Спектрометр Советский патент 1990 года по МПК G01J3/12 

ел J

00

ел

о У

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению. Целью изобретения является повышение точности измерений. Излучение поступает в монохроматор 1, снабженный электромагнитным приводом 2 сканирования, основной выходной щелью 7 и первой и второй вспомогательными щелями 5, 6, установленными с возможностью выделения участков спектра, смещенных в сторону опережения и запаздывания на равные спектральные интервалы по отношению к участку спектра, выделяемому основной выходной щелью 7. Сигналы от фотоприемников 8, 9, 10, стоящих за щелями 5, 7, 6, поступают на блок 12 выделения максимума спектральной линии. Блок 12 выдает сигналы на блок 13 выделения ширины контура спектральной линии, селектор 14 наличия линии, блок 16 формирования сигналов управления амплитудой сканирования и устройство 17 управления сканированием. Спектрометр содержит также блок 15 коммутации сигналов управления амплитудой сканирования, соединенный с устройством 17 управления сканированием. Спектрометр обеспечивает автоматическую коррекцию ширины сканируемого интервала пропорционально ширине регистрируемого контура на заданном уровне от интенсивности в максимуме спектральной линии как при наличии сплошного фона, так и при его отсутствии. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

фи81 ffa рееистро/гюр

рования и устройство 17 управления сканированием. Спектрометр содержит также блок 15 коммутации сигналов управления амплитудой сканирования, соединенный с устройством 17 управления сканированием. Спектрометр обеспечивает автоматическую коррекИзобретение относится к оптическому спектральному приборостроению.

Цель изобретения - повышение точ- ности измерений.

На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого спектрометра; на фиг.2 - схема блока выделения максимума спектральной линии; на фиг.З - схема устройства управления сканированием; на фиг. 4 - схема блока выделения ширины контура спектральной линии; на фиг. 5 - схема селектора наличия линии; на фиг. 6 - схема бло ка коммутации сигналов управления амплитудой сканирования; на фиг. 7 - схема блока формирования сигналов управления амплитудой сканирования.

Спектрометр содержит монохрома- тор 1 со сканирующим устройством 2, состоящим из зеркала 3, размещенного на рамке, колеблющейся в магнитном поле, электромагнитной системы 4, тремя выходными оптическими щелями 5-7 с фотоприемниками 8-10; выходные оптические щели 5 и 6 фотоприемников 8 и 10 сопряжены с оптической осью монохроматора 1 при помощи све- тоделительной системы 11, обеспечи- вающей смещение по длинам волн в сторону опережения и запаздывания развертки спектра на оптических щелях соответствующих дополнительных каналов по отношению к развертке спектра на оптической щели 7 спектрального канала; блок 12 выделения максимума спектральной линии,блок 13 выделения ширины контура спектральной линии, селектор 14 наличия линии, блок 15 коммутации сигналов управления амплитудой сканирования, блок 16 формирования сигнала управления амплитудой сканирования, устройство 17 управления сканированием, генератор 18 и усилитель 19 мощности.

Блок 12 выделения максимума спектральной линии содержит разностные сумматоры 20-23, компаратор 24 с исцию ширины сканируемого интервала пропорционально ширине регистрируемого контура на заданном уровне от интенсивности в максимуме спектральной линии как при наличии сплошного фона, так и при его отсутствии. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

точником 25 опорного напряжения на инвертирующем входе, компаратор 26 с источником 27 опорного напряжения на неинвертирующем входе и компаратор 28 с источником 29 опорного напряжения на инвертирующем входе, логический элемент НЕ 30 и логический элемент ЗИЛИ-НЕ 31.

Блок 13 выделения ширины контура спектральной линии содержит компараторы 32 и 33 с источниками 34 и 35 опорного напряжения на неинвертирующем входе компаратора 32 и инвертирующее входе компаратора 33 соответственно, одновибраторы 36 и 37, каждый из KOiopbix включает в себя два одновибратора, срабатывающих соответственно по переднему и заднему фронту, и два логических элемента 2И 38 и 39.

Селектор 14 наличия линии содержит интегратор 40 с входным диском и компаратор 41 с делителем 42 опорного напряжения на инвертирующем входе.

Блок 15 коммутации сигналов управления амплитудой сканирования содержит логический элемент НЕ 43, ключ 44 с делителем 45 опорного напряжения на информационном входе,резистор 46 и ключ 47.

