Фотоприемное устройство Советский патент 1990 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к устройствам для регистрации потоков излучения, в частности к бесконтактным средствам измерения температуры нагретых объектов по собственному ИК- излучению.

Цель изобретения - повышение точности измерения за счет стабилизации дрейфа выходного напряжения путем изменения рабочей температуры операционного усилителя.

На фиг.,1 приведена схема устройства; на фиг.2 - вариант выполнения схемы запоминания уровня.

Фотоприемное устройство содержит операционный усилитель 1, фотодиод 2, элемент 3 обратной связи, электронный ключ 4, генератор 5 тактовых импульсов, источник 6 опорного напряжения, схему 7 запоминания уровня,

операционный усилитель 8, управляемые нагреватели 9, резисторы 10 и 11. Операционные усилители 1, 8 и нагреватели 9 располагаются на одной теп- лопроводящей подложке 12. Анод фотодиода соединен с общей шиной, а катод - с инвертирующим входом операционного усилителя 1, охваченного отрицательной обратной связью через элемент 3. Один вход схемы 7 запоминания уровня соединен с выходом операционного усилителя 1, а другой вход - с выходом генератора 5 тактовых импульсов и с электронным ключом 4. Источник 6 опорного напряжения соединен с электронным ключом 4, через который он соединяется с входом операционного усилителя 1. -.

Схема запоминания уровня включает первый 13 и второй 14 одновибраторы,

сп

со сг к

О

31

инвертор 15, первый 16 и второй 17 управляемые ключи, первый 18 и второ 19 запоминающие конденсаторы и два резистора 20 и 21, причем входы первого 16 и второго 17 управляемых ключей объединены и подключены к выходу операционного усилителя 1, уп- Ьавляющие входы первого 16 и второго 17 ключей соединены с выхода- ми соответственно первого 13 и второго 14 одновибраторов, при этом вход первого 13 одновибратора соединен с генератором 5 тактовых импульсов и через инвертор 15 - с входом второго 14 одновибратора,, выход первого 16 управляемого ключа соединен с неин- вертирующим входом дополнительного усилителя 8 и первым 18 запоминающим конденсатором, второй вывод которого соединен с общей шиной питания, а выход второго 17 управляемого ключа соединен с вторым 19 запоминающим конденсатором, второй вывод которого соединен с общей шиной питания. Резисторы 20 и 21 включены между выходами соответствующих ключей 16 и 17 и выходами схемы запоминания уровня.

Запоминание сигнала происходит на конденсаторах 18, 19, заряд которых осуществляется через управляемые ключи 16,17. Одновибраторы 13,14 обеспечивают задержку включения ключей 16, 17 и определяют длительность времени заряда конденсаторов 18,19.

Инвертор 15 необходим для правильной фазы работы ключей 16,170 Запоминающие конденсаторы 18, 19 должны обладать сопротивлением утечки, на порядок превышающем соответствующие сопротивления 20 и 21.

Устройство работает следующим образом.

С появлением импульса на выходе генератора 5 тактовых импульсов в схеме 7 запоминается выходное напряжение усилителя 1 и поступает на выход устройства для дальнейшей регистрации. В оставшуюся часть периода колебаний на выходе генератора 5 тактовых импульсов опорное напряжение с источника 6 через электронный ключ 4 поступает на вход усилителя 1, выходное напряжение усилителя 1 подается на схему 7 запоминания уровня.

5

5

62

JQ

0

0

5

35

0

45

50

164

С выхода обратной связи схемы 7 напряжение подается на один из выводов дополнительного операционного усилителя 8. С началом нового периода напряжение на выходе обратной связи схемы 7 запоминается до следующего такта. В общем случае опорное напряжение источника 6 - очень малая величина, в предельном случае это нулевое напряжение. Введение небольшого опорного напряжения несколько расширяет возможности устройства, в частности улучшает отслеживание дрейфа нулевых показаний и позволяет задавать (одновременно с напряжением с делителя дополнительного операционного усилителя) начальную рабочую температуру устройства. Выходное напряжение дрейфа операционного усилителя 1 сравнивается с напряжением, задаваемым делителем дополнительного операционного усилителя, и подается на управляемые нагреватели 9, которые, виделяя тепло, изменяют температуру подложки и корпуса усилителя 1, уменьшая дрейф выходного напряжения усилителя 1. Напряжение дрейфа нуля стабилизируется на уровне, соответствующем рабочей температуре, несколько превышающей температуру окружающей среды.

