Устройство для измерения интенсивности линии в оптическом спектре Советский патент 1989 года по МПК G01J3/42 

(Л

сд

о со

05

31509

щие и запаздывающие относительно щели 7. За каждой щелью установлены фотоприемники 10-12. Фотоприемники 11 и 12 подключены к блоку 14 формирования команд, который позволяет осуществить поиск внутри спектрального интервала, задаваемого блоком . 1 9 установки границ измерений. Электромагнитным приводом 5 управ- ляется блок 21. На регистраторе 23 одновременно записываются интенсивность линии и информация о текущей

длине волны, поступающая с устройства 22 градуировки. Временная раз- решаюатая способность устройства регламентируется постоянной времени фотоприемника и регистратора, а также быстродействием схемы слежения за центром линяй при максимальных скоростях смещения g: 1 О нм/с. Прибор настраивается на линию даже если в спектральный диапазон, охватываемый вспомогательными щелями, попадает только крыло линии. 4 ил.

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению. Целью изобретения является повышение временного разрешения. Основой устройства является монохроматор с электромагнитным приводом 5, выходной щелью 7 и вспомогательными выходными щелями 8 и 9. Эти вспомогательные щели размещены так, что выделяют участки спектра, опережающие и запаздывающие относительно щели 7. За каждой щелью установлены фотоприемники 10 - 12. Фотоприемники 11 и 12 подключены к блоку 14 формирования команд, который позволяет осуществить поиск линии внутри спектрального интервала, задаваемого блоком 19 установки границ измерений. Электромагнитным приводом 5 управляет блок 21. На регистраторе 23 одновременно записываются интенсивность линии и информация о текущей длине волны, поступающая с устройства 22 градуировки. Временная разрешающая способность устройства регламентируется постоянной времени фотоприемника и регистратора, а также быстродействием схемы слежения за центром линии при максимальных скоростях смещения ≤10⁴ нм/с. Прибор настраивается на линию даже если в спектральный диапазон, охватываемый вспомогательными щелями, попадает только крыло линии. 4 ил.

Изобретение относится к оптиче- скому спектральному приборостроению.

Целью изобретения является повышение временного разрешения.

На фиг. I представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - схема формирование команд точной настройкиi на фиг. 3 - схема-блока установки границ измерений; на фиг. 4 - схема блока управлений сканирующим устрой- ством.

Устройство содержит (фиг. 1) входную щель 1, коллиматор 2, диспергирующий элемент 3, плоское сканирующее зеркало 4 с электрокагнитн м приводом 5 сканирования, фокусирующий объектив 6, основную щель 7 (измерительного канала) и две вспомогательные щели 8 и 9 с фотоприемни - ками 10-12, двумя светоделителями 13 причем светоделители 13 вспомогательных щелей 8 и 9 установлены с возможностью вьщеления на них изображений участков спектра, смещенных в сторону опережения (на щели 8) и запаздывания (на щели 9) по отношению к изображению на основной оптической щели 7 на равные спектральные интервалы, формирователь 14 команд точной настройки, генератор 15, два логических злементв 2И-ЗИ-ИЛИ 16 и 17, реверсивный счетчик 18, блок 19 установки границ измерений, RS-триг- гер 20, блок 21 управления сканирующим устройством, устройство 22 для градуировки и регистратор 23, при этом электрические выходы фотоприемников 11 и 12 соединены соответственно с первым и вторым входами формирователя 14 команд точной настройки, первый и второй выходы которого подключены к первым входам соответствующих логических элементов 2И-ЗИ-ИЛИ 16 и 17, а третий - к пятым входам этих логических элементов, вторые и четвертые входы которых соединены с выходами генератора 15, и выходы - с соответствующими счетными входами реверсивного счетчика 18, выходы которого подключены к соответствующим входам блока 21 управления сканирующим устройством, подключенного выходом к электрическому входу электромагнитного привода 9 сканирования, и блока 19 установки границ измерений, первый и второй выходы которого соединены соответственно с R-и S-входа- ми RS-триггера 20, прямой вход которого подключен к третьему входу первого логического элемента 2И-ЗИ-ИЛИ

