Устройство для измерения индикатрис рассеяния света Советский патент 1990 года по МПК G01N21/47 

Изобретение относится к оптическим устройствам для изучения размеров,; формы и электромагнитных свойств частиц по угловому распределению рассеян-g кого ими света.

Целью изобретения является расшире- . jfttie динамического диапазона измеряе- ., ; Aix амплитуд рассеянного света при Ьхранении точности измерений.ю

На фиг. 1 представлена оптико-меха- ническая схема предлагаемого устройства для измерения индикатрис рассея- ния света; на фиг. 2 - блок-схема,

устройства.15

Устройство содержит (фиг. 1) источник 1 излучения, последовательно расположенные на пути излучения электрически управляемьй оптический ослаби- тель 2, неподвижную призму 3, приз- 20 му 4, снабженную механизмом 5 вращения, диск-модулятор 6, жестко закрепленный на валу механизма 5 вращения, с расположенными по окружности отверстиями, причем электрически управляе- 25 мый оптический ослабитель 2 размещен на пути излучения -между источником 1 излучения и неподвижной призмой 3,

оптически замыкаю1чнеся через отверстия в диске-модуляторе 6 оптронные ЗО пары 7 и 8 реперов начала цикла сканирования и реперов угла сканирования соответственно, соосные кольцевые зеркала 9 и 10, выполненные в виде вогнутых сфер и расположенные софокус- 35 но между собой по обе стороны неподвижной призмы 3 соосно с осью вращения призмы 4. Кроме того, устройство содержит плоские зеркала 11 - 13, расположенные в фокусах зеркал 9 и 10 ДО под углом к световому потоку (в частности, угол наклона равен 45°), фотоприемник 14 прямого излучения, расположенныи на пути потока излучения источника 1, отраженного зеркалом 11, фотоприемник 15 рассеянного излучения измерительного канала и фотоприемник

16 рассеянного излучения вспомогательного канала, расположенные на пути потоков излучения, отраженных зеркалами 50 12 и 13, причем зеркала 11 и 12 установлены в диаметрально противоположных фокусах кольцевых зеркал 9 и 10,

а зеркало 13 установлено с возможностью перемещения совместно с фотопри- 55 емником 16 по окружности, в плоскости,, центр которой совпадает с осью сим- .метрик софокусных зеркал 9 и 10, а плоскость перпендикулярна этой оси.

45

5 О

0

5 ,

5

Устройство содержит также последовательно включенные (фиг. 2) разностный сумматор 17, линейный детектор 18 и преобразователь 19 напряжение - частота, блок 20 сравнения, формирователь 21 кода управления, логический элемент 2 ИЛИ 22, первый одновибратор 23, RS-триггер 24, второй одновибратор 25, логический элемент 3 ИЛИ 26, третий и четвертьм одновибраторы 27 и 28, формирователь 29 управляющего на- пряже-ния, усилитель 30, синхронизатор 31, коммутатор 32 регистрируемого сигнала, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 33 и регистр 34. При этом вычитающий вход разностного сумматора 17 подключен к электрическому входу фотоприемника 15 и первому входу коммутатора 32, а суммирующий вход - к электрическому выходу фотоприемника 16, выход преобразователя 19 напряжение-частота подключен к первому входу логического элемента 3 ИЛИ 26, второй и третий входы которого подключены соответственно к электрическому выходу оптронной пары 8 реперов угла сканирования и к управляющему выходу коммутатора 32. Установочный вход синхронизатора 31 подключен к электрическому выходу оптронной пары 7 реперов начала цикла, выход синхронизатора 31 подключен к управляющему входу регистратора 34, информационный вход А1Щ 33 подключен к информационному выходу коммутатора 32, второй вход которого подключен к электрическому выходу фотоприемника 14 прямого излучения, электрические выходы приемников 15 и 16 подключены соответственно к первому и второму входам блока 20 сравнения, первый и второй выходы которого подключены соответст- , венно к первому и второму входам формирователя 21 кода управления и к первому и второму входам логического элемента 2 ИЛИ 22, выход которого через первый одновибратор 23 подключен к S-входу RS-триггера 24, выход которого через второй одновибратор 25 подключен к третьему входу формирователя 21 кода управления, первый выход которого подключен к первому входу формирователя 29 управляющего напряжения, второй вход которого объединен с четвертым входом формирователя 21 кода управления и подключен к третье- му входу логического элемента 3 ИЛИ 26, выход которого через третий одновибратор 27 подключен к R-входу КЗ- триггера 24, а через четвертьй одно- вибратор 28 - к уп11авляющим входам АЦП 33 и синхронизатора 31, причем выход формирователя 29 управляющего напряжения через усилитель 30 подключен к элeктpичecкo fy входу управляемого оптического ослабителя 2, а втодостигается подбором коэффициентов преобразования фотоприемнйков (регулировкой коэффициентов передачи встроенных в фотоприемники 15 и 16 предварительных усилителей перед началом эксперимента). Сигнал фотоприемника 15 опережает сигнал фотоприемника 16 во времени на интервал ,