Блок 16 формирования сигнала управления амплитудой сканирования содержит управляемые запоминающие устройства 48-50, сумматор 51, аналоговый делитель 52 напряжения, разностный сумматор 53, аналоговый делитель 54 напряжения, сумматор 55, компаратор 56, интегратор 57 и разностный сумматор 58 с источником 59 опорного напряжения на суммирующем входе.

Устройство 17 управления сканированием содержит интегрирующую цепь 60, управляемый аттенюатор 61, управляемое запоминающее устройство 62 и сумматор 63.

51

Спектрометр работает следукхцим образом.

На первом этапе на сканирующее устройство 2 подается постоянная составляющая напряжения для совмещения середины сканируемого интервала с центром регистрируемой линии, а на втором этапе устанавливается величина амплитуды переменного напряжения, подаваемого на сканирующее устройство 2, для приведения ширины сканируемого интервала длин волн в соответствие с шириной регистрируемой линии.

При подаче управляющего напряжения на сканирующее устройство 2 мо- нохроматора 1 электромагнитная система 4 приводит в колебательное движение зеркало 3 вокруг его вертикальной оси и в процессе сканирования по спектру на выходных оптических щелях 5-7 монохроматора 1 осуществляется развертка сдвинутых по длинам волн на одинаковую малую величину Д изображений контура спектральной линии, излучаемой исследуемым объектом, причем развертка изображения контура спектральной линии по длинам волн на выходной щели 6 опережает, а на выходной щели 5 отстает от развертки изображения контура линии на выходной щели 7 на одну и ту же, заранее установленную, величину A ft .

Фотопрнемники преобразуют излучение, поступающее на их чувствительные элементы из соответствующих выходных щелей 7,5 и 6 в электрический сигнал, пропорциональный интенсивности этого излучения. При этом в процессе сканирования на выходах фотоприемников 10 и 8 формируются электрические сигналы, идентичные по форме, но сдвинутые во времени на одну и ту же малую величину

Л И

ut . где v - линейная скорость v

разгертки спектра, причем сигнал на выходе фотоприемника 10 опережает, а сигнал на выходе фотоприемника 8 запаздывает по отношению к сигналу на выходе фотоприемника 9 спектрального канала.

Блок 12 выделения максимума спектральной линии обеспечивает выработку нормированного по амплитуде и длительности фронтов импульса, соответствующего центру регистрируемой линии на интенсивном сплошном Лоне.

785056

Сигнал с выхода фотоприемника 10 по ступает на суммирующий вход разностного сумматора 20, а с выхода фотоприемника 8 - на вычитающий вход разностного сумматора 21. Сигнал с выхода фотоприемника спектрального канала поступает на вычитающий вход разностного сумматора 20 и суммирующий

JQ вход разностного сумматора 21. Сигналы с разностных сумматоров 20 и 21 подаются на инвертирующий и неинвертирующий входы разностного сумматора 23, с выхода которого через неинj вертирующий вход компаратора 28 и логический элемент НЕ 30 уровень логического нуля поступает на первый вход логического элемента ЗИЛИ-НЕ 31. При этом компаратор 28 осуществляет

20 формирование сигнала логической единицы в случае положительной полярности сигнала с выхода разностного сумматора 23 по уровню, задаваемому источником 29 опорного напряжения на

25 инвертирующем входе компаратора 28, а логический элемент НЕ 30 осуществляет инчертирование этого сигнала. Одновременно сигналы с выходов фотоприемников 8 и 10 дополнительных ка0

НРЛОВ поступают на вьчитающий и

суммирующий входы разностного сумматора 22 соответственно, с выхода которого сигнал поступает на неинвертирующий вход компаратора 24 и инвертирующий вход компаратора 26, работа

5 каждого из которых аналогична работе компаратора 28. При этом компаратор 24 формирует сигнал логической единицы по положительной полярности сигнала с выхода разностного сумматора 22, а компаратор 26 - по отрицательной полярности этого же сигнала. Выходные сигналы компараторов 24 и 26 поступают на второй и третий входы логического элемента ЗИЛИ-НЕ 31 и

при наличии спектральной линии в

спектре излучения на выходе этого логического элемента возникает импульс положительной полярности, соответствующий максимуму спектральной линии.

