Фотометр Советский патент 1991 года по МПК G01J1/44 

Фиг 1

Изобретение относится к оптоэлект- ронной технике и может быть использовано при фотометрировании стационарных световых потоков, имеющих широкий динамический диапазон по освещенности.

Известен фотометр на основе фотодиода, включенного в цепь обратной связи операционного усилителя, в котором под действием светового потока происходит разряд предварительно заряженной барьерной емкости фотодиода. При этом момент равенства значений линейной функции, описывающей разряд барьерной емкости фотодиода, величине некоторой заданной опорной функции, реализуемой специальным генератором, фиксируется на временной оси 1

Такой фотометр характеризуется существенной зависимостью точности измерений от стабильности уровня заряда барьерной емкости фотодиода (1)н) и начального напряжения специального генератора

(Uon).

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является фотометр, содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, инвертирующий вход - с катодом фотодиода, а выход - с анодом последнего и инвертирующим входом компаратора, вторым входом подключенного к выходу генератора линейно спадающего напряжения, а выходом - к входу одновибратора, подключенного к управляющим входам генератора линейно спадающего напряжения и коммутирующего элемента, коммутируемые входы которого подключены к образцовому источнику напряжения и генератору компенсирующего тока, а выход - к катоду фотодиода 2. Сущность рассматриваемой схемы состоит в определении моментов равенства напряжений: определяемого интегральной освещенностью фотодиода с выхода операционного усилителя и линейно спадающего напряжения генератора. Частота указанных событий, фиксируемых компаратором, каждое переключение которого инициирует повторный заряд барьерной емкости фотодиода и, следовательно, повторение цикла работы устройства, пропорциональна интенсивности измеряемого излучения.

Известному устройству присуща погрешность измерений, обусловленная нестабильностью параметров схемы, и прежде всего уровнем заряда барьерной емкости фотодиодами)и начального напряжения генератора линейно спадающего на- пряжения (Uon) из-за температурного

дрейфа системы, дробовых и радиационных шумов фотодиода, других нестационарных внешних воздействий. При относительном изменении UH, равном 611н, относительное

изменение периода следования выходных импульсов известной схемы составляет

6Т - 6UH/(1 + UOH/UH,

а поскольку для известного устройства принимается UH Uon, то 6Т 6UH/2.

0 Целью изобретения является повышение точности измерений интенсивности стационарных световых потоков.

В устройство, содержащее операционный усилитель, неинвертирующий вход ко5 торого соединен с шиной нулевого потенциала, инвертирующий вход - с катодом фотодиода, а выход - с анодом последнего и первым входом компаратора, вторым входом подключенного к выходу генератора

0 линейно спадающего напряжения, а выходом - к входу одновибратора, коммутирующий элемент, первый и второй коммутируемые входы которого подключены соответственно к образцовому источни5 ку напряжения и к генератору компенсирующего тока, а выход - к катоду фотодиода, введены формирователь уровня опорного напряжения, устройство выборки- хранения и линия задержки, при этом фор0 мирователь уровня опорного напряжения входом соединен с анодом фотодиода, а выходом - с информационным входом устройства выборки-хранения, подключенного управляющим входом к выходу одновибра5 тора, а выходом - к входу уровня опорного напряжения генератора линейно спадающего напряжения, линия задержки входом соединена с выходом одновибратора, а выходом - с управляющими входами генерато0 ра линейно спадающего напряжения и коммутирующего элемента.

На фиг.1 приведена структурная схема фотометра; на фиг.2 - схема формирователя уровня опорного напряжения; на фиг.З - то

5 же, вариант.

Фотометр содержит фотодиод 1, операционный усилитель (ОУ) 2, компаратор 3, генератор 4 линейно спадающего напряжения, одновибратор 5, линию 6 задержки,

0 коммутирующий элемент 7, образцовый источник 8 напряжения, генератор 9 компенсирующего тока, формирователь 10 уровня опорного напряжения, устройство 11 выборки-хранения (УВХ).

5 Фотометр работает следующим образом.

Начало цикла измерений инициирует импульс с выхода одновибратора 5, который переводит УВХ 11 в режим хранения, и че- вез временной интервал, необходимый для

уверенного срабатывания УВХ, обеспечиваемый линией 6 задержки, подключает инвертирующий вход усилителя 2 через коммутирующий элемент 7 к образцовому источнику 8 напряжения. На выходе операционного усилителя 2 устанавливается отрицательное напряжение UH, вызывающее заряд барьерной емкости фотодиода 1. На основе формирователя 10 уровня опорного напряжения формируется опорный потенциал Uon для генератора 4, фиксируемый на время одного цикла измерения УВХ 11. Uon представляет собой сдвиг относительно UH в положительную область на фиксируемый интервал Усдв 2 IUHI, что не только стабилизирует интервал I UH, Uon I исдв, но и обеспечивает равенство I UH t I Uonl.

