Двухлучевой фотометр Советский патент 1982 года по МПК G01J1/44 

(54) ДВУХЛУЧЕВОЙ ФОТОМЕТР

1

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использовано в измерениях, требующих высокую точность определения рассеивающих, отражающих и поглощающих свойств различных объектов, в частности в двухлучевых фотометрах и спектрофотометрах.

Известен двухлучевой фотометр, содержащий источник излучения, модулятор, устройство формирования двух лучей, два фотоприемника и регистратор 1.

Наиболее близким техническим рещением к изобретению является двухлучевой фотометр, содержащий источник излучения, оптически связанный через модулятор с устройством формирования двух лучей, один выход которого оптически связан через кювету с первым фотоприемником, который через первый усилитель соединен с первым фильтром высокой частоты, а второй выход оптически связан с вторым фотоприемником, который через второй усилитель соединен с вторым фильтром высокой частоты, причем первый фильтр высокой частоты связан с первым входом делительного устройства, выход которого соединен с регистратором через первый детектор, а второй фильтр

высокой частоты соединен с вторым входом делительного устройства через последовательно соединенные регулируемый усилитель и второй детектор.

В данном устройстве использована модуляция рабочего и контрольного лучей на одной частоте и два пространственно разнесенных приемника излучения, что позволяет устранить влияние фоновых засветок, вести прием и усиление сигналов на несущей тоте, равной частоте модуляции, и получить при этом максимальное быстродействие измерений за счет максимального использования полосы пропускания приемников излучения, что является особенно ценным для высокоомных приемников инфракрасного излучения,