рой выход формирователя 21 кода управ- где оэ - угловая скорость вращения ления подключен к второму информаци- призмы 4. При попадании отраженного онному входу регистра 34.зеркалом 11 потока излучения на оптиПеремещение по окружности фотопри- ческий вход фотоприемника 14 на его емника 16 с зеркалом 13 позволяет электрическом выходе возникает сигнал,

15 пропорциональный интенсивности нерассеянного излучения, которьй через информационный выход комму ГатЬра 32 регистрируемого сигнала поступает на информационный вход АЦП 33. Одновремен20

регулировать время опережения развертки индикатрисы на фотоприемнике 16 рассеянного излучения вспомога т ельног о канала по отношению к развертке индикатрисы рассеянного излуI чения на фотоприемник 15 измерительного канала.

Устройство работает следуюи м образом.

Поток от источника 1 излучения проходит через управляемый оптический ослабитель 2 и, отражаясь от призм 3 и 4 и кольцевьпс зеркал 9 и 10, попадает на следую 5ий объект. Далее он проходит через центр исследуемого объекта под различными углами по отношению к первоначальному направлению потока излучения в зависимости от углового положения призмы 4. Рассеянное частицами излучение после отражения от кольцевого зеркала 10 собирается в фокусе 7 и, отражаясь от поверхностей зеркал 12 и 13, попадает на фотоприемники 15 и 16 соответственно.

В.процессе развертки по углу (путем вращения призмы 4) на электрических вькодах фотоприемников 15 и 16 возникают идентичные по форме и равные по величине сигналы, пропортдаоно управляющий выходной сигнал коммутатора 32 через свой управляющий выход поступает на вход логического элемента 3 ИЛИ 26, с выхода которого через одновибратор 28 поступает на уп25 равляющй вход АЦП 33. При этом цифровая кодовая комбинация, соответст- вующая измеренной величине интенсивности, поступает на цифровой регистратор 34 (оперативное запоминающее

30 устройство (ОЗУ) с, ЭВМ.

Электрические сигналы фотоприемников 15 и 16 Поступают на вход разностного сумматора 17, выходной сигнал которого пропорционален их разности.

35 Линейный детектор 18 производит коммутацию сигналов отрицательной полярности так, что на его выходе формируется сигнал прямо пропорциональный модулю скорости изменения сигнала на

40 выходе фотоприемника 15. Да.- ее одно- полярныр сигнал с выхода линейного детектора 18 поступает на вход преобразователя 19 напряжение-частота, частота выходных импульсов которого

нальные интенсивности рассеянного из- 45 пропорциональны модулю разности сиг- лучения. Эти сигналы сдвинуты между налов фотопреобразователей 15 и 16. Iсобой на время, пропорциональное за- Выходные импульсы преобразователя 19 ранее заданному углу ЛЦ , определяемо- через логический элемент 3 ШШ 26 и му положением зеркал 12 и 13 и фотоприемников 15 и 16 в плоскости, про- 50 ходящей через фокусы кольцевых зеркал 9 и 10 и соответственно, равному углу между оптическими осями, проходякшми через центры зеркал 12 и 13 и ось симметрии кольцевых зеркал 9 и 10. 55

J

Обеспечение равенства амплитуд этих

сигналов, соответствующих одинаковым Означениям утла между падающим на. объект и рассеянным световыми потоками.

