Цифровой способ оптических измерений физических величин Советский патент 1993 года по МПК G11B15/08 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для цифровой регистрации физических величин с помощью оптических датчиков, в которых модулируется светопропускание их световодных трактов, и может использоваться в метрологии при определении све- топропускания(прозрачности) и экстинкции (ослаблении) открытых или закрытых световых каналов.

Целью изобретения является повышение функциональных возможностей измерения светопропускания светопроводящего тракта.

На фиг. 1 и 2 показаны схема устройства, реализующего цифровой способ оптических измерений, и временные диаграммы прохождения импульса опроса по его оптоэлектронному и светопроводящему трактам; на фиг. 3 и 4 представлены номинальные передаточные характеристики датчиков оптической плотности и линейных ускорений,

Измерительное устройство содержит оптический передатчик (ОП) импульсов 1, светопроводящий тракт 2 с первичным измерительным преобразователем (ПИП) 3, фотоприемник (ФЛ) 4, электронный регене00

.«а

О

ю о

00

ратор импульсов (ЭРИ) 5 и регистрирующее устройство (РУ) 6, содержащее, например, измеритель временных интервалов (ИВИ) и блок управления (БУ), который производит запуск .стартового импульса и остановку процесса рециркуляции импульса после его проходов через ЭРИ. В состав оптоэлект- ронного регенератора (ОЭР) входят фотоприемник, электронный регенератор импульсов и оптический передатчик. Электронный регенератор включает компаратор напряжений и формирователь электрических импульсов заданной амплитуды и формы. В качестве ЭРИ может, например, использоваться ждущий мультивибратор с напряжением порога срабатывания Un 0. Такое техническое решение схемы ЭРИ позволяет с его помощью проводить сравнение напряжения фронта поступающего на него импульса с нэп ряжением Un и в момент их совпадения генерировать, следующий импульс с восстановлением амплитуды и формы. Вследствие того, что регенерация импульса в ЭРИ происходит на каждом такте его прохода через ептоэлектронный тракт ОЭР в устройстве возможна длительная рециркуляция одиночного импульса.

На примере датчика оптической плотности турбидиметрического типа рассмотрим принцип действия изображенного на фиг. 1 измерительного устройства. Датчик оптической плотности турбидиметрического типа основан на измерении светопропускания оптического тракта в области его ПИП в проходящем свете. Блок управления посылает в ЭРИ сигнал запуска, по которому на выходе электронного регенератора ге,нерирует- ся стартовый электрический импульс. Далее в оптическом передатчике он преобразуется в оптический импульс с амплитудой 10 и длительностью Јф0 фронта, На фиг, 2 этот оптический импульс обозначен номером 1.

После прохождения оптического тракта импульс поступает на фотоприемник. Время задержки т0 импульса в светопроводя- щем тракте Г0 L/C, где с - скорость в вакууме, I гп длина-оптического пути, представляющая собой произведение протяженности Јсветопроводящего тракта на его показатель преломления п. При этом амплитуда оптического импульса определяется величиной К светопропускания ПИП, которое может изменяться в диапазоне 0 Km К 1. где Km - минимально возможное светопропускание оптического тракта. Если К- 1, то амплитуда оптического импульса на входе в фотоприемник равна 10

0

(N2A на фиг. 2). При К Кт амплитуда импульса равнз KI0(N2B на фиг. 2). В фотоприемнике с коэффициентом А оптоэлектронного преобразователя оптический импульсе амплитудой преобразуется в электрический с напряжением (импульсы N3A и N26 на фиг. 2). Далее электрический импульс направляется в электронный регенератор ЭРИ, где сначала производят, сравнение текущего значения напряжение фронта импульса с заданным напряжением Un порога и в момент их равенства регенерируют следующий электри5 ческий импульс стандартной амплитуды и формы (N4A и N4B на фиг. 2). Как следует из фиг. 26, момент срабатывания регенератора зависит от амплитуды пришедшего на него импульса. А так как А const и I0

0 const, то он определяется величиной К. Для импульса (N3A) с.амплитудой (К 1) срабатывание регенератора происходит раньше, чем для импульса с амплитудой KmAl0 (К Кт 1). Поэтому и стандартные импульсы

5 (N4A и N145) на выходе регенератора будут проявляться через разное время. Соответствующая временная задержка т (К) импульса, определяемая светопропусканием К оптического тракта, сохранится и после пре-.

0 образования электрического импульса в оптический (N5A и N5B на фиг. 2) с помощью оптического передатчика. Таким образом, время т (К) одного такта рециркуляции по замкнутым в кольцо оптоэлектронным и све- топроводящему трактам устройства равно:

Г|(К)Г0+ГЭЛ+Т(К),

где То иГэл -время задержки импульса в с вето про водящем и оптоэлектронном тракте соответственно;

Г (К) - задержка импульса в регенера- а торе, обусловленная величиной светопропу- 5 скания оптического тракта.

Как следует из фиг. 2, в приближении постоянной скорости нарастания напряжения фронта импульса:

0

50

Г(К) 1Ш

Гфо

В этом случае, время тм(К) трактов рециркуляции импульса равно:

tN (К) N Гфо + N (То + Гэл ) . .

Таким образом, в описанном датчике оптической плотности светопропускание К

его светопроводчщего тракта и частота N/tN(K) . рециркуляции импульса связаны между собой однозначной функциональной зависимостью, что позволяет по частоте рециркуляции (или обратной ей величине) судить об измеряемом светопропусканий К. Если же светопропускание К является функцией любой другой физической величины X, то появляется возможность реализовать заявляемый способ и при измерении этих величин X, Отметим, что а настоящее время известно множество технических решений оптических измерительных преобразователей, в которых физические величины различной природы (механической, акустической, тепловой, электромагнитной и т.д.) преобразуются в соответствующие им измерения светопропускэния К оптических трактов.