15 обладающих низким быстродействием, узкой полосой пропускания, больщой постоянной времени 2.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерений в широком динамическом диапазоне ввиду наличия следующих факторов: во-первых, точность измерения зависит от стабильности и идентичности характеристик параметров и идентичности характеристик приемников излучения. Большинство типов приемников излучения имеют, значительпую температурную и временную нестаи г.„.;. чувствите,:1 нести, которая не является величиной постоянной для конкретного типа приемников. а меняется от образца к образцу. Ввилу этого отношение чувствительпостей приемников излучения в рабочем и контрольяо.м каналах меняется во времени, что значительно снижает точность измерений. Во-вторых, точность из.мерений зависит от стабильности параметров электронных блоков, входящих в соетав блока обработки сигналов, так как рабочий и контроль.чый сигналы обрабатываются в нараллельны.к каналах. Ввиду этого точность измерений зависит от идентичности параметров каналов. Цель изобретения - - повышение точности измерений в широко.м динамическом диапазоне. Поставленная цель достигается тем, что в двухлучевой фотометр, содержапаий источник излучения, огггически связанный через модулятор с устройством формирования двух лучей, один выход которого оптически связан через кювету с первым фотоприемником, который через первый си;1итель соединен с nepei iM фи.чьтром вьгсокой частоты, а д)угой выход ог тически с вторы.м фотонрие.мнико.ч, который через второй усилите.ль соединен с вторым фи;1ьтро.м высокой частоты, причем первь;й фи;11 тр высокой частоты связан с первым входом делительного устройства, выход которого соединен с регистратором через первый детектор, а второй фильтр высокой частоты соединен с вторым входом дел1-гг(мьпо1() устройства через поеледователы 0 соединенные регулируемый усилитель и второй детектор, введены дополнительный моду-лятор со схемой синхронизации, объектив, доьолнительные фотоприемник, усилитель и детектор, два коммутируемых фильтра низкой частоты, перемножитель, два управляемых ключа, активный фильтр высокой частоты, синхронный детектор и светоделитель, установленный по ходу лучей перед основными фотоприемниками, прием его второй выход оптически связан через дополнительный модулятор и объектив с дополнительным фотоприемником, включенным на входе цени, включающей поеледовательно соединенные дополнительный усилитель, допо.лнительный детектор, первый коммутируемый фильтр низкой частоты, неремножитель, активный фильтр высокой частоты и синхрон;п,|й детектор, выход которого соединен с управляющим входом регулируе.мого уси.-игге.чя, а управляющий вход соединен с выходом схемы синхронизации, с которой также соединены управляющие в.ходы двух управляемых ключей и двух коммутируемых фильгров низкой частоты, причем входы двух управляемых ключей соединены с выходами соответствующих основных детекторов, . а их ги гходы соединены с входом второго коммутируемого фильтра низкой частоты, выход которого соединен с вторьгм входом перемножителя. На чертеже изображена структурная схема устройства. Двухлучевой фотометр содержит источник 1 излучения, модулятор 2, устройство 3 формирования двух лучей, кювету 4, светоделитель 5, первый и второй фотоприемни.411 6 и 7, канал рабочего сигнала, состоящий из последовательно включенных 1 ервого усилите.1я 8, nepBoix) фильтра 9 высокой частсггы (ФВЧ) и nepiioiO детектора 10, канал контро;Ц) с.игнала, состоящий мз втопого усилителя 11, второго ФВЧ 12., peryjiiipveMoro усилите,1я 13 и BTOpoio детсктО)5а 14, цен) ре.гул1;рг)вания, С()ст;) из до :олнительного модулятора 15 со схемой синхронизации, вк;|К)ча1ои1ей источник 16 света, фотоприемник 17 и (popMi-qioFiaTc,;) 18 сипхрои.мну,тьс-ов, обьсктива 1 и, л .огю.п.чите.льного фотоприемника 20. )НОго уси;1ите,:1я 21, (),:|1 ителык)1Ч; дстсктора 22, иервспч) кол МУТ1-руемого (ри. 23 аизкол частоты (Ф|-1Ч), ;1сре -ножите/ я 24 напряжений, BTOfiorx) комлУТ1- р емг);-() ФНЧ 25. двух управляе ;ых г:.лк);ей 2(; ;i 27. активного ФВЧ 28, (;i{. детектора 29, а также де, ительное устройспи) 30 и регистратор 31. .Источник 1 .;з,.1уче|1ия оптически cB i3aii чсгх.з моду,лят()р 2 с устпойст и)м 3 (рормиp(.)BaiiM5 Д11ух /гучей, один котог)ого ;;f(Tii4ecKi ci5H3a;i че)ез кювет 4 с нервьгм ;р(;т(м1рием1 ико 1 6, который чс)ез не|)зый ч:1;1итель 8 соед; ен с нервым (|}и.льтром 9 высокой частоты, а второй выход oiri-ически снязак с BTOpbiM ф()тс)п)иемникс)м 7, который ч(|;ез второй усилитель 1 1 eoeдl eii со .M фи.1ьтром 12 высокой частоты, причем |;ервый фильтр 9 высокой частоты соединен с С) входом дслитслijHoro устройства 30, вьгход которого соединен с регистратором 31 через первый детектор 10. а второй фильтр высокой частоты 12 соединен с вторым вхо.том делителы;ого устройства 30 через иоследовательно еоединенные регулир)е.мый усилитель 13 и второй детектор 14. Светоде.читель 5 установлер; но ходу лучей неред основнььми фотоирие.мниками 6 и 7, ириче.м его второй выход оптически связан через дополнительный модулятор 15 и объектив 19 е допол.чи ельны.м фотогтрие.мнико.1 20, вк,пючеи ц 1м на входе цени, вк;цочающей поеледовательно соединенные донолнительный усилитель 21, дополнительный детектор 22, первый ко.м.мутируе.мый фильтр 23 шзкой частоты, пере.множитель 24, активный фильтр высокой частоты 28 и синхронный детектор 29, выход которого еоединен с управляющи.м входом регулируемого уеилите.