0 Назначение блока 13 выделения ширины контура спектральной линии - преобразование выходных сигналов сумматоров 20 и 21 и инвертора логического элемента НЕ 30 блока 12 в по5 следовательность пар импульсов, первый из которых соответствует началу спектральной линии, а второй ее окончанию при периодическом колебании сканирующего устройства 2, причем при сканировании с коротковолновой в длинноволновую область первый импульс на выходе компаратора 33 формируется в момент первого достижения сигналом на выходе разностного сумматора 20 заданного уровня, Определяемого порогом срабатывания компаратора 33, а второй - в момент второго достижения сигналом на выходе разностного сумматора 21 заданного уровня, определяемого порогом срабатывания компаратора 32. При обратном сканировании с длинноволновой в коротковолновую область формирование импульсов происходит .аналогично, но в обратной последовательности.

Величины порогов срабатывания компараторов 32 и 33 устанавливают минимально возможными, но достаточными для исключения случайных (ложных) срабатываний от шумов приемр- регистрирующих трактов (фотоприемников 8-10 и разностных сумматоров 20 и 21). Для этого с выхода разностного сумматора 20 сигнал поступает на Неинвертирующий вход компаратора 33, а с выхода разностного сумматора 21 на инвертирующий вход компаратора 32 работающих аналогично компаратору 28 при этом компаратор 33 формирует сигнал логической единицы по положительной полярности сигнала с выхо да разностного сумматора 20, а компаратор 32 - по отрицательной полярности сигнала с выхода разностного сумматора 21. С выходов компараторов 32 и 33 сигналы логической единицы поступают на входы одновибрато- ров 36 и 37, которые по передним и задним фронтам этих сигналов формируют импульсы логической единицы, поступающие на вторые входы логических элементов 2И 38 и 39, нл первые входы которых в случае наличия спектральной линии поступает сигнал, соответствующий уровню логического нуля, блокирующий импульс, сформированный компаратором 33 и одновибрато- ром 37 по заднему фронту сигнала с выхода разностного сумматора 20, и импульс,сформированный одновибра- тором 36 по переднему фронту сигнала с выхода разностного сумматора 21 (при сканировании спектра устройством 2 сканирования в длинноволновую область), а также импульс, сформиро ванный компаратором 32 и одновибра i тором 36 по заднему фронту сигнала

0

5

0

5

0

5

0

5

с выхода разностного сумматора 21, и импульс, сформированный одновибра- тором 37 по переднему фронту сигнала (с выхода разностного сумматора 20 при сканировании спектра устройством 2 сканирования в коротковолновую область).

Таким образом, на выходах логических элементов 2И 38 и 39 возникают импульсы логической единицы, соответствующие началу и концу развертки контура спектральной1 линии при сканировании спектра как из коротковолновой области в длинноволно-вую, так чи обратно,

Селектор 14 наличия линии вырабатывает сигнал управления при появлении на его входе импульса с выхода блока 12, при этом входной импульс заряжает конденсатор, подключенный к неинвертирующему входу операционного усилителя в интеграторе 40, выходной сигнал которого поступает на неинвертирующий вход компаратора 41. На инвертирующий вход компаратора 4 с делителя 42 подается положительное напряжение порога срабатывания. Напряжение порога срабатывания выбирают таким, что при поступлении сигнала с выхода блока 12 на вход селектора 14 наличия линии на выходе компаратора 41 поддерживается высокий уровень выходного сигнала в течение двух периодов сканирования (прямого и обратного спектра)..

Блок 15 коммутации сигналов управления амплитудой сканирования предназначен для выработки напряжения управления амплитудой сканирования при отсутствии в спектре линии, которое определяет наибольший диапазон развертки спектра и подключения выхода сумматора 58 блока 16 в цепь управления амплитудой сканирования устройства 17 управления сканированием в случае появления в спектре линии. При отсутствии линии на первом входе блока 15 сигнал отсутствует и -аналоговый ключ 47 закрыт. Так как на входе инвертора логического элемента НЕ 43 сигнала нет, то на его выходе действует высокий уровень выходного сигнала Логическая 1, открывающий аналоговый ключ 44. При этом выходное напряжение делителя 45 через аналоговый ключ 44 и резистор 46 поступает на управляющий (второй) вход устройства 17. При поступлении

с выхода селектора 14 напряжения высокого уровня (вследствие появления в спектре линии) на выходе инвертора (логического элемента НЕ 43) устанавливается напряжение логического нуля, в результате чего аналоговый- ключ 44 закрывается, а аналоговый ключ 47 открывается и выходное напряжение блока 16 через аналоговый ключ 47 и резистор 46 подается на второй управляющий вход устройства 17.

