференциатора 21, логический элемент ЗИЛИ- НЕ 28, входы которого подключены к соответствующим выходам компараторов 22, 24 и 26, а выход является первым выходом блока 15, усилитель 29, вход которого является вторым входом блока 15, дифференциатор 30, вход которого подключен к выходу усилителя 29, уровневый компаратор 31 с делителем

(потенциометром) 32 опорного напряже-20 2ИЛИ 41, логический элемент НЕ (инния на инвертирующем входе, неинвертирующий вход которого соединен с выходом дифференциатора 30, уровне- вьш компаратор 33 с делителем (потенциометром) 34 опорного напряжения на неинвертирующем входе, инвертирующий вход которого соединен с выходом дифг- ференциатора 30, уровневый компаратор 35 с делителем (потенциометром) 36 опорного напряжения на неинвертда- рующем входе, инвертирующий вход которого соединен со входом дифференциатора 30, уровневый компаратор 37 с делителем (потенциометром) 38 опорного напряжения на инвертирующем вхо- gg ключены к соответствующим информаци- де, неинвертирующий вход которого онньтм выходам запоминающих устройств

46 и

соединен с входом дифференциатора 30, логический элемент ЗИЛИ-НЕ 39, входы которого соединены с выходами компараторов 31, 33 и 35, а выход является третьим выходом блока 15, логический элемент ЗИЛИ-НЕ 40, входы которого соединены с выходами компаратора 31, 33 и 37, а выход является вторым выходом блока 15.

Блок 16 предварительной обработки содержит логический элемент 2ИЛИ 41, первый вход которого соединен с вторым входом блока 16, второй вход - с первым входом блока 16, ТТ-триггер 42, счетный вход которого подключен к выходу логического элемента 2ИЛИ

41,одновибраторы 43 и 44, соответствующие входы которых соединены с прямым и инверсньпч выходами ТТ-триггера

42,запоминающие устройства 45-47, информационные входы которых подключены к информационному входу блока

45

47, а выход через делитель 54 - к информационному входу запоминающего устройства 52, разностный сумматор 55, неинвертирующий вход которого соединен с информационным выходом запоминающего устройства 45, инвертирующий вход - с информационным выходом запоминающего устройства 52, а выход является информационным выходом блока 16.

Устройство работает следующим образом.

Поток излучения источника 1 излучения направляется на исследуемый объект 2. Часть излучения, рассеянная объектом 2 и прошедшая ерез входную щелевую диафрагму 4, коллиматор (объектив) 5 и поляризатор 6 попадает на gg диск-модулятор 7, при этом исследуемый объект 2 расположен в фокусе коллиматора (объектива) 5 и все лучи, выходящие из исследуемого объекта 2, после прохождения коллиматора (объек50

ноющего устрО1 ства 45 соединен с третьим yпpaвляющIiм входом блока 16, Первьй управляющий вход запоминающего устройства 46 подключен к выходу одновибратора 43. Первый управляющий вход запоминающего устройства 47 подключен к выходу одновибратора 4. Блок 16 предварительной обработки

также содержит логический элемент 2И- 2И-ИЛИ 48, первый вход которого соединен с первым управляющим входом запоминающего устройства 46, третий вход - с первым управляющим входом

запоминающего устройства 47, а выход- с вторыми управляющи ш входами запо- iинaющиx устройств 46 и 47, линию 49 задержки, вход которой соединен с вторым входом логического элемента

вертор) 50, вход которого соединен с выходом линии 49 задержки, а выход - со вторыми и четвертым входами логического элемента 2И-2И-ИЛИ 48, одновибратор 51,, вход которого соединен с выходом логического элемента 2И-2И- ИЛИ 48, а выход подключен к второму управляющему входу запоминающего устройства 45, запоминающее устройство.

52, первый управляющий вход которого соединен с выходом логического элемента 2И-2И-ИЛИ 48, второй управляющий вход - с выходом одновибратора 51, сумматор 53, входы которого под46 и

0

5

47, а выход через делитель 54 - к информационному входу запоминающего устройства 52, разностный сумматор 55, неинвертирующий вход которого соединен с информационным выходом запоминающего устройства 45, инвертирующий вход - с информационным выходом запоминающего устройства 52, а выход является информационным выходом блока 16.

