Фотометр Советский патент 1988 года по МПК G01J1/44 

СриЭ.1

Изобретение относится к фотометрии и предназначено для измерения стационарных световых потоков в различных областях оптоэлектроники.

Целью изобретенид является увеличение разрешающей способности фотометра за счет линеаризации его выходной характеристики.

На фиг, 1 приведена функциональ- ная схема фотометра: на фиг, 2 - временные диаграммы работы при различных условиях освещенности.

Фотометр содержит фотодиод 1, каотод которого соединен с инверти- рующим входом усилителя 2г, а анод - с его выходом и с инвертирующим входом компаратора 3, неинвертиругощий вход которого соединен с выходом генератора 4 напряжения квадратичной формы выход - с входом одно- вибратора 5. Выход одновибратора 5 соединен с входом генератора 4 напряжения квадратичной формы и вхо- дом управления коммутирую0;его эле- мента 6, первый коммутируемый вход которого соединен с положительным вьгоодом образцового источника 7 напряжения,, а второй - с выходом генератора 8 компенсирующего тока. Выход коммутируР Дего элемента 6 подключен к инвертирующему входу усилителя 2 и к катоду фотодиода 1, причем неин- вертируюций вход усилителя 2 соединен с вшной нулевого потенциала. Кроме того, вход элемента 9 задержки объединен с входом генератора 4 на- прязкения квадратичной формы, а его выход подключен к стробирующему вхо- ду компаратора 3,

Генератор напряжения квадратичной формы реализует следующую функцональную зависимост,:

а

и„ и. + At

(1)

где и - напряжение на выходе генератора 4;

Up - напряжение смещения; . А - коэффициент;

t - время.

Генераторы такого типа могут быть реализованы либо с помощью цифровых вычислительных устройств (т.е. вычислением функции в цифровом коде с последующим его преобразованием в аналоговую форму)} либо с применение аналоговых методов, используемых в аналоговых вычислительных устройствах.

д

5 G 5 Q Q

5

0

Устройство работает следующим образом,

В момент включения фотометра од- новибратор 5 вырабатьшает фиксированный по длительности импульс, ко- торьй поступает на управляющий вх.од коммутирующего э. емента 6, Последний подключает инвертирующий вход усилителя 2 к положительному вьшо- ду образцового источника 7 напряжения, и на выходе усилителя 2 устанавливается отрицательное напряжение, которое вызывает заряд барьерной емкости фотодиод а 1 , По окончании импульса одновибратора 5 производится запуск генератора 4, вырабатьша- ющего напряжение вида U U + At , и коммутирующий элемент 6 подключа-. ет к инвертирующему входу усилителя 2 генератор 8 компенсирукщего тока. Длительность импульса одновибратора 5 выбирается такой, чтобы полностью обеспечить заряд барьерной емкости фотодиода 1. В момент окончания импульса одновибратора 5 барьерная емкость фотодиода 1 начинает разряжаться под действием фототока, вызванного падающим на фотодиод световым потоком, а также темновым током фотодиода 1. Однако одновременно с разрядом фотодиода 1 производится его дозаряд током генератора, равным по величине темновому току, т.е. осуществляется компенсация темнового тока,

По мере разряда емкости фотодиода 1 линейно возрастает напряжение на выходе усилителя 2, одновременно с ним возрастает напряжение по квадратичному закону на выходе генератора 4. Оба эти напряжения сравниваются компаратором 3, который запускает одновибратор в.момент равенства этих напряжений. При этом длительность -временного интервала между окончанием импульса на выходе одно- вибратора 5 и моментом переключения коммутатора 3 линейно зависит от мощности оптического излучения.

Напряжение на выходе усилителя определяется выражением

ТТ - ТТ J. I4f t ,„,

и - + Q U;

где К - коэффициент усиления уси. лителя;

макс максимальное отрицательное нап ряжение на выходе

усилителя в момент окончания импульса одновибра- тора;

-емкость фотодиода;

-время разряда емкости фотодиода фототоком;

1ф - ток фотодиода (фототок). Так как емкость фотодиода разряается линейно, то

С

t

1ф с( Р,

(3)

где Р - мощность оптического излучения;

о( - коэффициент пропорциональности.

Напряжение на выходе усилителя может быть описано следующим выражением

и,

и.

pPt,

W

Вых

где Uo К .

с (К ТГ

Если напряжение на выходе усилит ля 2 определяется формулой (А), а напряжение на выходе генератора А - формулой (1), то условие равенства этих напряжений определяется выражением

.2

Uo + /i Pt UQ + At

(5)

откуда

Р A/p. t,

где A/ - коэффициент пропорциональности.