Блок 16 Лорнирования сигнала управления амплитудой сканирования вырабатывает сигнал управления шириной сканируемого спектрального интервала. Для выработки этого сигнала на третий вход блока 16 поступает сигна U д6Ы)( с выхода фотоприемника 9 спектрального канала, который поступает в запоминающие устройства (ЗУ) 48-50 при этом по команде, соответствующей центру спектральной линии в ЗУ 50 запоминается сигнал, соответствующий максимальному значению UMCUC ее интенсивности, а при поступлении на первый и второй входы блока 16 с выходов логических элементов 2И 38 и 39 команд, соответствующих коротковолновой и длинноволновой границам спектральной линии, в ЗУ 48 и 49 запоминаются значения и

9&Ы1

соответствующие коротковолновой и длинноволновой границам линии. Запомненные в ЗУ 48 и 49 значения Ugbwj складываются сумматором 51 и их полусумма с делителя 52 поступает на вычитающий вход разностного сумматора 53, на суммирующий вход которого с выхода ЗУ 50 поступает сигнал, соответствующий значению интенсивности спектральной линии в ее максимуме. Таким образом, на выходе разностного суммматора 53 действует напряжение и/кадкс пропорциональное превышению максимумом спектральной линии уровня фона. Часть этого напряжения (по заданному уровню, например, 0,1 иЛИ4кс) с выхода делителя 54 поступает на первый вход сумматора 55, на втором входе которого присутствует сигнал, пропорциональный уровню фона (с выхода делителя 52). Выходной сигнал сумматора 55, соответствующий сумме иф,+0, ШАМ(КС , поступает на инвертирующий вход компаратора 56, на неинвертирующий вход которого поступает сигнал фотоприемника 9. На выходе компаратора 56 возникает импульсный

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

сигнал нормированной амплитуды, причем скважность импульсов пропорциональна отношению периода сканирования к длительности превышения сигнала )с заданному уровня (в данном случае напряжения U уровня фона

и напряжения 0,1 U

.).

щмакс

Сигнал с выхода компаратора 56 через интегратор 57 поступает на вычитающий вход разностного сумматора 58, на суммирующий вход которого подается напряжение с источника 59 опорного напряжения. Таким образом, при отсутствии линии в спектре на выходе разностного сумматора 58 устанавливается напряжение, равное выходному напряжению источника 59 опорного напряжения, а при появлении линии выходное напряжение разностного сумматора 58 уменьшается пропорцио- нально отношению ширины интервала сканирования к ширине спектральной линии (по заданному уровню 0,1).

Устройство I7 управления сканированием выполняет функцию выработки сигнала управления, обеспечивающего подстройку центра диапазона сканирования на центр спектральной линии и установление оптимальной ширины сканируемого интервала. Подстройка центра диапазона сканирования на центр линии осуществляется путем запоминания управляемым запоминающим устройством 62 мгновенного значения выходного напряжения генератора 18, прошедшего через аттенюатор 61 и второй вход сумматора 63 в момент прохождения центра линии оптической щели и далее, подачи запомненной величины напряжения на первый вход сумматора 63, постоянная составляющая выходного напряжения которого через усилитель 19 мощности поступает на электрический вход сканирующего устройства 2, вызывая постоянное смещение подвижной части электромагнитной системы 4 и соответственно зеркала 3 до совпадения центра диапазона сканирования с центром спектральной линии. При отсутствии спектральной линии как при наличии сплошного фона, так и при его отсутствии устройство осуществляет колебательное движение относительно механического положения равновесия электромагнитной системы 4, так как в этом слу

чае аналоговый ключ управляемого запоминающего устройства 62 закрыт и

напряжение смещения на первом входе

сумматора 63 равно нулю. Установление оптимальной величины диапазона сканирования осуществляется подачей на управляющий вход аттенюатора 61 через интегрирующую цепь 60 и блок 15 выходного напряжения блока 16. Пр этом постоянная времени интегирую- щей цепи 60 выбрана на порядок больше периода сканирования.

Это необходимо для обеспечения последовательного выполнения дпух этапов оптимизации границ сканируемого диапазона: установления центра сканируемого интервала и установления ширины сканируемого интервала.