Устройство работает следующим образом.

Поток излучения источника 1 излучения направляется на исследуемый объект 2. Часть излучения, рассеянная объектом 2 и прошедшая ерез входную щелевую диафрагму 4, коллиматор (объектив) 5 и поляризатор 6 попадает на g диск-модулятор 7, при этом исследуемый объект 2 расположен в фокусе коллиматора (объектива) 5 и все лучи, выходящие из исследуемого объекта 2, после прохождения коллиматора (объек0

тива) 5 будут параллельны, в результате чего распределение освещенности по длине щелевой диафрагмы-9 соответствует угловому распределению рассеянного излучения. При вращении диска-модулятора 7 отверстия, вьтолнен- ные вдоль линии развертки, поочередно пропускают излучение, рассеянное под различными углами. Далее через вторую щелевую диафрагму 9, собирающую линзу 10 и интерференционный фильтр 13 излучение попадает на чувствительный элемент фотопреобразователя 14. Оптронные пары 11 и 12 вы- рабатывают импульсы служебной информации - начала цикла сканирования и. реперов угла сканирования, необходимые для обработки сигнала фотопре- образователя 14, а так как каждое из отверстий, через которые связана опт ронная пара 11 реперов угла сканирования, вьшолнено на радиусе, соединяющем центр вращения диска-модулятора 7 с центром соответствующего от- верстия на линии развертки, то связь между временем прохождения импульса реперов угла сканирования и временем прохождения соответствующего отверстия, расположенного на линии разверт ки, однозначна.

Блок 15 формирования команд опроса обеспечивает выработку нормированных по амплитуде и длительности фронтов импульсов, передние фронты кото- 35 модулированного сигнала функции угло- рых точно соответствуют времени дос-- вого распределения рассеянного света, тижения максимума и минимума модули- поступающего с выхода фотопреобразо- рованното электрического сигнала фо- вателя 14 на информационный вход блока 16 предварительной обработки. Вы- 40 ходные сигналы компараторов 31, 33 и 37 поступают на соответствующие входы логического элемента ЗИЛИ-НЕ 40, на выходе которого возникают импульсы, строго соответствующие времени дости- трический сигнал положительной поляр- 45 жения минимумов этого же модулирован- ности с оптронной пары 11 поступает ного сигнала.

через усилитель 20 на инвертирующий Блок 16 предварительной обработки вход компаратора 26, на неинвертирузд- обеспечивает учет фоновых засветок

топреобразователя 14, соответствующего функции углового распределения рассеянного света, а также импульса начала развертки, передний фронт которого соответствует переднему фронту импульса первого максимума. Элекрий вход которого подается напряжение порога срабатьшания с потенциометра 27. Этот же входной сигнал подается через дифференциатор 21 на неинвертирующий вход компаратора 22, на инвертирующий вход которого поступает напряжение порога срабатывания с потенциометра 23, который подается также на инвертирующий вход компаратора 24,на неинвертирующий вход которого поступает напряжение порога срабатывания с потенциометра 25. Выходные сигналы компараторов 22, 24 и 26 поступают на соответствующие входы логического злемента ЗИЛИ-НЕ 28, в результате чего на его выходе возникает импульс начала развертки, нормированный по длительности и амплитуде. Электрический модулированный сигнал с оптронной пары 12 поступает через усилитель 29 на инвертирующий вход компаратора 35, на неинвертирующий вход которого подается напряжение порога срабатывания с потенциометра 36, а также поступает на неинвертирующий вход компаратора 37, на инвертирующий вход которого подается напряжение порога срабатывания с потенциометра 38. Этот сигнал с выхода усилителя 29 подается через дифференциатор 30 на неинвертирующий вход компаратора 31, на инвертирующий вход которого поступает напряжение порога срабатывания с потенциометра 32, которое подается также на инвертирующий вход компаратора 33, на неинвертирующий вход которого поступает напряжение порога срабатьшания с потенциометра 34. Выходные сигналы компараторов 31, 33 и 35 поступают на соответствующие входы логического элемента ЗИЛИ-НЕ 39, на выходе которого возникают импульсы, строго соответствующие времени достижения максимумов