Так как в начальный момент времени напряжения на выходах усилителя 2 и генератора 4 очень близки по своему значению, то для устранения ложных срабатываний компаратора, которые могут быть вызваны пульсациями питания устройства, температурным дрейфом параметров элементов устройств и дру- гими нестационарными возмущениями, он вьшолнен стробируемым. При этом запуск компаратора осуществляется с задержкой относительно начала запуска генератора 4, определяемой параметрами элемента 9 задержки.

После повторного запуска одновиб- ратора 5 цикл работы фотометрирую- щего устройства повторяется.

Выбор коэффициента А при квадратичном члене выражения (5) определяется оптимальной мощностью оптического излучения Р

(см. фиг. 2). При этом минимальное время Т, за которое

Мйкс

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

напряжение на выходе усилителя 2 достигает величины I on , определяемой величиной л1-шейного участка выходной характеристики фотодиода 1, определяется из (4) выражением

Т, (Uon - и„)//3. .

Для того, чтобы вьтолнялось равенство и Ъ оп -при t Т , КОЗФФИЦИ-. ент А при квадратичном члене U дол- . жен быть равен А Р / ().

Таким образом, при параметрах устройства, определяемых по указанному алгоритму, длительность временного интервала фотометрирования прямо пропорциональна мощности оптического излучения. При этом величина Т не может быть меньше величины t, , определяемой элементом 9. В качестве иллюстрации работы устройства на фиг. 2 показаны значения временных интервалов То и Tj, соответствующие мощностям оптического излучения P-j и РЗ .

Для наглядности и удобства восприятия уровни всех напряжений приведены в одних координатных осях.

На фиг. 2 использованы следующие обозначения: Uj,5p - уровень выходного сигнала образцового источника 3 напряжения 1; Uрп - уровень постоянного опорного напряжения, ограничивающего линейный гчасток выходного сигнала з силителя 2; 11((акс максимальное отрицательное напряжение на выходе усилителя 2 при полностью заряженной емкости фотодиода; Ug,,i,- йыхэ выходное напряжение на выходе усилителя 2 npai различных мощностях оптического излучения Т - временные интервалы, соот- ветствх ющие различным мощностям оптического излучения ,- Р ; напряжение на выходе генератора 4; tл,, - величина задержки включения генератора 4 относительно начала разряда емкости фотодиода, при этом величина задержки несоизмеримо мала с временем фотометрирования, поэтому она не влияет на метрологические качества фотометра; максимальная измеряемая мощность излучения при заданном коэффициенте А генератора 4.

Формула изобретения

Фотометр, содержащий фотодиод, катод которого соединен с инвертирующим входом усилителя, а акод - с выходом усилителя, неинвертирующий вхо которого .соединен с шиной нулевого потенциала, а выход - с инвертирующим входом компаратора, выход которого соединен с входом одновибратора выход одновибратора подключен к управляющему входу коммутирующего элемента, первый и второй коммутируемые входы которого подключены соответственно к образцовому источнику напряжения и генератору компенсирующего тока, а выход коммутир тощего элемента соединен с катодом фотодиода, отличающийся тем, что, с делыю увеличения разрешающей способности фотометра за счет линеаризации его выходной характеристики, в него дополнительно введены элемент задержки и генератор напряжения квадратичной формы, U реализующий функцию

1

Ur

и, + Af

где Up А

t

напряжение смещения;

постоянный коэффициент;

время,

а компаратор выполнен стробируемым, при этом выход генератора напрях е- ния квадратичной формы подключен к неинвертирующему -входу компаратора, выход элемента задерлжи соединен со стробирующим входом компаратора,°а входы генератора и элемента задержки объединены и подключены к выходу одновибратора.

Изобретение относится к фотометрии и предназначено для измерения стационарных световых потоков в различных областях оптоэлектро- ники.- Целью изобретения является увеличение разрешающей способности фотометра. Фотометр содержит фотодиод I , катод которого подключен к инвертирующему входу усилителя 2, а анод - к его выходу, компаратор 3, генератор 4 напряжения квадратичной- формы (и,. Up + At ) , коммутиг1тощий элемент 6, который подктпочает катод фотодиода 1 либо к образцовому источ - нику напряжения 7 и заряжает eMKOctb фотодиода 1, либо к генератору ком- пенс ир пощего тока для компенсации темнового тока во время фотометриро- взния. Под действием светового потока происходит разряд емкости фотодиода 1 и линейно возрастающее напряжение на выходе усилителя 2 сравнивания компаратором 3 с напряжением генератора 4, В момент равенства напряжений запускается одновибратор 5 и на его выходе формируется импульс фиксированной длительности, которым про1 зводится переключение коммутирующего элемента 6, стробирование компаратора 3 и запуск генератора 4. Период следования импульсов на выходе одновибратора 5 прямо пропорционален мощности оптического излучения. 2 ил. а AftSSSU IL tnn .4 со ОО