По окончании импульса одновибратора 5 производится запуск генератора 4 линейно спадающего напряжения и коммутирующий элемент 7 подключает к инвертирующему входу усилителя 2 генератор 9 компенсирующего тока. При этом барьерная емкость фотодиода начинает разряжаться под действием падающего светового потока и темнового тока фотодиода. Компенсация последнего производится током генератора 9. В момент пересечения возрастающего напряжения с выхода усилителя 2 и убывающего с выхода генератора

4происходит переключение компаратора 3, что приводит к перезапуску одновибратора

5и повторению цикла работы фотометра. В силу неопределенного состояния на выходе операционного усилителя 2 в момент включения устройства первый цикл измерения не учитывается, что не сказывается на общей точности измерения, поскольку периодичность последующих циклов постоянна и зависит лишь от интенсивности светового потока.

В соответствии с предлагаемой структурой напряжение Uon для генератора линейно спадающего напряжения есть функция величины UH(Uon f(UH)). Вид оператора f выбирается так, что обеспечивается стабильность разности I UH Uon I при различных внешних воздействиях (флуктуациях параметров системы). При этом суммарная погрешность формирования интервала Т, обусловленная нестабильностью UH и Uon, как следует из соотношения

T ki D-k2/UH-Uon. где Ф-световой поток;

ki и k2 - коэффициенты, характеризующие разряд барьерной емкости под действием света и формирование линейно

спадающего напряжения соответственно, стремится к нулю.

Возможные схемы реализации формирователя 10 уровня опорного напряжения 5 приведены на фиг.2 и 3. В случае использования только операционного усилителя напряжение смещения ТСм выбирается исходя из условия Есм Uon.

В отличие от известных фотометров

0 предлагаемый обладает повышенной точностью измерений в широком динамическом диапазоне за счет введения и использования зависимости опорного потенциала генератора линейно спадающего напряжения

5 Uon от начального напряжения заряда барьерной емкости UH при формировании Uon. При этом благодаря стабильности разности I UH - Uonl погрешность измерений, обусловленная изменениями UH и Uon, из-за темпе0 ратурн ого дрейфа параметров электронных узлов устройства, собственных шумов фотоприемника стремится к нулю. Применение предлагаемого устройства особенно эффективно при измерении интенсивности сла5 бых световых потоков.

Формула изобретения Фотометр, содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевбго потенциала, ин0 вертирующий вход - с катодом фотодиода, а выход - с анодом последнего и первым входом компаратора, вторым входом подключенного к выходу генератора линейно спадающего напряжения, а выходом - к вхо5 ду одновибратора. коммутирующий элемент, первый и второй коммутируемые входы которого подключены соответственно к образцовому источнику напряжения и к генератору компенсирующего тока, а вы0 ход - к катоду фотодиода, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности измерений интенсивности стационарных световых потоков, в него введены формирователь уровня опорного напряжения, уст5 ройство выборки-хранения и линия задержки, при этом формирователь уровня опорного напряжения входом соединен с анодом фотодиода, а выходом - с информационным входом устройства выборки-хра0 нения, подключенного управляющим входом к выходу одновибратора, а выходом - к входу уровня опорного напряжения генератора линейно спадающего напряжения, линия задержки входом соединена с выхо5 дом одновибратора, а выходом - с управляющими входами генератора линейно спадающего напряжения и коммутирующего элемента.

Фт.1

Фм. 3

Изобретение относится к оптико-электронной технике и может использоваться для фотометрирования стационарных световых потоков, имеющих широкий динамический диапазон по освещенности. Целью изобретения является повышение точности измерений интенсивности стационарных световых потоков. Устройство содержит операционный усилитель 2 с фотодиодом 1. компаратор 3, генератор 4 линейно спадающего напряжения, одновибратор 5, линию 6 задержки, коммутирующий элемент 7, образцовый источник 8 напряжения, генератор 9 компенсирующего тока, устройство 11 выборки-хранения, в котором происходит запоминание значения напряжения, соответствующего начальному напряжению на барьерной емкости фотодиода 1. Это значение является опорным для генератора 4 линейно спадающего напряжения. 3 ил. с 43