ля 13, а управляющий вход соединен с выходом схемы 18 синхронизации, с которой также соединены унравляющие входы двух управляемых ключей 26 и 27 и двух коммутируемых фильтров 23 и 25 низкой частоты, причем входы двух управляемых ключей 26 и 27 соединены с выходами соответствующих основных детекторов 10 и 14, а их выходы соединены с входом второго коммутируемого фильтра 25 низкой частоты, выход которого соединен со вторым входом перемножителя 24. Устройство работает следующим образом Излучение, излучаемое источником 1, модулируется с помощью модулятора 2 и разделяется на два с помощью устройства 3 формирования двух лучей. Образовавщийся рабочий луч направляется на объект исследования в кювете 4, где он ослабляется по мощности. Пройдя объект исследования, рабочий луч направляется в приемную часть оптической системы, где проходит через светоделитель 5, через который проходит и контрольный луч, направленный в приемную часть оптической системы непосредственно из устройства 3. Светоделитель 5 часть энергии лучей пропускает без изменения направления распространения, а часть энергии лучей отражает под некоторым углом к направлению распространения. Прощедщие части лучей попадают на рабочий и контрольный фотоприемники б и 7. Электрический сигнал, адекватный мощности рабочего луча, с выхода первого рабочего фотоприемника 6 поступает в рабочий канал, состоящий из последовательно соединенных усилителя 8, ФВЧ 9 и детектора 10, где происходит соответственно усиление сигнала, выделение амплитудно-модулированного сигнала с несущей частотой и выделение его огибающей. Электрический сигнал, адекватный мощности контрольного луча, с выхода второго контрольного фотоприемника 7 поступает в контрольный канал, состоящий из последовательно соединенных усилителя 11, ФВЧ 12, регулируемого усилителя 13 с коэффициентом передачи близким к единице и детектора 14, где происходит соответственно его усиление, выделение амплитудно-модулированного сигнала с несущей частотой. его дополнительное усиление либо ослабле-. ние и детектирование. Лучи, отраженные от светоделителя 5, под некоторым углом к основному направлению распространения части рабочего и контрольного лучей направляются .на допонительный модулятор 15, выполненный в виде полудиска, который перекрывает их попеременно с низкой частотой. Дополнительный модулятор 15 прерывает также с этой частотой излучение источника 16 света, падающее на фотоприемник 17, с выхода которого электрический сигнал поступает на вход формирователя 18 синхроимпульсов, который формирует на двух своих выходах две периодических импульсных последовательности со скважностью 2, сдвинутые друг относительно друга на половину периода повторения. Промодулированные дополнительным модулятором 15, отраженные части лучей фиксируются с помощью объектива 19 на при- , емную площадку дополнительного фотоприемника 20, выходной электрический сигнал которого усиливается в дополнительном усилителе 21, а затем детектируется в дополнительном детекторе 22, постоянная времени которого примерно такая же, как и у детекторов 10 и 14. Соединенный с дополнительным детектором первый коммутируемый ФНЧ 23 имеет постоянную времени с учетом коммутации не более постоянной времени Т процессов отработки внещних дестабилизирующих воздействий фотоприемника и блоками в рабочем и контрольном каналах, проявляющихся в виде флуктуации их параметров. На выходе коммутируемого ФНЧ 23, благодаря коммутации с помощью синхроимпульсов, поступающих на его управляющие входы с выходов формирователя 18, появляются попеременно ограниченные по спектру со стороны верхних частот огибаю рабочего, то контрольного сигнала. которые подаются на один из двух входов аналогового перемножителя 24. На второй вход аналогового перемножителя 24 поступает сигнал с выхода второго коммутируемого ФНЧ 25, аналогично по параметрам и функционированию первому коммутируемому ФНЧ 23. На входы второго коммутируемого ФНЧ 25 поступают попеременно то рабочий, то контрольный сигналы с выходов детекторов 10 и 14 через управляемые ключи 26 и 27, которые работают синхронно с коммутируемыми ФНЧ благодаря тому, что их соответствующие управляющие входы соединены между собой. В то время, когда замкнут ключ 26 происходит выделение на выходе коммутируемого ФНЧ 25 рабочего сигнала, ограниченного по спектру со стороны верхних частот, когда замкнут ключ 27 происходит выделение ограниченного по спектру контрольного сигнала. Управляющие входы коммутируемых фНЧ 23 и 25 и управляемых ключей 26 и 27 соединены так, что в то время, когда на дополнительный фотоприемник 20 падает часть рабочего луча, и на выходе первого коммутируемого ФНЧ 23 выделяется соответствующий рабочий сигнал, замкнут управляемый ключ 27 и на выходе второго коммутируемого ФНЧ 25 выделяется соответствующий контрольный сигнал, а в перемножителе 24 происходит их перемножение, и наоборот. Вследствие этого на выходе перемножителя 24 выделяется периодический импульсный сигнал со скважностью 2 и с амплитудой переменной составляющей, равной разности полученных при последовательном перемножении сигналов. В активном ФВЧ 28 происходит выделение переменной составляющей произведения, поступающего с выхода перемножителя 24, и ее максимально возможное усиление. С выхода ФВЧ 28 максимально усиленный сигнал поступает на вход синхронного детектора 29, управляющий вход которого соединен с одним из выходов формирователя 18 синхроимпульсов. Синхронный детектор 29 детектирует разностный сигнал на низкой частоте с постоянной времени не более t. Выход синхронного детектора 29 соединен с управляющим входом регулируемого усилителя 13. Полярность выходных сигналов синхронного детектора 29 выбрана таким