Способ определения оптических характеристик образца и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использовано при фотометрических измерениях в медицине, химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Известны спектрофотометр и способ спектрофотометрий. Спектрофотометр содержит источник излучения, световоды, направляющие свет к исследуемому органу и от него, детектор излучения, регистрирующий по меньшей мере четыре луча с характерными длинами волн, усилитель и систему регистрации с микропроцессором. Для них характерны низкая точность и узкий динамический диапазон измерений.

Наиболее близким к изобретению является способ определения оптических характеристик образца, заключающийся в освещении образца, выделении требуемого спектрального интервала и формировании

фототока с последующим усилением и регистрации напряжения, пропорционального интенсивности прошедшего излучения, устройство содержит последовательно установленные оптический блок, включающий набор светофильтров, фотоприемник, предварительный усилитель и схему регистрации, включающую аналого-цифровой преобразователь (АЦП) микропроцессор, таймер и схему ввода-вывода.

Недостатками этих способа и устройства являются узкий динамический диапазон, обусловленный большим разбросом предельных значений фототока в различных спектральных интервалах излучения и соответственно малым значением отношения наиболее низкого предела измерения к пороговой чувствительности схемы регистрации. Их низкая точность обуславливается малым соотношением сигнал-шум для минимального предела измерения, а также им- пульсными помехами во время аналого-цифрового преобразования, создаваемыми непрерывной работой микропроцессора.

Например, при использовании в качестве источника света галогенной лампы, а в качестве фотоприемника фотоэлемента Ф- 25 сигнал на его выходе на длине волны излучения 546 нм в 100 раз превышает сигнал на длине волны 300 нм. А поскольку динамический диапазон и точность устройства определяются отношением наиболее низкого предела измерения к величине порога чувствительности, большой разброс значений сигнала фотоприемника на разных длинах волн излучения сокращает на величину этого разброса используемый динамический диапазон регистрирующей схемы и снижает точность устройства.

Величина порога чувствительности определяется значением напряжения шума и величиной наводок, обусловленных работой микропроцессора, на выходе калибровочного усилителя.

Целью изобретения является расширение динамического диапазона и точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения оптических характеристик образца, заключающемся в освеще- нии исследуемого образца потоком излучения, выделении требуемого спектрального интервала излучения, формировании фототока, пропорционального интенсивности прошедшего излучения, преобразовании фототока в напряжение и регистрации напряжения, предварительно в отсутствии образца определяют спектральный диапазон освещающего потока излучения с минимальным значением фототока, затем ослабляют потоки излучения в остальных спектральных диапазонах до уравнивания соответствующего значения

фототока с минимальным, а напряжение на входе схемы регистрации устанавливают максимально допустимым.

Поставленная цель достигается также тем, что в устройстве для определения оптических характеристик образца, содержащем последовательно установленные оптический блок, включающий устройство формирования пучка излучения, по ходу лучей которого последовательно установлены

кювета для исследуемого образца и блок светофильтров со схемой их установки, фотоприемник, соединенный с входом предварительного усилителя с резистором в цепи обратной связи и схему регистрации, содержащую программируемый усилитель, АЦП, генератор, а также микропроцессор, запоминающее устройство, таймер, схему ввода- вывода и внешний интерфейс, соединенные посредством шины интерфейса, причем

первый и второй выходы генератора соединены с первыми входами соответственно микропроцессора и таймера, первый выход которого соединен с первым входом АЦП, второй вход которого соединен с выходом

программируемого усилителя, выход АЦП соединен с первым входом схемы ввод-вывода, первый выход которой соединен со схемой установки светофильтров, а второй - с первым входом программируемого усилителя, второй вход которого соединен с выходом предварительного усилителя, последовательно с каждым светофильтром, за исключением одного, спектральный диапазон которого соответствует минимальному

значению фототока, установлен сменный ослабитель, таймер снабжен дополнительными входом и двумя выходами, а схема ввода-вывода - дополнительным выходом, резистор в цепи обратной связи предварительного усилителя выполнен подстроеч- ным, дополнительный вход таймера соединен с дополнительным выходом схемы ввода-вывода, а первый дополнительный выход таймера соединен с входом

запуска АЦП, а второй - с входом захвата микропроцессора.

