Фотометр Советский патент 1988 года по МПК G01J1/44 

ftft-f

Изобретение относится к фотометрии и предназначено для измерения c.тaциo apныx световых потоков в различных областях оптоэлектроники.

., Цель изобретения - повышение разрешающей способности фотометра за счет ли :eapизaции его выходной характеристики при одновременном уве- фгчении быстродействия.

Па фиг. 1 приведена функциональная схема фотометра; на фиг. 2 - г|рафики вь гходного напряжения гене- liaTopa напряжения квадратичной фор- йы и усилителя.

: Фотометр содержит фотодиод I, ка- 1Ьд которого соединен с инвертирую- Цим входом усилителя 2, а анод - с его выходом и с инвертирующим входом компаратора, 3, неинвертирующий вход которого соединен с выходом г внератора 4 напряжения квадратич- йой формы, а его выход - с входом рдновибратора 5. Также в состав фотометра входит коммутирующий эле- Цент 6, первый и второй коммутиру- .ёмые входы которого соединены соот- етственно с образцовым источником

7напряжения и выходом генератора

8компенсирзлощего тока, а его выход подключен к инвертирующему входу усилителя 2 и катоду фотодиода 1.

; Кроме того, фотометр содержит ре ерсивный счетчик 9, установочяьш вход которого подключен к выходу элемента 10 задержки, вычитающий Вход - к выходу. элемента 2И 1 1 , i, а в ход к информационному регистра 12, синхронизирующий вход которого объединен с входом генерато- pa 4, управляющим входом коммутирующего элемента 6, входом элемента JO (адержки и подключен к выходу одно- вибратора 5. Первый и второй входы элемента 2 И 11 подключены соответ- ственно к выходу компаратора 3 и выходу задающего генератора 13, а выход регистра 12 является выходом усройства.

Генератор 4 напряжения квадратич

ной формы, реализующий функцию U г

I -

« - о может быть реализован с помощью цифрового вычислителя с последующим преобразованием цифрового кода в аналоговую форму цифро- аналоговым преобразователем, выпускаемым в интегральном исполнении. Возможен и аналоговый способ воспроизведения напряжения квадратичной фор

5

0 5

О

Q 5

5

0

5

мы с заданными параметрами. Подо5:п.,1е методы используются при воспроизведении квадратичных зависимостей в аналоговых вычислительных машинах.

Фотометр работ ает следующим образом.

В момент включения фот ометра од- новибратор 5 вьфабатывает фиксированный по длительности импульс, по п еред- нему фронту которого содержимое реверсивного счетчика 9 записывается в регистр 12, запускается генератор 4 и через время, необходимое для записи информации в регистр 12 и определяемое параметрами элемента 10 задержки, реверсивный счетчик 9 устанавливается в нулевое состояние. Кроме того, этот же импульс поступает на управляющий вход коммутирующего эпемента 6, который подключает инвертир пощий вход усилителя 2 к положительному выводу образцового источника 7 напряжения,и на выходе усилителя 2 устанавливается отрицательное напряжение, вызывающее заряд барьерной емкости фотодиода 1. По окончании импульса одновибратора 5 коммутирующий элемент 6 подключает к инвертирующему входу усилителя 2 генератор 8 компенсирующего тока. Длительность импульса Tj одно- вибратора 5 выбирается такой, чтобы полностью обеспечить заряд барьерной емкости фотодиода 1. В момент окончания импульса одновибратора 5 барьерная емкость фотодиода i имеет максимальный заряд, чему соответствует отрицательное напряжение на вькоде усилителя 2. Затем под действием фототока, вызванного световым потоком, и под действием темно- вого тока фотодиода 1 происходит разряд его емкости.

Однако одновременно с разрядом емкости фотодиода 1 производится ее дозаряд током генератора 8, равным по величине темновому току. Таким образом осуществляется компенсация темнового тока.

По мере разряда емкости фотодиода i линейно возрастает, напряжение на выходе усилителя 2 {фиг. 2). Од- . новременно с ним возрастает напряжение по квадратичному закону на выходе генератора 4 (фиг. 2). Эти напряжения сравниваются компаратором 3. Так как в начальный момент времени оба напряжения имеют одинаковые значения , для обеспечения стабильНОЙ работоспособности фотометрирую- цего устройства запуск генератора 4 осуществляется раньше момента начала фотометрирования на время T« длительности вькодного импульса одно- вибратора 5 (фиг. 2) Поскольку длительность этого импульса намного меньше периода фотометрирования, опережение запуска генератора 4 практически не влияет на линейность выходной характеристики устройства.

Начальный уровень сигнала на выходе компаратора 3 разрешает прохождение тактирующих импульсов с выхода генератора 13 через элемент 2И II на вычитающий вход реверсивног счетчика 9. В момент равенства напряжений на входах компаратора 3 происходит его переключение. При этом запрещается прохождение импульсов на вычитающий вход реверсивного счетчика 9 и производится запуск одно- вибратора 5, выходной импульс которого переписьгоает содержимое счетчика 9 в регистр 12, после чего цикл работы фотометра повторяется.