16,а инверсный - к третьему входу второго логического элемента 2И-ЗИ-ИЛ

Формирователь 14 команд точной настройки содержит (фиг.2) разностный сумматор 24, компараторы 25 и 26, 27 и 28.с источниками 29-32 опорного напряжения и два логических элемента 2И 33 и 34, причем первый вход блока 14 соединен с первьгм (суммирующим) входом разностного сумматора 24 и с неинвертирующим входом компаратора 25, инвертирующий вход которого соединен с выходом источника 29.опорного напряжения, второй вход

5

блока 2А соединен со вторым (вычитающим) входом разностного сумматора 24 и с неинвертирующим входом компаратора 26, инвертирующий вход которого соединен с выходом источника 30 опорного напряжения, выход разностного сумматора 24 соединен с неинвертирующим входом компаратора 27, инвертирующий вход которого соединен с выходом источника 31 опорного напряжения, и с инвертирующим входом компаратора 28, неинвертирующий вход которого соединен с выходом источника 32 опорного напряжения, выходы компараторов 27 и 28 соединены со вторыми входами соответствующих логических элементов 2И 33 и 34, первый вход логического элемента 2И 33 соединен с выходом компаратора 25 и первым входом элемента 2ИЛИ-НЕ 35, выход которого является третьим выходом блока 14, первый вход логического элемента 2И 34 соединен с выходом компаратора 26 и вторым входом логического элемента 2И 33 является первым выходом блока 14, а выход логического элемента 2И элемента 34 является вторым выходом блока 14.

Блок 18 установки границ измерений (фиг.З) состоит из преобразователя 36 кодов,.содержащего дешифратор 37 и логические элементы ИЛИ 38 и ШШ-НЕ 39, при этом входы дешифратора 37 являются входами блока 19, а выходы подключены к соответствующим входам логических элементов ИЛИ 38 и ИЛИ-НЕ 39, выходы логических элементов ИЛИ 38 соединены с входами переключателя 40, а выходы логических элементов ИЛИ-НЕ 39 - со входами переключателя 41, выходы переключателей 40 и 41 являются соответственно первым и вторым выходом блока 19.

Блок 21 управления сканирующим устройством (фиг.4) содержит цифро- аналоговый преобразователь (ЦАП) 42, цифровые управляющие входы которого являются входами блока 21, источник 43 опорного напряжения, выход которого подключен к информационному входу ЦАП 42, операционный усилитель 44, в обратную цепь которого включены аналоговый вход и выход ЦАП 42, усилитель 45 мощности, вход которого соединен с выходом операционного усилителя 44, а выход является выходом блока 21. Ссвокупиость

10

20

25

096256

элементов, состоящая из ПАП ДЗ и операционного усилителя 44, образует управляемый цифровой аттенюатор 46 .

Устройство 22 для градуировки (фиг.1) состоит из источника 47 излучения, конденсора 48, щелевой диафрагмы 49, проекционного объектива 50, плоского сканирующего зеркала 51, жестко связанного со сканирующим зеркалом 4, плоского неподвижного зеркала 52, расположенного против сканирующего зеркала 51, коллиматора 53, матричного фотоприем- 15 ника 54, подключенного выходом через формирователь 55 к входам шифратора 56, соединенного выходом со вторым входом регистратора 23.

Устройство работает следуюшлм образом.

Поток излучения через входную щель 1 поступает на коллиматор 2 и через диспергирующий элемент 3, плоское сканирующее зеркало 4, объектив 6, светоделители 13 и выходную щель 7 поступает на оптический вход фотоприемника 10 основного канала. Одновременно, отражаясь от светделителей 13, поток излучения попадает на вспомогательные выходные щели 8 -и 9 и фотоприемнитси II и 12, причем изображения на вспомогательных щелях 8 и 9 смещены по длинам волн в сторону опережения (на щели 8) ив сторону отставания (на щели 9) по отношению к изображению спектра на основной щели 7 на равные спектральные интервалы Д .

Процесс настройки устройства на линию разделяется на два этапа (режима) работы.

На первом этапе осуществляется поиск в автоматическом режиме линии внутри спектрального интервала, границы которого устанавливаются оператором перед экспериментом при помощи переключателей 40 и 41 блока 19, на втором этапе - точная настройка устройства на центр линии с после- 50 дующим отслеживанием центра линии при возникновении сдвигов положения максимума линии в процессе эксперимента. При этом возможен вариант, когда суперпозиция сигналов фотоприемников 11 и 12 такова, что устройство начинает работать сразу со второго этапа.