образом, что увеличение коэффициента передачи рабочего канала (включая коэффициент пропускания светоделителя 5, чувствительность фотоприемника 6, коэффициенты передачи усилителя 8, первого ФВЧ 9, детектора 10), также уменьшение коэффициента передачи контрольного капала (включая коэффициент нропуска 1ия светоделителя 5 чувствительность фотоприемника 7, коэффициенты передачи усилителя 11, второго ФВЧ 12, регулируемого усилителя 13, второго детектора (14) приводит к увеличению коэффициента усиления регулируемого усилителя 13, и наоборот, то есть происходит подстройка коэффициента передачи контрольного канала под коэффициент передачи рабочего канала. Ввиду того, что сигнал рассогласования, выделяемый на выходе активного ФВЧ 28, пропорционален разности коэффициентов передачи рабочего и контрольного каналов, начиная от светоделителя 5 и кончаядетекторами 10 и 14, коэффициент же усиления активного ФВЧ 28 имеет максимально возможную величину и имеется отрицательная обратная связь по петле регулирования, контрольный канал совместно с цепями управления коэффициентом усиления регулируемого усилителя 13 образуют замкнутую систему автоматического регулирования коэффициента передачи контрольного канала. Причем в этой системе автоматического регулирования сигнал рассогласования на входе активного ФВЧ 28 за счет большого его коэффициента усиления поддерживается близким к нулю, то есть разность коэффициентов передачи рабочего и контрольного каналов при увеличении коэффициента передачи активного ФВЧ 28 стремится к нулю. За, счет этого подстройка коэффициентов передачи каналов производится с высокой точностью. С выходов детекторов 10 и 14 рабочий и контрольный сигналы поступают на входы цифрового делителя 30, который производит аналого-цифровое преобразование сигналов и вычисление их отношения в цифровом виде. Синхронизация работы этого блока осуществляется сигналами, вырабатываемыми внутри этого блока. Сигнал отношения двух сигналов - рабочего и контрольного, пропорциональный коэффициенту пропускания (отражения) объекта исследования, в цифровом виде поступает в регистратор 31, в качестве которого могут служить микро-ЭВМ, цифровой накопитель, цифровой индикатор, устройство подготовки данных (УПД). В данно.м устройстве значительно снижепо влияние- из.менения чувствительности фотоприемников 6 и 7 и коэффициентов передачи блоков, входящих в рабочий и контрольный канал за счет использования системы автоматического регулирования. В такой же степени в данном устройстве снижено влияние на точность измерений не идентичности блоков, входящих в параллельные каналы обработки рабочего и контрольного сигналов. Эти преимущества позволили получить высокую точность обработки сигналов в широком динамическом диапазоне изменения измеряемого параметра и рабочих температур. Данное устройство по точности измерений аналогично двухлучевым фотометрам с одним приемно-регистрирующим каналом, в которых использовано частотное либо временное разделение сигналов, а по быстродействию превосходит их в несколько раз. Использование автоматической подстройки коэффициентов передачи каналов исключает необходимость периодических калибровок устройства, что значительно упрощает его использование и сокращает время на «прогрев до минимума. Все указанные преимущества позволили получить в данном устройстве точность обработки и регистрации не менее 1% в динамическом диапазоне изменения измеряемого параметра, в 1000 раз в щироком диапазоне рабочих температур. Формула изобретения Двухлучевой фотометр, содержащий источник излучения, оптически связанный че()ез модулятор с устройством формирования двух лучей, один выход которого оптически связан через кювету с первым фотоприемником, который через первый усилитель соединен с первым фильтром высокой частоты, а другой выход оптически связан с вторым фотоприемником, который через второй усилитель соединен с вторым фильтром высокой частоты, причем первый фильтр высокой частоты связан с первым входом делительного устройства, выход которого соединен с регистратором через первый детектор, а второй фильтр высокой частоты соединен с вторым входом делительного устройства через последовательно соединенные регулируемый усилитель и второй детектор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений фотометра, в него введены дополнительный модулятор со схемой синхронизации, объектив, дополнительные фотоприемники, усилитель и детектор, два коммутируемых фильтра низкой частоты, перемножитель, два управляемых ключа, активный фильтр высокой частоты, синхронный детектор и светоделитель, установленный по ходу лучей перед основными фотоприемниками, причем его второй выход оптически связан через дополнительный модулятор и объектив с дополнительным фотоприемником, включенным на входе цепи, включающей последовательно соединенные дополнительный усилитель, дополнительный детектор, первый коммутируемый фильтр низкой частоты, перемножитель, активный фильтр высокой частоты и синхронный детектор, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого усилителя, а управляющий вход соединен с выходом схемы синхронизации, с которой также соединены управляющие входы двух управляемых ключей и двух коммутируемых фильтров низкой частоты, причем входы двух управляемых ключей соединены с выходами соответствующих основных детекторов, а их выходы соединены с входом второго коммутируемого фильтра низкой частоты, выход которого соединен с вторым в содом перемножителя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2.Патент ФРГ № 2140335, кл. G 01 J 1/10, опублик. 1973 (прототип).