На чертеже изображена блок-схема устройства для определения оптических ха- рактеристик образца.

Устройство содержит последовательно установленные оптический блок 1, фотоприемник 2, предварительный усилитель 3 с резистором 4 в цепи обратной связи, схему 5 регистрации.

Оптический блок 1 включает последовательно установленные набор 6, например, из восьми светофильтров 7 с ослабителями 8 со схемой 9 установки светофильтров, устройство 10 формирования пучка и исследуемый образец 11.

Схема 5 регистрации включает АЦП 12, микропроцессор 13, таймер 14, схему 15 ввода-вывода, генератор 16, запоминающее устройство (ЗУ) 17, внешний интерфейс 18, шину интерфейса 19 и программируемый усилитель 20.

Сигнальный вход программируемого усилителя 20 является входом схемы 5 регистрации. Вход управления программируемого усилителя 20 соединен с вторым выходом схемы 15 ввода-вывода, выход с входом АЦП 12. Выход АЦП 12 соединен с первым входом схемы 15, вход запуска с первым дополнительным выходом таймера 14. Вход тактовых импульсов АЦП 12 соединен с первым выходом таймера 14.

Схема 15 ввода-вывода, микропроцессор 13, таймер 14, ЗУ 17, внешний интерфейс 18 соединены с шиной интерфейса 19.

Дополнительный вход таймера 14 соединен с дополнительным выходом схемы 15 ввода-вывода, второй дополнительный выход-с входом захвата микропроцессора 13. Первый выход генератора 16 соединен с входом микропроцессора 13, а второй - с входом таймера 14. Первый выход схемы 15 ввода-вывода соединен со схемой 9 установки светофильтров.

Пропускание каждого ослабителя 8, прикрепленного, например, склейкой, перед светофильтром 7 из набора 6 выбрано таким образом, чтобы значение фототока на выходе фотоприемника 2 при отсутствии исследуемого образца 11 для всех светофильтров с ослабителями было приблизительно равно значению фототока для светофильтра с его минимальным значением. Перед этим светофильтром ослабитель не устанавливается.

Резистор 4 в цепи обратной связи предварительного усилителя 3 установлен такой величины, что выходное напряжение усилителя при отсутствии исследуемого образца близко к максимально допустимому для схемы регистрации.

Устройство 10 формирования пучка может быть выполнено в виде галогенной лампы накаливания и объектива с диафрагмами, формирующим параллельный пучок излучения.

Программируемый усилитель 20 может быть выполнен в виде операционного усилителя с ЦАП с регистром, в цепи обратной связи.

Набор длин волн излучения устройства определяется его областью использования.

Например, фотометры для биохимических исследований предназначены для работы в спектральном диапазоне от 300 до 650 нм. Характеристики устройства выделения спектральных интервалов, например набора интерференционных светофильтров, мало зависят от длины волны излучения (коэффициент пропускания, полуширина). Поэтому разброс фототока определяется спектральными характеристиками источника света и фотоприемника. Максимальное напряжение на выходе калибровочного усилителя соответствует максимальному фототоку. Это напряжение путем установки соответствующего значения сопротивления

в цепи обратной связи устанавливают равным максимальному входному напряжению схемы регистрации. При большом разбросе фототока предельное напряжение на длине волны излучения 300 нм может быть в 100

раз меньше, чем в диапазоне 500-600 нм. Динамический диапазон фотометра Д равен

AUmln и

Unop

где Umin - минимальное предельное напря- жение для данного примера, на длине волны излучения 300 нм;

Unop - пороговая чувствительность фотометра.

Сущность способа состоит в том, что поток излучения в каждом спектральном интервале ослабляют, например, установкой ослабителя из нейтрального стекла, до уровня фототока спектрального интервала с минимальным его значением. Для этого в приведенном примере последовательно со светофильтром, выделяющим излучение с длиной волны, например, 546 нм устанавливают ослабитель с коэффициентом пропуекания 0,01. Таким образом, устанавливают равные предельные значения фототоков во всем спектральном диапазоне фотометра. Предельное напряжение на выходе калибровочного усилителя устанавливают снова

равным максимальному входному напряжению схемы регистрации, для чего резистор обратной связи увеличивают в

l Umax Umin

где Umax - мксимальное входное напряжение схемы регистрации, равное предельному напряжению спектрального интервала с наибольшим фототоком для фотометра без ослабления пучка.