При включении устройства начапь- ное положение сканирующего элемен30

35

40

45

55

1

та - зеркала 4 определяется состоянием счетчика 18, произвольно уста- нагпивающимся при включении напряжения питания элементов схемы устройства. Цифровая комбинация с выходом счетчика 18 поступает на цифровой вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 42, включенного аналоговыми входом и выходом в цепь обратной связи операционного усилителя 44 и величина выходного сигнала операционного усилителя 44 однозначно определяется цифровым кодом. Выходной сигнал операционного усилителя 4А через усилитель 46 мощности поступает на электромагнитный привод 5 сканирования, который устанавливается в положение, соответствующее цифровому коду счетчика 18., Выбор режима, т.е. первый или второй этап работы устройства осуществляется блоком 14 по суперпозиции электрических сигналов фотоприемников 11 и 12, зависящей от распределения энергии на вспомогательных щелях 8 и 9, расположенных также как и щель 7 основного фотоприемника 10 в плоскости изображения спектра. В случае отсутствия линии или ее фрагментов внутри спектрального интервала

Л - А , соответствующего расположению вспомогательных щелей 8 и 9, выходы компараторов 25 и 26 находятся в состоянии логического нуля, выход логического элемента 2ИЛИ-НЕ 35 - в состоянии логической единицы, выходы логических элементов 2И 33 и 34 в состоянии, логического нуля и импульсы с выхода генератора 15 поступают на соответствующий вход счетчика 18 (суммирующий или вычитающий) через один из логически элементов 2И-ЗИ-ИЛИ }6 или 17 в зависимости от состояния вьгкодов RS- триггера 20. Направление вращения сканирующего зеркала 4 определяется начальным состоянием выходов RS-триг гера 20, при этом импульсы с выхода генератора 15 поступают-на суммирующий или вычитающий вход счетчика 18 Импульсы с выходов счетчика 18 поступают в блок 21 управления сканирующим устройством. Изменение выходного напряжения блока 21 вызывает . соответствующее изменение положения сканирующего зеркала 4. Одновременно выходные импульсы счетчика 18 поступают на преобразователь 36 кодов, на

0

5

0

5

625

5

0

5

0

0

5

выходах которого формируется позиционный код, соответствующий положению сканирующего зеркала 4 в текущий момент времени. При совпадении позиционного кода на выходах преобразователя 36 KOjqoB с положением соответствующего переключателя 40 или 41 на R- или S-вход RS-тригге- ра 20 поступает сигнал, изменяющий его состояние, что вызывает переключение счетных входов (суммирующего, или рьгчита ющего) счетчика 18 и соответствующее изменение приращения выходных цифровых значений на его выходы. Последнее вызывает реверс движения сканирующего устройства 5. Процесс сканирования во всем диапазоне, заданном оператором, в случае отсутствия линии или ее фрагментов продолжается непрерывно вплоть до появления линии в интервале длин волн заданном оператором.

Появление линии (или ее фрагментов) в заданном спектральном интервале вызывает переход одного из компараторов 25 и 26 или обоих этих компараторов (если изображение линии появилось вблизи щелей вспомогательных фотоприемников II и 12) в единичное состояние. При этом выход логического элемента ИПИ-НЕ 35 устанавливается в состояние логического нуля и подсхемы.ЗИ обоих логических элементов 2И-ЗИ-ИЛИ 16 и 17 блокируются, т.е. выходные импульсы генератора 15 не могут проходить на счетные входы счетчика 18 независимо от состояния RS-триггера 20. Дальнейщее управление направлением движения сканирующего устройства осуществляется только блоком 14. В зависимости от соот- нощения сигналов фотоприемников 11 и 12 выходной сигнал разностного сумматора 24 может иметь положительную или отрицательную полярность. При этом срабатывает один из компараторов 27 или 28 и выходной сигнал этого компаратора через соответствующий логический элемент 2И 33 или 34 поступает на первый вход соответствующего логического элемента ЗИ-2И-ИЛИ 16 или 17 и выходные импульсы генератора 15 направляются на соответствующий счетньй (суммирующий или вычитающий) вход счетчика 18. Изменяющаяся выходная цифровая комбинация счетчика 18 преобразуется блоком 21 и вызывает изменение положения

сканирующего зеркала 4 до тех пор, пока сигналы с выходов фотоприемников 11 и 12 не станут равны по величине . В этом случае сигнал с выхода разностного сумматора 24 становится меньше напряжения срабатывания компараторов 27 и 28, а выходы обоих компараторов устанавливаются в состояние логического нуля, на первые входы логических элементов ЗИ-2И-ИЖ 16 и 17 поступает уровень логическог нуля, блокирующий прохождение импульсов генератора 15 на счетные входы счетчика 18. Установка линии на центр закончена.