оптического тракта и собственных шу- мов фотопреобразователя 14 (фотоприемника с предварительным усилителем) на этапе поступления аналогового информационного электрического сигнала с выхода фотопреобразователя 14 на регистратор 17 через блок 16. Начало цикла осуществляется одновременным ,- поступлением импульса начала развертки и первого репера максимума соответственно с первого и второго

выходов блока 15 формирования ко- опроса, ТТ-триггер 42 в совокупности с. одновибраторами 43 и 44 составляет двоичный счетчик, замыкающий поочередно входные ключи информационных входов запоминающих устройств 46 и 47, предназначенных для хранения сигналов, соответствующих шумам с выхода фотопреобразователя 14, т.е. минимумам модулированного сигнала функции углового распределения рассеянного света. Запоминающие устройства 46 и 47 эквивалентны, т.е. работа блока 16 организована так, что начальное значение минимума может быть записайо в запоминающее устройство 46 или 47 в зависимости от состояния ТТ-триггера 42, который в начальный момент может находиться в лю бом состоянии, т.е. на прямом выходе (Q) - логический нуль, а на инверсном выходе (Q) - логическая единица либс наоборот. Предположим, что прямой выход (Q) ТТ-триггера 42 находит ся в состоянии логического нуля и в момент поступления импульса с первого выхода блока 15 через второй вход логического элемента 2ИЛИ 41 на вход ТТ-триггера 42 он переходит в состоя. ние логической единицы на прямом выходе (Q). Одновибратор 43 формирует по переднему фронту электрического сигнала с вьпгода (Q) ТТ-триггера 42 импульс, который, поступив на первый управляющий вход запоминающего устройства 46, открывает его информационный вход и в него записывается нулевой уровень, соответствующий нап ряжению шума с выхода, фотопреобразо- вателя 14. Импульс с одновибратора 43 поступает также и на первый вход логического элемента 2И-2И-ИЛИ 48, но не проходит его, так как высокий уровень импульса с первого входа бло ка 16, проходя линию 49 задержки с инвертором НЕ 50, блокирует его уровнем логического нуля. Таким образом, запомненный в запоминающем устройстве 46 нулевой уровень, соответст- вующий напряжению шума на выходе фо- топреобразоватепя 14, сохраняется. Одновременно с импульсом начала развертки через третий управляющий вход блока 16 на первый управляющий вход запоминающего устройства 45 поступает импульс первого максимума ц в него записывается нулевой уровень, соответствующий напряжению шума на выходе фотопреобразователя 14, так как первому отверстию оптронной пары 12 на диске-модуляторе 7 соответствует закрытая оптическая щель информационного канала (фиг.З). При поступлении первого импульса минимума со второго входа блока 16 на первый вход логического элемента 2ИЛИ 41, который следует непосредственно за импульсом с третьего управляющего входа блока 16, ТТ-триггер 42 переключается в нулевое состояние, при котором инверс- ньй выход (Q) переходит на уровень логической единицы и одновибратор 44 формирует короткий импульс по переднему фронту сигнала с выхода (Q) ТТ- триггера 42. Таким образом, на первый управляющий вход запоминающего устройства 47 поступает импульс, от- крьшающий входной ключ этого запоминающего устройства, и сигнал нулевого уровня, соответствующий напряжени шума на выходе фотопреобразователя,

записывается в запоминающее устройство 47. Одновременно этот сигнал поступает на третий вход логического элемента 2И-2И-ИЛИ 48, на четвертом

