Цифровой способ оптических измерений физических величин

 

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 светопроводящего тракта генерируют электрический импульс, преобразуют его в оптический, направляют в светопроводящий 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

СОГОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sIlS 6 11 В 15/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 4888453/10 (22) 06.12,90 (46) 23.04.93. Бюл. N 15 (71) Ташкентский научно-исследовательский институт проектирования. (72) А. В. Бочкарев, И.M.Îâ÷èè Hèêoa, А.Л.Шлифер и Г.А,Юдин (56) Авторское свидетельство СССР

N 1477092, кл,G 11 В 15/00, 1985. (54) ЦИФРОВОЙ СПОСОБ ОПТИЧЕСКИХ

ИЗМЕРЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН (57) 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 светопроводящего тракта генерируют электрический импульс, преобразуют его s оптический, направляют в светопроводящий тракт, модулируют измеряемой величиИзобретение относится к измерительной технике, предназначено для цифровой регистрации физических величин с помощью оптических датчиков, в которых мо. дулируется светопропускание их световодных трактов, и может использоваться в метрологии при определении светопропускания (прозрачности) и экстинкции (ослаблении) открытых или закрытых световых каналов, Целью изобретения является повышениефункциональных возможностей измере. ния светопропускания светопроводящегс тракта.

» . Ы, 1810908 А1 ной, 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 первоначальногс амплитудой, формой и длительностью. осуществляют рециркуляцию импульса по замкнутым в кольцо светопроводящему и оптоэлектронному тракту путем Й 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.

На фиг. 1 и 2 показаны схема устройст- С ва, реализующего цифровой способ оптиче- 09 ских измерений, и временные диаграммы прохождения импульса спроса 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 (ФП) 4, электронный регене1810908 ратор импульсов (ЭРИ) 5 и регистрирующее устройство (PY) 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 оптоэлектронного 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 U > О.

Такое техническое решение схемы ЭРИ позволяет с его помощью проводить сравнение напряжения фронта поступающего на него импульса с напряжением U< 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 турбиди летрического 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 генерируется стартовый электрический импульс. Далее в оптическом передатчике он преобразуется в оптический импульс с амплитудой Io u длительностью тф фронта, На фиг. 2 этот оптический импульс обозначен номером 1.

После прохождения оптического тракта импульс поступает на фотоприемник. Вре мя задержки то импульса в светопроводящем тракте to= L/c, где с — скорость в вакууме, L = f n — длина оптического пути, представляющая собой произведение протяженности светопроводящего тракта на его показатель преломления и. При этом амплитуда оптического импульса определяется величиной К светопропускания

ПИП, которое может изменяться в диапазоне 0 < К = К < 1, где Km — минимально возможное светопропускание оптического тракта. Если К=- I, то амплитуда оптического импульса на входе B Фотоприемник равна 4

40 светопроводящем и оптоэлектронном тракте соответственно;

r(K) — задержка импульса в регенера- торе, обусловленная величиной светопропускания оптического тракта.

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

< (K) — — фо

K A Io

В этом случае, время tg(K) трактов рециркуляции импульса равно;

® ч (К) = K А т Ф, + 1 (т о + т;, ) .

Таким образом. в описанном датчике оптической плотности светопропускание К (N2A на фиг. 2). При К = Km амплитуда импульса равна KIo (N25 на фиг. 2). В фотоприемнике с коэффициентом А оптоэлектронного преобразователя оптический импульсс амплитудой К4 преобразуется в электрический с напряжением АК4 (импульсы N3A и й2Б на фиг. 2). Далее электрический импульс направляется в электронный регенератор ЭРИ, где сначала производят. сравнение текущего значения напряжение фронта импульса с заданным напряжением 0п порога и в момент их равенства регенерируют следующий электри15 ческий импульс. стандартной амплитуды и формы (N4A и М4Б на фиг. 2). Как следует из фиг. 26, момент срабатывания регенератора зависит от амплитуды АК4 пришедшего на него импульса. А так как А = const и 4 =

2p=const, то он определяется величиной К. Для импульса (N3A) с.амплитудой А4(К = 1) срабатывание регенератора происходит раньше, чем для импульса с амплитудой Кп А4 (К= — Km < 1). Поэтому и стандартные импульсы

25 (N4A и й14Б) на выходе регенератора будут и роя вляться через разное время, Соответствующая временная задержка т; (К) импульса, определяемая светопропусканием К оптического тракта, сохранится и после преЗО образования электрического импульса в оптический (N5A и К5Б на фиг. 2) с помощью оптического передатчика. Таким образом, время т1 (К) одного такта рециркуляции по замкнутым в кольцо оптоэлектронным и светопроводящему трактам устройства равно;

1810908 его светопрояадщего гракта и частота

N/tN(K) . рециркул я ции импульса связаны между собой однозначной функциональной зависимостью, что позволяет по частоте рециркуляции (или обратной ей величине) судить об измеряемом светопропускании К, Если же светопропускание К является функцией любой другой физической величины

Х, та появляется вазможность реализовать заявляемый способ и при измерении этих величин Х. Отметим, что в настоящее время

: известно множество технических решений оптических измерительных преобразователей, в которых физические величины различной и ри роды (механической, акустической, тепловой, электромагнитной и т,д.) преобразуются всоответствующие им измерения светопропускания К оптических тра кто в.