В случае последующего рассогласования в процессе эксперимента центра линии с центром настройки щели 7 соответствующий компаратор 27 или 28 подключает генератор 15 к соответст- вующему счетному входу счетчика 18 и происходит подстройка на центр линии.

Для регистрации текущего значения длины волны световой поток источника 47 излучения через конденсор 38, щелевую диафрагму 49 и проекционный объектив 5,0 направляется на плоское сканирующее зеркало 51. После многократных отражений между плоским сканирующим зеркалом 51 и неподвижным зеркалом 52 поток направляется коллиматором 53 на матричный фотоприемник 54. Электрический сигнал матричного фотоприемника 54 через формирователь 55 и шифратор 56 подается на второй вход регистратора 23, на первый вход которого поступает сигнал фотоприемника 10. Таким образом, в процессе эксперимента регистратором записывается интенсивность излучения в максимуме линии и текущее значение длины волны максимума. Следует отметить, что прибор автоматически настраивается на спектральную линию даже если первоначальн ее максимум находится вне заданного оператором интервала, при условии, когда в указанный спектральный интервал попадает хотя бы крыло этой линии.

Временная разрешающая способность устройства регламентируется постоянной времени фотоприемника (10 с) и регистратора (10 с при использовании в качестве регистратора ана- логово-цифрового преобразователя с цифровым оперативным запоминающим

о

о

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0

устройством или скоростного аналогового накопителя на мат питной ленте с амплитудно-модулированным каналом записи) и быстродействие системы слежения за центром линии (10 с) при максимальных скоростях смещения центра линии (вследствие эффектов Штарка или Допплера) относительно выходной щели в процессе исследований нестационарных объектов ..10 им/с. Формула изобрете-ния

Устройство для измерения интенсивности линии в оптическом спектре, содержащее оптически связанные моно- хроматор, снабженный электромагнитным приводом сканиров ання, устройством градуировки, основной выходной щелью и первой и второй вспомогательными выходными щелями, установленными с возможностью вьщеления, участков спектра, смещенных в сторону опережения и запаздывания на равные спектральные интервалы по отношению к участку спектра, выделяемому основной выходной щелью, основной фотоприемник, установленный за основной выходной щелью, и первый и второй вспомогательные фотоприемники установленные за первой и второй вспомогательными выходными щелями соответственно, а также регистратор, соединенный с основным фотоприемником и устройством градуировки, о т- личающееся тем, что, с целью повышения временного разрешения, устройство дополнительно содержит блок формирования команд точной настройки, снабженной первым и вторым входами и первым, вторым и третьим выходами, генератор, первый и второй логические элементы 2И-ЗИ-ИЛИ, реверсивный счетчик, блок управления сканирующим элементом, снабженный кодовыми входами и выходом, блок установки границ измерений, снабженный кодовыми входами и первьм и вторым выходами, и RS-Tpiirrep, при этом первый и второй вспомогательные фотоприемники соединены с первым и вторым входами блока формирования команд точной настройки, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами первого и второго логических элементов 2И-ЗИ-ИЛИ соответственно, генератор соединен с вторым и четвертым входами первого и второго логических элементов 211-ЗИ-НЖ

третий выход блока формнрова гия команд точной настройки соединен с пя- тыл входом первого и второго логических элементов 2И-ЗИ-ИЛИ, выходы которых соединены со счетными входами реверсивного счетчика, выход реверсивного счетчика соединен с кодовыми входами блока управления сканирующим элементом и блока установки границ измерений, первый и второй

выходы блока установки границ измерений соединены соответственно с R- и S-входом RS-триггера, прямой выход которого соединен с третьим входом первого логического элемента 2И-ЗИ-ИЛИ а инверсный - с третьим входом второго логического элемента 2И-ЗИ-ИЛИ, выход блока управления сканирующим элементом соединен с электромагнитным . приводом сканирования.

Фие.