входе которого в течение всего цикла сканирования (при отсутствии импульса начала цикла) находится высокий уровень напряжения с выхода линии 49 задержки через инвертор 50. Таким образом, выходной уровень напряжения логической единицы логического элемента 2И-2И-ИЛИ 48 поступает на вторые управляющие входы запоминающих устройств 46 и 47, открывая тем самым их информационные выходы. Выходные сигналы нулевого уровня (соответствующие напряжению шума с выхода фотопреобразователя 14) с запоминающих устройств 46 и 47 суммируются в сумматоре 53. Половина напряжения с выхода сумматора 53 через делитель 54 поступает на информационный вход запоминающего устройства 52, который открывается по переднему фронту им- пульса с логического элемента 2И-2И- ИЛИ 48. Поступление в разностный сумматор 55 сигналов первого максимума модулированного сигнала функции углового распределения рассеяния света, при отсутствии оптической щели информационного канала и полусуммы нулевых уровней, соответствующих напряжению шума на выходе фотопреобразователя, записанных по командам нача: ло цикла и первого минимума, происходит по переднему фронту импульса На вторые управляющие входы запоминающих устройств 45 и 52 с выхода од новибратора 51, на вход которого поступает импульс с выхода логического элемента 2И-2И-ИЛИ 48, по заднему фронту которого на выходе одновибра- тора 51 формируется импульс. Выходной электрический сигнал, соответствующий уровню нулевого напряжения, с выхода разностного сумматора 55 поступает на информационньш вход ре- |гистратора (АЦП с ЭВМ) 17. Для син- |кронизации момента запуска регистра- fTOpa 17 с поступающим на третий (ин- |)Ормационньш) вход сигналами с выхо- р,а блока 16, импульсы с третьего Ьыхода блока 15 поступают на второй

15 ного сумматора 55 поступает на информационный вход регистратора (АЦП с ЭВМ) 17. Дальнейшая запись максимума модулированного сигнала функции углового распределения рассеянного света происходит по команде (импульсу) с третьего выхода блока 15, а запись минимумов происходит поочередно в запоминающее устройство 46 или 47 по поступлению управляющих импульсов со второго выхода блока 15, при этом предыдущее значение минимума сохраняется и участвует в следующем такте работы блока 16, после чего в это запоминающее устройство происходит

20

25

вход регистратора 17 через линию 19 задержки, чем обеспечивается синхрон-- «ость запуска АЦП и считывание в ЭВМ. Разделение массивов информации по циклам в регистраторе 17 осуществля- :ется по команде прерывания, поступающей с первого выхода блока 15 через линию 1В задержки на первый вход регистратора 17. При дальнейшем поступлении сигнала, соответствующего мак- модулированного сигнала функ-- зо запись следующего сигнала минимума. :ции углового распределения рассеянно- Работа блока 16 при начальном сое- :го света, оптическая щель информа- тонкий прямого выхода (Q) ТТ-тригге:ционного канала на диске-модуляторе 7, соответствующая второму реперу угла- сканирования (фиг.З), проходит плоскость изображения рассеянного Ьотока источни1 а 1 излучен .я, в результате чего сигнал, соответствующий максимуму модулированного сигнала функции углового распределения рассеянного света, записывается в запоминающее устройство 45. Следующий за ним импульс второго минимума через первый вход логического элемента 2ИЖ 41 устанавливает прямой выход. (Q) ТТ-триггера 42 в состояние логической единицы. Одновибратор 43 открывает входной ключ запоминающего устройства 46 и напряжение минимума записывается в запоминающее устройство 46, при этом входной ключ запоминающего устройства 47 закрыт, а ранее записанное в это запоминающее устройство напряжение сохраняется в нем. Выходные сигналы (соответствующие напряжению шума фотопреобразователя 14 с запоминающих устройств) как и в первом такте суммируются в суммато.:ре 53 в результате; чего половина напряжения с делителя 54 поступает на информационный вход запоминающего устройства 52 по переднему фронту импульса логической единицы

с выхода логического элемента 2И-2И- ИЛИ 48, а выходные напряжения с запоминающих, устройств 45 и 52 поступают на. соответствующие входы разностного

Q сумматора 55. Выходной электрический сигнал, несущий информацию о функции углового распределения рассеянного света с учетом шумов на выходе фотопреобразователя 14, с выхода разност5 ного сумматора 55 поступает на информационный вход регистратора (АЦП с ЭВМ) 17. Дальнейшая запись максимума , модулированного сигнала функции углового распределения рассеянного света происходит по команде (импульсу) с третьего выхода блока 15, а запись минимумов происходит поочередно в запоминающее устройство 46 или 47 по поступлению управляющих импульсов со второго выхода блока 15, при этом предыдущее значение минимума сохраняется и участвует в следующем такте работы блока 16, после чего в это запоминающее устройство происходит

0

25

зо запись следующего сигнала минимума. Работа блока 16 при начальном сое- тонкий прямого выхода (Q) ТТ-тригге5

0

Б

0

ра 42 в состоянии логической единицы аналогична. Таким образом обеспечива- ется опрос блоком 16 предварительной обработки аналогового сигнала с выхода фотопреобразователя 14 строго в максимумах -и минимумах несущей частоты модулированного электрического сигнала функции углового распределения рассеянного света.