Минимальная длительность импульса Tw генератора Ь, подключающего к входу основного операционного усилителя сигнал, должна выбираться исходя из времени регулирования операционного усилителя и допустимой ошибки регулирования. При максимальном сигнале на выходе операционного усилителя 0,1 В и допустимой погрешности измерения сигнала с фотодиода не более 5% длительность импульса Ти генератора 5 должна быть не менее 2 10 3с, при скважности импульсов, близкой к единице, следует, что частота следования импульсов должна быть не более 250 Гц.

Наиболее оптимальная скважность составляет 2,5-5„ Большим величинам скважности должен соответствовать выбор большей тепловой инерции подложки. При этом уменьшение дрейфа нуля будет происходить без перекомпенсации. Для обеспечения малых погрешностей при изменении сигнала с фотодиода необходимо, чтобы период изменения сигнала составлял не менее

5153

20-40 Т, где Т - период следования импульсов генератора.

Емкость С, конденсатора 18 выбирается из следующих соображений: заряд за время Тц действия импульса, открывающего ключ 16, должен происходить до величины, приблизительно равной 0,9 напряжения сигнала, поступающего На УСТРОЙСТВО.

Исходя из того, что постоянная времени цепи заряда конденсатора пропорциональна КС , где R - сопротивление открытого ключа плюс вы- г ходное сопротивление операционного усилителя, и считая, что R(0,3-3) кОм, Т„ 2 -103 с,

С, Ј 2 (1,3-10) мкФ. К

Разряд С1 происходит через собственное сопротивление утечки и сопротивление закрытого ключа, которое по величине больше 1 мОм, а также через сопротивление 20.

Учитывая, что скважность импульсов генератора 2,5-5, то для обеспечения ошибки (5-10%) вполне достаточно величины резистора 20 (30-50) кОм

Аналогичными соображениями можно руководствоваться при расчете емкости С -2 конденсатора 19. Для получения ошибки меньше 5% можно выбрать Сг 0,3-1,5 мкФ, а сопротивление резистора 21 должно быть больше 25 кОм„

Таким образом, уменьшение дрейфа нуля выходного сигнала операционного усилителя путем изменения рабочей температуры подложки позволило значительно повысить точность при изме- рении температуры слабонагретого тела путем регистрации его ИК-излуче- ния.

Формула изобретения

1„ Фотоприемное устройство, содержащее фотодиод, анод которого подключен к общей шине, а катод - к инвертирующему входу операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью через элемент обратной связи, источник питания, дополнительный операционный усилитель, делитель напряжения из двух резисторов, выход которого подключен к первому

Q

с

0

5

о

.-.

5

5

66

входу дополнительного операционного усилителя, один выход делителя подключен к источнику питания, а другой - к общей шине, теплопроводящую подложку, на которой расположены управляемые нагреватели, подключенные к выходу дополнительного операционного усилителя, и оба операционных усилителя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет стабилизации дрейфа выходного напряжения путем изменения рабочей температуры операционного усилителя, оно снабжено источником опорного напряжения, электронным ключом, генератором тактовых импульсов и схемой запоминания уровня, при этом выход генератора тактовых импульсов соединен с управляющими входами электронного ключа и схемы запоминания уровня, источник опорного напряжения соединен через электронный ключ с инвертирующим входом операционного усилителя, к выходу которого подключен информационный вход схемы запоми- нания уровня, первый выход которой является выходом устройства, а второй выход подключен к второму входу дополнительного операционного усилителя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что схема запоминания уровня содержит два одновиб- ратора, инвертор, два управляемых ключа, два запоминающих конденсатора и два резистора, при этом входы ключей объединены и являются информационным входом схемы запоминания уровня, управляющие входы ключей соединены с выходами соответствующих одно- вибраторов, вход первого одновибра- тора подключен к управляющему входу схемы запоминания уровня непосредственно, а вход второго одновибратора - через инвертор, выход первого ключа соединен с первым конденсатором и через первый резистор подключен к второму выходу схемы запоминания уровня, выход второго ключа соединен с вторым конденсатором и через второй резистор подключен к первому выходу схемы запоминания уровня, а вторые выводы конденсаторов соединены с общей шиной.

Л

Изобретение относится к устройствам для регистрации потоков излучения, в частности к бесконтактным средствам измерения температуры нагретых объектов по собственному ИК-излучению. Цель изобретения - повышение точности измерений за счет стабилизации дрейфа выходного напряжения путем изменения рабочей температуры инерционного усилителя. Выходное напряжение дрейфа операционного усилителя сравнивается с опорным напряжением, задаваемым делителем, усиливается и подается на управляемые нагреватели, которые, выделяя тепло, изменяют температуру корпуса подложки и усилителя. Изменением температуры достигается компенсация дрейфа операционного усилителя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Управление

JUTL От генератора

16

л

10

18

выход „обратной сбяьи

2/

CU

сг

19

Выход