При этом динамический диапазон фотометра за счет увеличения в К раз минимального напряжения увеличивается. При неизменной пороговой чувствительности это увеличение составило бы также К раз. Однако реальный выигрыш в увеличении динамического диапазон меньше ввиду увеличения чувствительности к импульсным помехам и возрастания напряжения шума резистора Roc в цепи обратной связи, пропорционального Roc.

Импульсные помехи в измерительных цепях фотометра, содержащего микропроцессор, вызываются переключениямиуровней сигналов шины интерфейса и постоянными обращениями микропроцессора к ЗУ и схеме ввода-вывода. По цепям общих проводов, питания, а также в виде электромагнитных наводок эти помехи проникают на вход предварительного усилителя. Для блокирования импульсных помех на время аналого-цифрового преобразования в предлагаемом фотометре реализована схема блокирования в виде дополнительного входа и выходов таймера, переводящего микропроцессор на время преобразования в состояние захвата, при котором его выводы переходят в высокоимпеденсное состояние и не производятся переключения уровней сигналов.

Поскольку напряжение полезного сигнала увеличивается в К раз, а уровень шума в VK раз, соотношение сигнал-шум увеличивается в А/КГраз. Таким образом, динамический диапазон и точность фотометра увеличивается в раз.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии в ЗУ 17 записаны программы, соответствующие выполняемым функциям прибора: Установка светофильтра, Измерение сигнала, Обработка результатов измерений. С помощью внешнего интерфейса 18 в ЗУ 17 занесен код устанавливаемого светофильтра.

Работа микропроцессора 13 синхронизируется сигналами с первого выхода генератора 16. На вход тактовых импульсов АЦП 12 с выхода таймера 14 поступают им- ч пульсы с второго выхода генератора 16 с частотой, определяемой коэффициентом деления частоты, записанным в таймер 14 микропроцессором 13 через шину 19 интерфейса. Первый дополнительный выход таймера 14 запрограммирован на выдачу импульса запуска АЦП заданной длительности по поступлению импульса.на дополнительный вход таймера от схемы 15

ввода-вывода. Второй дополнительный выход таймера запрограммирован на выдачу импульса захвата микропроцессора с длительностью не менее длительности цикла

преобразования АЦП по поступлению импульса на дополнительный вход таймера.

Устройством 10 формирования пучка формируется световой поток, поступающий на исследуемый образец 11 и далее через

0 один из светофильтров 7 с ослабителем 8 из набора 6 на фотоприемник 2, где преобразуется в фототок. Протекая через резистор 4 в цепи обратной связи предварительного усилителя 3, фототок преобразуется в на5 пряжение, поступающее на вход схемы регистрации 5 и вход программируемого усилителя 20, который через схему 15 ввода- вывода, шину 19 интерфейса запрограммирован микропроцессором 13 на исходный

0 коэффициент усиления, например, единичный. Усиленный сигнал с выхода программируемого усилителя 20 поступает на сигнальный вход АЦП 12, где по команде запуска с третьего дополнительного выхода

5 таймера 14 и тактовым сигналам с его первого выхода преобразуется в код П, По окон- чании цикла преобразования код измерительного сигнала с выхода АЦП 12 через схему 15 ввода-вывода и шину 19 ин0 терфейса поступает в микропроцессор 13.

Работа фотометра начинается с установки микропроцессором 13 через шину 19 интерфейса, схему 15 ввода-вывода и схему 9 установки светофильтра, светофильтра не5 обходимого для выполняемых измерений, из состава набора 6.

После, этого микропроцессор 13 через шины 19-интерфейса, схему 15 ввода-вывода подбирают необходимый для выполняе0 мого измерения коэффициентусиления, при котором обеспечивается оптимальный для АЦП 12 уровень входного сигнала, например не менее половины максимального напряжения.