одновибратор 28, срабатываюп гй по заднему фронту этих импульсов, поступают на управляющий вход А1Щ 33. Кроме этого на управляюр ий вход АЦП через . логический элемент 3 ИЛИ 26 поступают выходные импульсы реперов угла поворота. Выходные импульсы логического элемента 3 ИЛИ 26 поступают на уп- . равляю 1ие входы АЦП 33 и синхронизатора 31, где осуществляется вре- менная привязка импульсов запуска

достигается подбором коэффициентов преобразования фотоприемнйков (регулировкой коэффициентов передачи встроенных в фотоприемники 15 и 16 предварительных усилителей перед началом эксперимента). Сигнал фотоприемника 15 опережает сигнал фотоприемника 16 во времени на интервал ,

- где оэ - угловая скорость вращения призмы 4. При попадании отраженного зеркалом 11 потока излучения на оптипропорциональный интенсивности нерассеянного излучения, которьй через информационный выход комму ГатЬра 32 регистрируемого сигнала поступает на информационный вход АЦП 33. Одновремен

но управляющий выходной сигнал коммутатора 32 через свой управляющий выход поступает на вход логического элемента 3 ИЛИ 26, с выхода которого через одновибратор 28 поступает на управляющй вход АЦП 33. При этом цифровая кодовая комбинация, соответст- вующая измеренной величине интенсивности, поступает на цифровой регистратор 34 (оперативное запоминающее

устройство (ОЗУ) с, ЭВМ.

Электрические сигналы фотоприемников 15 и 16 Поступают на вход разностного сумматора 17, выходной сигнал которого пропорционален их разности.

Линейный детектор 18 производит коммутацию сигналов отрицательной полярности так, что на его выходе формируется сигнал прямо пропорциональный модулю скорости изменения сигнала на

выходе фотоприемника 15. Да.- ее одно- полярныр сигнал с выхода линейного детектора 18 поступает на вход преобразователя 19 напряжение-частота, частота выходных импульсов которого

пропорциональны модулю разности сиг- налов фотопреобразователей 15 и 16. Выходные импульсы преобразователя 19 через логический элемент 3 ШШ 26 и

одновибратор 28, срабатываюп гй по заднему фронту этих импульсов, поступают на управляющий вход А1Щ 33. Кроме этого на управляюр ий вход АЦП через . логический элемент 3 ИЛИ 26 поступают выходные импульсы реперов угла поворота. Выходные импульсы логического элемента 3 ИЛИ 26 поступают на уп- . равляю 1ие входы АЦП 33 и синхронизатора 31, где осуществляется вре- менная привязка импульсов запуска

.7160

АЦП 33. Управлякяцие импульсы синхронизатора 31 по команде с логического элемента 3 ИЛИ 26 синхронно с циф- ровой комбинацией с выхода АЦП 33 поступают в регистратор 3 (оперативное запоминающее устройство ЭВМ). Таким образом осуществляется преобразование аналогового сигнала в цифровой код и прием его регистратором 34 с часто- той, пропорциональной скорости измене ния амплитуды рассеянного светового потока в зависимости от угла, что обеспечивает рациональное использование объема памяти регистратора 34 при сохранении точности.

Управление величиной потока излучения на выходе электрически управляемого оптического ослабителя 2,осу

8

ния. Кавдый акт перехода пороговых уровней в блоке 20 сравнения фиксируется формирователем 21 кода управления согласованно с временем опроса по выходным импульсам преобразователя 19 напряжение - частота и импульсам реперов угла сканирования с выхода оптронной пары 8. Выходная цифровая комбинация формирователя 21 кода управления поступает, на формирователь

29управляющего напряжения, вьпсодное напряжение которого через усилитель

30поступает на электрический вход электрически управляемого ослабителя 2, вызывая при этом изменение его коэффициента пропускания. Кроме того, выходная цифровая комбинация формирователя 21 кода управления поступает