Для того, чтобы датчик оптической плотности, работающий в диапазоне изменения светопропускания от К - 1 до К- Кмик мог проводить измерения К с гарантированным разрешением Л К требуется определить амплитуду оптического импульса, при которой он с заданной вероятностью отказа Р сможет N раз регенерироваться электронным регенератором. Дело в том, что амплитуда импульса является случайной величиной, центрированной на значении 0 с дисперсией Um, которая соответствует среднеквадратичному напряжению шума импульсов. Поэтому всегда существует отличная от нуля вероятность того, что в момент прихода импульса в регенератор амплитуда импульса будет меньше уровня порога. 8 этом случае регенерация импульса станет невозможной л процесс рециркуляции прервется вследствие так называемой пороговой ошибки. В прототипе, когда светопропускание является постоянной величиной, вероятность пороговой ошибки определяется интегралом ошибок Гаусса:

erf

А

Г А 10 -Urn

L V91L Г

В нашем же случае модулируется свето- пропускакие оптического импульса от 0 до Kmlo, где Km минимально регистрируемая величина светопропускания { Кт «.1). Поэтому амплитуда 0 оптического импульса определяется в соответствии с условием:

где А - коэффициент оптоэлектронного преобразования фотоприемника; Un -постоянное напряжение порога; Р - вероятность отказа за время одного измерения; Dm среднеквадратичное напряжение шума импульсов.

Указанные величины являются нормируемыми параметрами оптоэлектрон- ных блоков датчика и, следовательно, определяются по их паспортам и ТУ. Например, если оптоэлектронный регенератор выполнен на ТТЛ микросхемах с применением фотоприемного модуля МФП-1 ОДО 336.0U4 ТУ, то Um 5 В, А - Ю5 В/Вт, и

ип 16. Тогда при Km 0,1 получим, что lo 2:0,12 мВт оптической мощности. Выберем амплитуду оптического импульса ,2 мВт,

Далее, выбрав величину 0 0,2 мВт, определим длительность гф0 фронта импульса:

25

ДТ А (1 -АК) гф0 ---NTJk AT--

()

где АК-гарантируемое разрешение измеряемого светопропускания;

А Т - разрешающая способность используемого измерителя временных интервалов (например, для приборов типа И2-24 величина АТ 2 -1(Г9 с).

Согласно выражению () при заданных значениях Д.К-КГ4, Д Т , М Ю4

и 10 0,2 мВт, длительность фронта импульсов и скорость его нарастания соответственно равны:

гф0 К 5 -10 6мВт/с.

На фиг. 3 показаны номинальные передаточные характеристики датчика оптической плотности для случаев тф0 с (нижняя кривая) и Гф0 1,2-10 с (верхняя кривая). Ввиду нелинейного характера зависимостей гарантированным разрешением ДК является разрешение в пологой части передаточной характеристики, т.е.

вблизи К 1. Расчет tw() и tN(R 0,9999) v-4

для N 10 показывает, что их разность;

55

t ц)4 (К - 0,9999) - t ю4 К 1,0000) - 2 Ю

-9

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для цифровой регистрации физических величин с помощью оптических датчиков, в которых модулируется светопропускание их световодных трактов. С целью повышения точности измерения светопропускания све- топроводящего тракта генерируют электрический импульс, преобразуют его в оптический, направляют в светопроводя- щий тракт, модулируют измеряемой величиной, преобразуют оптический импульс в электрический, направляют его в электронный регенератор и определяют момент появления импульса в нем, в соответствии с которым генерируют следующий электрический импульс с такой же как у первоначального амплитудой, формой и длительностью осуществляют рециркуляцию импульса по замкнутым в кольцо светопроводящему и оптоэлектронному тракту путем N повторений указанных операций и судят об измеряемой величине по частоте рециркуляции импульса. При этом измеряемой величиной модулируют амплитуду оптических импульсов, в электронном регенераторе нарастающее напряжение фронта импульса сравнивают с пороговым напряжением, а момент появления импульса в электронном регенераторе определяют по равенству напряжения фронта импульса и порогового напряжения. 4 ил. ел С

Г Km А L Й

о Un

2 Цп

Ј

- N

численно равна заданной величине А Т 2-КГ9 с. Это позволяет сделать вывод о том, что в рассмотренном датчике светспро- пускания оптическая плотность измеряется

с гарантированным разрешением. ДК 10 во всем диапазоне изменения светопропу- скания от К 1 до К Km 0,1.

cb о р м у л а и з о б р ете н и я

,. ОПТОЭЛЕКТРОНВДЙ РЕГЕНЕРАТОР

Кмин 1

А 1с - Un

s

р

N

где Кмин - минимальная величина светопро- пускания;

А - коэффициент оптоэлектронных преобразований;

10 - начальная амплитуда оптического импульса;

Un- пороговое напряжение;

Um - среднеквадратичное напряжение импульсов;

Р - вероятность отказа за время измерения;

N - число тактов регенерации импульса.

Тфо &

/А т Ар -Дк)10 NUnAK

Јо т 7эл - TQJ,

где А Т - разрешающая способность временных измерений; А - коэффициент оптоэлектронных преобразований;

А К - гарантированное разрешение;

10 - начальная амплитуда оптического импульса;

N-число тактов регенерации импульса;

Un - пороговое напряжение;0

Т0 и гэл время задержки импульсов соответственно в светопроводящем и опто- электронном тракте;

гр - время релаксации оптоэлектрвн- ного регенератора:

Ш ЮЪ ,сек

1,3250 .

,5 не.

1,3225.

6V/

I.32QP

.

25 50 75

Фиг. U

UtJKfV

do

не

dЈM

da

.ез-§