Для тога, чтобы датчик оптической плотности, работающий в диапазоне изменения светопропускания от К =- 1 до К = Кмис 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 регенерираваться электронным регенератаром. Дело в том, что амплитуда импульса является случайной величиной, центрированной на значении 4 с дисперсией Urp, которая соответствует среднеквадратичному напряжению шума импульсов.

Поэтому всегда существует отличная от нуля вероятность того, чта в момент прихода импульса в регенератор амплитуда импульса

«удет меньше уровня порога. В этом случае

;>егенерация 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.

В нашем ие случае модулируется светопропускание оптического импульса от lp до

K lp, где К минимально регистрируемая величина светопропускания (К л «1). Поэтому амплитуда Ip оптического импульса определяется в соответствии с условием:

ГКп1 Alp — Up((Р

ЬТ А (1 — ЛК к

25 где Л К вЂ” гарантируемое разрешение измеряемого светопропускания;

Л Т вЂ” разрешающая способность используемога измерителя временных интервалов (например, для приборов типа И2 — 24 величина ЛТ = 2 10 с).

Согласно выражению (+) при заданных ях ЛК 10-4 -Г 2.10-9 104

35 и lp = 0,2 мВт, длительность фронта импульсов и скорость его нарастания соответственно равны: гфо =4 10 с; =5 10 мВт/с. гфо

На фиг. 3 показаны номинальные передаточные характеристики датчика аптиче— 8 ской плотности для случаев тф, = 4 10 с (нижняя кривая) и typ = 1,2.10 с (верхняя кривая), Ввиду нелинейного характера зависимостей гарантированным разрешением

AC является разрешение в пологой части

50 передаточной характеристики, т,е. вблизи К = 1. Расчет tg(K=1) и ти(й = 0,9999) для N =- 10 "показывает, что их разность; — 9

t i(y tK 0,9999) — t ip" (K-!,000(И" 2 10 с

55 численно равна заданной величине Л Т =

=2 10 с, Это позволяет сделать вывод о том, что в рассмотренном датчике светопропускания оптическая плотность измеряется где А — коэффициент оптоэлектронного преобразования фотоприемника; U -постоянное напряжение порога; Р— вероятность отказа за время одного измерения; Ut,—

5 среднеквадратичное напряжение шума импульсов.

Указанные величины являются нормируемыми параметрами оптоэлектронных блоков датчика и, следовательно, опре10 деляются по их паспортам и ТУ. Например, если оптоэлектронный регенератор выполнен на ТТЛ микросхемах с применением фотоприемного модуля МФП вЂ” 1 ОДО

338,004ТУ,To U =5 10 В,А=10 "В/Вт,и

U = 1B. Тогда при Km = 0,1 N = 104 и Р =- 10 5 получим, что lp 0,12 мВт оптической мощности. Выберем амплитуду оптического импульса Ip =0,2 мВт, 20

Далее, выбрав величину Ip = 0,2 мВт, определим длительность гфо фронта импульса:

1810908 г- К лин 2 0

Тфо E

ИЗМЕРЯ ЕМАЯ фИЗИ ЧЕСКАЯ

ВЕЛИЧИНА

1

1 — 4 с гарантированным разрешением.ЛК=10 во всем диапазоне изменения светопропускания от К = 1 до К= Кэ =0,1.

Формула изобретения . 5

1. Цифровой способ оптических измерений физических величин, заключающийся в том, что генерируют электрический им. пульс, преобразуют его в оптический импульс и направляют в светопроводящий тракт, при этом модулируют его измеряемой величиной, затем преобразуют оптический импульс в электрический импульс, который направляют в электронный регенератор и

15 определяют момент появления в нем импульса, в соответствии с которым генерируют следующий электрический импульс с такой же формой и длительностью, осуществляют рециркуляцию импульса по замкнутым в кольцо светопроводящему и оптоэлектронному трактам путем N-кратнаго повторения данных операций, а об измеряемой величине., судят по частоте рециркуляции импульса, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности, измеряемой величиной модулируют амплитуду оптических импульсов, нарастающее напряжение фронта электрического им- gp пульса сравнивают с заданным пороговым значением напряжения, при достижении их равенства генерируют следуЬщий электрический импульс.

2. Способпоп.1,отличающийся 35 тем, что при преобразовании электрического импульса в оптический соблюдают услови е ! ! оптоэлектгонный РегенерАтог где Кми — минимальная величина светопропускания;

А — коэффициент оптоэлектронных преобразований;

4 — начальная амплитуда оптического импульса;

U — пороговое напряжение;

Дп1 — среднеквадратичное напряжение импульс ов;

P — вероятность отказа за время измерения;

N — число тактов регенерации импульса.

3. Способ по и. 2, о тл и ч à ю щи и с я тем, что при преобразвоании электрического импульса в оптический соблюдают условие где АТ вЂ” разрешающая способность временных измерений; А — коэффициент оптоэлектронных преобразований;

Л К вЂ” гарантированное разрешение;

1 — начальная амплитуда оптического импульса;

N — число тактов регенерации импульса;

U> — пороговое напряжение;

1о игл — время задержки импульсов соответственно в светопроводящем и оптоэлектронном тракте; тр — время релаксации оптоэлектренного регенератора;

1810908 (k) 10

0,5

1810908

I,3250

fO cd

I,3225.

0 с/9

I, 3209

50р 75

Фиг. 4

Составитель С.Ботуз

Редактор М.Кузнецова Техред М.Моргентал Корректор. П.Гереши

Заказ 1447 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101