Изобретение относится к оптическим устройствам для излучения размеров, формы и электромагнитных свойств частиц по угловому распределению рассеянного ими света. Цель изобретения - расширение динамического диапазона измеряемых амплитуд рассеянного света при сохранении точности измерений. Для этого сигналы фотоприемника 15 рассеянного излучения, фотоприемника 16 вспомогательного канала подаются на блок 20 сравнения, и по величине большего из них формирователь 21 кода управления вырабатывает цифровую комбинацию, однозначно определяющую необходимую кратность ослабления потока лазера для согласования мощности излучения на выходе управляемого оптического ослабителя 2 с динамическим диапазоном облученности чувствительных элементов фотоприемников 15 и 16. Цифровая комбинация с выхода формирователя 21 кода управления, преобразованная в управляющее напряжение формирователем 29 управляющего напряжения, через усилитель 30 поступает на вход электрически управляемого оптического ослабителя 2. Благодаря этому осуществляется автоматическое изменение амплитуды падающего на исследуемую среду светового потока в зависимости от амплитуды регистрируемого рассеянного светового потока, вследствие чего облученность фотоприемников 15 и 16, регистрирующих рассеянный световой поток, автоматически поддерживается в строго заданном, оптимальном с точки зрения погрешности измерений, динамическом диапазоне. Это позволяет измерять индикатрисы рассеяния, степень "вытянутости" которых порядка десяти и более. 2 ил.

ществляется следующим образом. Сигна- 2о на второй информационньй вход регилы фотоприемников 15 и 16 поступают на входы блока 20 сравнения, где в процессе измерения непрерывно осуществляется сравнение величин их значестратора 34. Разделение массивов информации по циклам сканирования производится по команде прерьшания, поступающей с электрического выхода оп

ний с верхней и нижней границами за- 25 ронной пары 7 начала-цикла

35

данных пороговых уровней. При выходе одного из сигналов, поступающих на - первьш и второй входы блока 20, из зоны, определяемой- заданными пороговыми, уровнями на первом или на втором выходах блока 20 возникает напряжение Логической единицы. Это .вызывает изменение состояния с логического нуля на логическую единицу выхода логического элемента 2 ИЛИ 22 ,и в момент этого перехода одновибратор 23 формирует сигнал, постзтающий на S-вход US-триггера 24. Установка в нулевое состояние RS-триггера 24 осуществляется короткими по длительности импуль-40 сами с выхода одновибратора 27, формируемыми по передним фронтам импульсов с выхода логического элемента 3 ИЛИ 26, т.е. всей последовательности импульсов опроса АЦП 33. Таким образом, 45 только в том случае, если прямой выход RS-триггера 24 был установлен в нулевое состояние и при поступлении на его S-вход выходного импульса одно- вибратора 23, его прямой вькод пере- 50 ходит в docтoяниe логической единицы, а последующий импульс опроса с выхода одновибратора 23 вновь возвращает прямой выход RS-триггера 24 в состояние логического нуля, по заднему фронту сигнала с прямого выхода RS-тригге- ра 24 одновибратор 25 формирует синхроимпульс, поступающий на третий ..вход формирователя 21 кода управле30

55

стратора 34. Разделение массивов информации по циклам сканирования производится по команде прерьшания, поступающей с электрического выхода опт5 ронной пары 7 начала-цикла

5

0 45 50 на установочньй вход синхронизатора 31. Таким образом, в процессе эксперимента в регистраторе 34 формируются массивы информации: цифровые коды с выхода 0 АЦП 33, соответствующие амплитудным значениям рассеянного светового потока в момент запуска АЦП 33, и интенсивности излучения источника 1 в мо- мент развертки по углу, цифровые коды времени следования импульсов запуска .АЦП 33, однозначно связанные с текущим значением угла поворота призмы 4, и цифровые комбинации, однозначно определяющие величину падающего на объект потока во все моменты опроса АЦП 33. В результате устройство обеспечивает автоматическое изменение интенсивности излучения, направляемого на исследуемый объем в зависимости от амплитуды рассеянного светового потока.