Следует отметить, что при отсутствии в спектре линии (как при наличии сплошного фона, так и при его отсутствии) сканирующее устройство 2 осуществляет колебательные движения с максимальной амплитудой колебания, величина которой задается положением делителя 45 блока 15, выходное напряжение которого поступает на управляющий вход аттенюатора 61 через интегрирующую цепь 60 и однозначно устанавливает переменную составляющую выходного напряжения устройства 17. При появлении в спектре линии выходное напряжение блока 16 через блок 15 и интегрирующую цепь 60 подается на вход аттенюатора 61, который уменьшает напряжение, подаваемое на второй вход сумматора 63, пропорционально величине сигнала с выхода блока 16, т.е. пропорционально отношению ширины спектральной линии на заданном уровне (например, 0.,) за вычетом фока к ширине сканируемого интервала в данный момент времени. При этом диапазон сканирования спектрометра уменьшается до требуемой величины. Таким образом, обеспечивается оперативная автоматическая коррекция границ сканируемого спектрального - диапазона в соответствии с параметрами контура регистрируемой спектральной линии как при наличии интенсивного сплошного спектра, так и при его отсутствии.

Точность установления центра сканируемого интервала с последующим установлением ширины сканируемого интервала зависит от точности подбора коэффициентов преобразования фотоприемников 8-10 и одинаковости спектрального смещения оптических щелей б и . ( в сторону опережения и запаздывания) относительно оптической ще

Ли 7 спектрального канала. Это осуществляется следующим образом.

На входную оптическую щель спектрометра фокусируется излучение от источника непрерывного спектра (например, абсолютно-черного тела или ленточной лампы), интенсивность которого в интервале длин волн между оптическими щелями 6 и 5 можно считать по0

стоянной. Коэффициенты преобразования фотоприемников 8 и 10 подбирают такими, чтобы сигнал на выходе разностного сумматора 22 стал равен нус лю. После этого регулируют коэффициент преобразования фотоприемника так, чтобы сигналы на выходах разностных сумматоров 20 и 21 стали равны нулю. Далее на входную оптическую

0 щель спектрометра направляют излучение от источника монохроматического излучения. Выходная оптическая щель 7 спектрального канала выводится на максимум линии излучения, что контро5 лируется по максимуму сигнала на выходной шине аналогового сигнала. Плавне изменяя спектральное смещение на щелях 5 и (или 6) с помощью свето- делительнои истемы 11 добиваются равенства нулю сигнала на выходе разностного сумматора 22. При этом изображение спектральной линии на оптических щелях 5 и 6 сдвинуто симметрично относительно изображения этой же линии на щели 7.

5 Спектрометр обеспечивает автоматическую коррекцию ширины сканируемого интервала пропорционально ширине регистрируемого контура на заданном уровне (например, 0,1) от интесивнос0 ти в максимуме 1щакс спектральной линии (за вычетом фона Lp) как при наличии сплошного спектра (фона), так и при его отсутствии.

5 Формула изобретения

5

0

5

Блока формирования сигналов управления амплитудой сканирования, а выход - с вторым входом устройства управления сканированием.

5

0

5

5

рования сигналов управления амплитудой сканирования содержит первое, второе и третье запоминающие устройства, каждое из которых снабжено управляющим и информационным входами и выходом, первый и второй разностные сумматоры, первый и второй сумматоры, первый и второй аналоговые делители напряжения, компаратор, интегратор и источник опорного напряжения, при этом первый, второй и четвертый входы блока формирования сигналов управления амплитудой сканирования соединены с управляющими входами первого,второго и третьего запоминающих устройств соответственно, третий вход блока формирования сигналов управления амплитудой сканирования соединен с информационными входами первого, второго и третьего запоминающих устройств и неинвертирующим входом компаратора, выходы первого и

Фиг 2.

5

0

второго запоминающих устройств соедит йены соответственно с первым и вторым входами первого сумматора, выход которого через первый аналоговый делитель напряжения соединен с вычитающим входом первого разностного сумматора, и вторым входом второго сумматора, выход третьего запоминающего устройства соединен с суммирующим ВУОДОМ первого разностного сумматора, выход которого через второй аналоговый делитель напряжения соединен с первым входом второго сумматора, выход второго сумматора соединен с инвертирующим входом компаратора, выход которого через интегратор соединен с вычитающим входом второго разностного сумматора, источник опорного напряжения соединен с суммирующим входом второго разностного сумматора, выход которого соединен с выходом блока формирования сигналов управления амплитудой сканирования.

ФигЗ

Фиг. б

Составитель С. Иванов Редактор А. Ревин Техред Л.Олийнык

Заказ 1907

Тираж 430

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Корректор т. Палий

Подписное