5 Через шину 19 интерфейса, схему 15 ввода-вывода на дополнительный вход таймера 14 микропроцессор 13 подает команду запуска АЦП, С первого дополнительного выхода таймера 14 сигнал запуска поступа0 етна вход запуска АЦП 12, по которому АЦП начинает цикл преобразования. Одновременно с второго дополнительного выхода таймера 14 на вход захвата микропроцессора 13 поступает сигнал захвата, переводя5 щий микропроцессор в состояние захвата на время аналого-цифрового преобразования.

По окончании импульса захвата микропроцессор 13 через шину 19 интерфейса и схему 15 ввода-вывода принимаете выхода

АЦП, завершившего преобразование, код измеренного сигнала. После набора заданного программой числа измерений микропроцессор обрабатывает их и через шину 19 интерфейса и внешний интерфейс 18 выдает результат измерений.

Формула изобретения

1.Способ определения оптических характеристик образца, заключающийся в освещении исследуемого образца потоком излучения, выделении требуемого спектрального диапазона прошедшего излучения, формирования фототока, пропорционального интенсивности прошедшего излучения, преобразования фототока в напряженней регистрации напряжения, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона и повышения точности измерений, предварительно в отсутствии образца определяют спектральный диапазон освещающего потока излучения с

. минимальным значением фототока, затем ослабляют потоки излучения в остальных спектральных диапазонах до уравнивания соответствующего значения фототока с минимальным, а напряжение на входе схемы регистрации устанавливают максимально допустимым.

2.Устройство для определения оптических характеристик образца, содержащее последовательно установленные оптический блок, включающий устройство формирования пучка излучения, по ходу лучей которого последовательно установлены кювета для исследуемого образца и блок светофильтров со схемой их установки, фотопрйемник, соединенный с входом предварительного усилителя с резистором в

цепи обратной связи и схему регистрации, содержащую программируемый усилитель, аналого-цифровой преобразователь, генератор, а также микропроцессор, запоминающее устройство, таймер, схему ввода-вывода и внешний интерфейс, соединенные посредством шины интерфейса, причем первый и второй выходы генератора соединены с первыми входами соответственно микропроцессора и таймера, первый выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен с выходом про- граммируемого усилителя, выход

аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом схемы ввода-вывода, первый выход которой соединен со схемой установки светофильтров, а второй - с первым входом программируемого усилителя,

второй вход которого соединен с выходом предварительного усилителя, отличающееся тем, что, с целью расширения динамического диапазона и повышения точности измерений, последовательно с каждым светофильтром, за исключением одного, спектральный диапазон которого соответствует минимальному значению фототока, установлен сменный ослабитель, таймер снабжен дополнительными входом

и двумя выходами, а схема ввода-вывода - дополнительным выходом, резистор в цепи обратной связи предварительного усилителя выполнен подстроечным, дополнительный вход таймера соединен с

дополнительным выходом схемы ввода-вывода, а первый дополнительный выход таймера соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, а второй - с входом захвата микропроцессора.

Способ определения оптических характеристик образца и фотометр для его осуществления. Использование: оптико- электронное приборостроение, фотометрические измерения в медицине, химической, пищевой и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: поток излучения в каждом спектральном интервале, кроме интервала с минимальным предельным значением фототока, перед измерением в отсутствие образца ослабляют, уравнивая соответствующее предельное значение фототока с минимальным, а напряжение на выходе предварительного усилителя устанавливают пропорциональным отношению максимального предельного значения фототока к минимальному. При этом последовательно с каждым светофильтром, за исключением светофильтра с наименьшим значением произведения интенсивности выделяемого пучка излучения на спектральную чувствительность фотоприемника, установлен ослабитель с пропусканием, обратно пропорциональным значению этого произведения, резистор в цепи обратной связи увеличен кратно отношению максимального из значений указанного произведения к минимальному, схема регистрации включает аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, таймер и схему ввода-вывода, причем дополнительный вход таймера соединен с выходом схемы ввода-вывода, первый дополнительный выход таймера соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, а второй - со входом захвата микропроцессора. 2 с.п.ф-лы, 1 ил. СО С го GJ 4 О1 СП