Благодаря этому облученность фотоприемников, регистрируюп.щх рассеянный поток, автоматически поддерживается в строго заданном, оптимальном (с точки зрения минимума погрешности измерений) динамическом диапазоне, что обеспечивает сохранение высокой точности измерений в широком диапазо- не изменений амплитуды рассеянного

светового потока.

Формула изобретения

Устройство для измерения индикатрис рассеяния света, содержащее ис55

точник излучения, последовательно расположенные по ходу излучения неподвижную призму и призму, снабженную механизмом вращения, два соосных кольцевых зеркала, выполненных в виде вогнутых сфер и расположенных софо- кусно по обе стороны неподвижной призмы, причем первое из них расположено соосно с осью вращения призмы, два плоских зеркала, расположенных под углом к оси потока излучения в диаметрально противоположных фокусах кольцевых зеркал перед фотоприемниками прямого излучения и рассеян- ного излучения измерительного канала, диск-модулятор, жестко закрепленный на валу механизма вращения призмы, оптически замыкающиеся через отверстия в диске-модуляторе оптронные па- ры реперов начала гщкпа и реперов угла сканирования, фотоприемник рассеянного излучения вспомогательного канала с плоским зеркалом, установленным под углом к оси потока излуче- ния, в фокусе кольцевых зеркал со . смещещ1ем относительно плоского зеркала, установленного перед фотоприемником рассеянного излучения измерительного канала в направлении, проти- воположном вращению призмы, с возможностью перемещения совместно с фотоприемником рассеянного излучения вспомогательного канала по окружности в плоскости, проходящей через фокусы кольцевых зеркал, оси симметрии которых совпадают с центром окружности, разностный сумматор, линейный детектор, преобразователь напряжение - частота, синхронизатор , коммутатор сигнала, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), логический элемент ИЛИ 3 и регистратор, при этом вычитаюпд й вход разностного сумматора подключен к электрическому выходу фотоприемника рассеянного излучения измерительного канала и первому входу коммутатора, суммирующий вход разностного сумматора подключен к электрическому выходу фотоприемника рассеянного излучения вспомогательного канала, выход сумматора через последовательно включенные линейный детектор и преобразова- тепь напряжение - частота подключен к первому входу логического элемен- та ИЛИ 3, второй и третий входы кото рого подключены соответственно к электрическому выходу оптронной пар

реперов угла сканирования и управляющему выходу коммутатора, установоч- ньй вход синхронизатора подхшючен к электрическому выходу оптронной пары начала цикла, выход синхронизатора подключен к управляющему входу регистратора, информащюнный вход которого подключен к выходу АЦП) информационный вход А1Ш подключен к информационному выходу коммутатора, второй вход которого подключен к электрическому выходу фотоприемника прямого излучения, отличающееся тем, что, с целью расширения динамического диапазона измеряемых амплитуд рассеянного света при сохранении точности измерений, в него введены управляемый оптический ослабитель, расположенный на пути излучения между источником излучения и неподвижной призмой блок сравнения, формирователь кода управления, формирователь управляющего напряжения, логический элемент ИЛИ 2, усилитель, RS-триггер и четыре од- новибратора, при этом электрические выходы фотоприемников рассеянного излучения измерительного и вспомогательного каналов подключены соответственно к первому и второму входам блока сравнения, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам формирователя кода управления и первому и второму входам логического элемента И.ПИ 2, выход которого через первый одновиб- ратор под1шючен к S-входу RS-триггера выход которого через второй одновиб- ратор подключен к третьему входу фор- .мирователя кода управления, лервый выход которого подключен к первому входу формирователя управляющего на- ,пряжения, второй вход которого объединен с четвертым входом формироватепя кода управления и подключен к третьему входу логического элемента ИЛИ 3, выход которого третий одновнбра тор подключен к R-входу RS-триггера, а через четвертый одновибратор - к управляю вдм входам АЦП и синхронизатора, причем выход формироватепя управляющего напряжения через усилитель подключен к электрическому входу -ii- равляемого оптического ослабителя, а второй выход формирователя кода управления подключен к второму информационному входу регистратора.

Фаг.

8