Использование предлагаемого устройства уменьшает загрузку оперативной памяти ЭВМ (более чем в 10,- 20 раз за счет рациональной организации опроса информационного канала по максимуму и минимуму модулированного сигнала) и высвобойэдает ЭВМ от рутинных операций по исключению влияния шума на выходе фотопреобразователя, выпол- няем)1х в предлагаемом устройстве в аналоговом виде, что обеспечивает сохранение заданной точности восстановления функции углового распределения рассеянного света в соответственно более широком диапазоне скоростей изменения аналогового сигнала анализируемой функции, что позволяет использовать устройство,для измерения

индикатрис рассеяния света: с повышенной скоростью сканирования. Высвобождение ЭВМ от операций вычисления про- .изводной позволяет использовать ее для других функций, таких, например, как сглаживание индикатрисы в режиме реального времени.

Формула изо б р е т е н и я

5

0

0

g

образователя, а выход - с информаци- онным входом регистратора, первый и второй входы синхронизации которого через линии задержки соединены с первым и третьим выходами формирователя команд опроса.

5 тирующем входе, инвертирующий вход которого подключен к входу дифферен- .циатора, логического элемента ЗИЛИ- НЕ, входы которого подключены к соответствующим выходам первого, второго и третьего компараторов, а выход является первым выходом блока, второго усилителя, вход которого является вторым входом блока, второго дифференциатора, вход которого подключен к выходу второго усилителя, четвертого уровневого компаратора с делителем опорного напряжения на инвертирующем входе, неинвертирующий вход которого соединен с выходом второго дифференциатора, пятого уровневого компаратора с делителем опорного напряжения на неинвертирующем входе, инвертирующий вход которого также соединен с выходом второго дифференс циатора, шестого уровневого компаратора с делителем опорного напряжения на неинвертирующем входе, инвертирующий вход которого соединен с входом второго дифференциатора, седьмого уровневого компаратора с делителем опорного напряжения на инвертирующем входе, неинвертирующий вход которого также соединен с входом второго дифференциатора второго логического элемента ЗИЛИ-НЕ, входы которого соединены с выходами четвертого, пятого и щестого компараторов, а выход является третьим выходом блока, тре- тьего логического элемента ЗИЖ-НЕ,

5

0

0

входы которого соединены с выходами четвертого, пятого и седьмого компараторов, а выход является вторым выходом блока.

.|Q соединен с выходом линии задержки, а выход - с вторым и четвертым входами логического элемента 2И-2И-ИЛИ, третьего одновибратора, вход которого соединен с выходом логического

15 элемента 2И 2И-ИЛИ, а выход подключен к второму управляющему входу первого запоминающего устройства, четвертого запоминающего устройства, первый управляющий вход которого сое2Q динен с выходом логического элемента 2И-2И-ИЛИ, а второй управляющий вход с выходом третьего одновибратора, первого сумматора, входы которого подключены к информационным выходам

25 второго и третьего запоминающих устройств, а выход через делитель - к информационному входу четвертого запоминающего устройства, разностного сумматора, входы которого соединены

30 с соответствующими информационными выходами первого и четвертого запоминающих устройств, а выход является информационным выходом блока.

/ /fff№t i/fjfts fffcfi upaSoHUJf

w«

Отверстие ля ff/ifnp wMotJ Mowf/Kf ift/ft/та Cffoffu- pofoffUM

I/

:i

V8w(2&

It

It

.

1

(Щ

afftf

(f #«W«r CMtMifofomtJi

(nStpCfrruM Ar/t cftetftUfrfffoMUit /royf/n/fltrceeiffMjf