Таким образом, после завершения цикла фотометрирования величина двоичного цифрового кода, хранящегося в регистре 12, прямо пропорциональна мощности оптического излучения, так как длительность разрешакицего уровня сигнала, стробирующего про- хождение тактирукяцих импульсов на вьиитающий вход счетчика 9, линейно зависит от мощности оптического излучения. Доказательство линейности следует из равенства U цу и и , т.е. из условия равенства напряжений на входе компаратора.

Действительно, напряжение на выхо усилителя и определяется выражением

t К

и

Bbiif

и

м«кс

(К+1 )С

-

,

ф

- коэффициент усиления усипителя4- максимальное отрицательное

напряжение на вьпсоде усилителя в момент окончания импульса одновибратора) - емкость фотодиода; - время разряда емкости фотодиода фототоком; - ток фотодиода (фототок).

Так как емкость фотодиода разряжается линейно для источника постоянного излучения, то

,

где

- мощность оптического излучения j о - коэффициент пропорпиональности.

Напряжение на выходе усилителя может быть описано следующим выражением

и

Uo + 1Ь- P-t,

5

где и

Из равенства U

0

Тф

0ИХ

/3

,0 с(к+1)

UT сл.едует

К2

к; К, где Тф- время фотометрирования.

Поскольку время релаксации генератора 4 напряжения квадратичной формы 5 фиксировано и независимо от мощности светового потока определяется величиной Т

MCIHC

(ф

1ИГ. г,

ТО ПО сравнению

с известным фотометром, у которого . время фотометрирования, значительно 30 увеличивается при фотометрировании ;оптических полей с низким уровнем ос- вещенности, увеличивается быстродействие при низких уровнях освещенности.

При выборе коэффициентов К и К 35 следует соблюдать следующие требования. Максимальное выходное напряжение генератора 4 не должно превьш1ать величины опорного напряжения , уровень которого ограничивает линей- Ю ный участок выходного напряжения уси.лителя2 (фиг.2),и максимальное время :фотометрирования должно быть меньше ипи равно времени T ( фиг.2), выбираемого, исходя из требований к точно сти фотометрирования.Из этих же соображений выбираемся количество двоичных разрядов реверсивного счетчика 9 и регистра 12. Частота тактовых им- пульсой задающего генератора 13

° должна быть такой, чтобы при отсутствии освещенности (т.е., по исте-

чении времени Т

лдакс

), содержимое 9 было равно

5

реверсивного счетчика нулю.

При цифровой реализации генератора 4 ft при использовании десятиразрядного цифроаналогового преобразователя нелинейность фотомет-

рнрования в диапазоне О,- Бт/м- составляв 0,2%.

Формула изобретени

Фотометр, содержащий фотодиод, катод которого соединен с инвертирующим входом усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с ши- ной нулевого потенциала, а выход - I с анодом фотодиода и с инвертирую : щим входом компаратора, выход кото- рого соединен с входом одновибрато- ра, выход одновибратора подключен к управляющему входу коммутирующего элемента, первый и второй коммутируемые входы которого соединены соответственно с образцовым источником напряжения и с генератором ком- пенсирующего тока, а выход - с инве тнрующй 1 входом усилителя, отличающийся тем, что, с целью повьшения разрешающей способности фотометра за счет линеаризации его выходной характеристики при одновре

.ченном увеличении быстродейств ; ; , в него введены задающий генератор, ревёр- сивный счетчик, элемент задержки, элемент 2И, регистр и генератор напряжения квадратичной формы, реализующий функцию и - K,t - Uo , где Up - напряжение смещения, К , постоянные ко.эффициенты, t - время, при этом выход генератора напряжения квадратичной формы подключен к неинвертирующему входу компаратора, а вход этого генератора объединен с хронизирующим входом регистра, входом элемента задержки и подключен к выходу одновибратора, установочный вход реверсивного счетчика соединен с выходом элемента задержки, а его вычитающий вход подключен к выходу элемента 2И, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом компаратора и с выходом за- даюЩего генератора, выход реверсивного счетчика подключен к информационному входу регистра, выход которого является вьпсодом фотометра.

Изобретение относится к фотометрии и предназначено для измерений стационарных световых потоков в раз-, личных областях оптоэлектроники. Целью изобретения является повьшение разрешающей способности фотометра за счет линеаризации его выходной характеристики при одновременном повышении быстродействия при низких уровнях освещенности. Фотометр содержит фотодиод J катод которого подключен к инвертируннцему входу усилителя 2, а анод - к его выходу, компаратор 3, генератор 4 напряжения квадратичной формы (Up -К t + - Up), коммутирующий элемент 6, которьй подключает катод фотодиода 1 либо к образцовому источнику напряжения, либо- к генератору компенсирзпощего тока для компенсации темнового тока во время фотометрирования. Под действием светового потока происходит разряд емкости фотодиода 1 и линейно возрастающее напряжение на выходе усилителя 2 сравнивается компаратором 3 с напряжением, вырабатьшаемым гене- раторбм 4. В момент равенства напряжений переключается компаратор 3 и запускается одновибратор 5, сигнале которого производит перезаряд емкости фотодиода, и цикл работы устройства повторяется. С помощью реверсивного счетчика 9, задающего- го генератора 13, элемента 2И 11 длительность импульса на выходе компаратора 3 преобразуется в цифровой код, который после окончания цикла фотометрирования переписьгоается в регистр 12. 2 ил. S tssak

фи. 2

H&ffC