Способ измерения световых потоков и устройство для его осуществления

 

Использование: измерение (фотометрия, пирометрия) световых потоков, датчики излучения ИК, видимого и ультрафиолетового оптического диапазона, датчики пламени, датчики температуры. Сущность изобретения: преобразование светового потока в последовательность электрических импульсов, в которой частота и скважность зависят от интенсивности потока, и измерения частоты, длительности и скважности импульсов, по которым судят о величине светового потока. В устройстве для осуществления способа, содержащем фотодиод, усилительный элемент, резистор и конденсатор, фотодиод и последовательно соединенный с ним резистор установлены в частотозадающую цепь автогенератора (мультивибратора). При этом усилительный элемент может быть выполнен на двух инверторах, соединенных последовательно. Фотодиод и последовательно включенный с ним резистор первым выводом подсоединены ко входу, а вторым - к выходу первого инвертора. Конденсатор включен между входом первого и выходом второго инверторов. Также усилительный элемент может быть выполнен на трех последовательно соединенных инверторах. При этом последовательно соединенные резистор и фотодиод включаются между входом первого и выходом третьего инверторов, а конденсатор - между входом первого и выходом второго инверторов. Техническим результатом является увеличение динамического диапазона измеряемых световых потоков, а также повышение точности измерений. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области фотометрии и пирометрии и может быть использовано для измерения световых потоков ИК, видимого и ультрафиолетового диапазонов, а также может быть использовано в качестве датчиков пламени и температуры.

Известен способ измерения интенсивности световых потоков, заключающийся в преобразовании фотоприемником светового потока в аналоговый электрический сигнал, усилении этого сигнала и измерении параметров аналогового сигнала, по которым определяют характеристики светового излучения [1]. К недостаткам способа относится низкая помехоустойчивость, точность измерения, а также малый входной динамический диапазон.

Также известен способ измерения интенсивности светового излучения [2], в котором сигнал с фотоприемника поступает одновременно на два усилителя, по разности выходных сигналов которых определяют характеристики излучения. Способ позволяет несколько повысить динамический диапазон измеряемых световых потоков, однако остальные недостатки ему также присущи.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ измерения интенсивности световых потоков [3] путем преобразования его в последовательность электрических импульсов, частота следования которых зависит от интенсивности излучения, и измерения длительности импульсов. Недостатком способа является малый входной динамический диапазон. Другим недостатком способа является двухступенчатый процесс преобразования оптического сигнала в частоту сигнала. Фотоприемник преобразует оптический сигнал в напряжение, а затем это напряжение с помощью аналого-цифрового преобразователя преобразуется в последовательность электрических импульсов. За счет этого снижается точность измерений и усложняется схема.

Задачей изобретения является увеличение динамического диапазона измеряемых световых потоков, а также повышение точности измерения.

Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения световых потоков путем преобразования его в последовательность электрических импульсов, частота следования которых зависит от интенсивности излучения, и измерения длительности импульсов, формируют такую последовательность, в которой частота и скважность зависят от интенсивности потока, дополнительно измеряют скважность и по результатам совместных измерений частоты, длительности и скважности судят о величине светового потока.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве, содержащем фотодиод, усилительный элемент, резистор и конденсатор, фотодиод и резистор соединены последовательно и установлены в частотозадающую R-цепь автогенератора или мультивибратора. Усилительный элемент выполнен на двух инверторах, соединенных последовательно. Последовательно включенные фотодиод и резистор первым выводом подсоединены ко входу, а вторым - к выходу первого инвертора, а конденсатор включен между входом первого и выходом второго инверторов. Также усилительный элемент может быть выполнен на трех соединенных последовательно инверторах, а последовательно включенные резистор и фотодиод подсоединены между входом первого и выходом третьего инверторов. Конденсатор также включен между входом первого и выходом второго инверторов.

На фиг. 1 представлен автогенератор (мультивибратор), в частотозадающую R-цепь которого включены последовательно соединенные фотодиод и резистор.

Устройство, представленное на фиг.1, содержит автогенератор (мультивибратор), в частотозадающую R-цепь которого включены последовательно соединенные фотодиод 2 (VD1) и резистор 3 (R1). Устройство работает следующим образом. На фотодиод 2 падает световой поток, интенсивность которого определяет сопротивление фотодиода в закрытом состоянии. При наличии на выходе автогенератора 1 напряжения, соответствующего закрытому состоянию фотодиода 2, процесс, происходящий в автогенераторе (например, если это RC-генератор, то зарядка или разрядка конденсатора), будет определятся, в основном, его величиной. После того как полярность напряжения на выходе автогенератора 1 изменится, фотодиод 2 окажется в открытом состоянии и процесс, происходящий в автогенераторе 1, будет определяться, в основном, величиной резистора 3. В результате чего длительности импульсов, соответствующие открытому и закрытому состоянию фотодиода, будут различными.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема устройства на двух инверторах. На фиг.3 представлены сигналы на выходе первого инвертора при различной интенсивности падающего светового потока. На фиг.4 представлена принципиальная схема устройства на трех инверторах.

Устройство, представленное на фиг.2, содержит фотодиод 2 (VD1), последовательно соединенный с ним резистор 3 (R1), конденсатор 4 (С1) и два инвертора 5 и 6 (DD1.1 и DD1.2). При этом резистор 3 (R1) подключен ко входу первого инвертора 5 (DD1.1), а фотодиод 2 (VD1) - к его выходу (возможно обратное включение), а конденсатор 4 (С1) подключен между входом первого 5 (DD1.1) и выходом второго 6 (DD1.2) инверторов.

Устройство работает следующим образом. Пусть после включения источника питания напряжение на выходе первого инвертора 5 (DD1.1) соответствует уровню логической "1", а на выходе второго инвертора 6 (DD1.2) - уровню логического "0". Тогда в начальный момент времени напряжение на левой обкладке конденсатора 4 (С1) тоже соответствует логическому "0". Фотодиод 2 (VD1) находится в закрытом состоянии. Конденсатор 4 (С1) начинает заряжаться через резистор 3 (R1) и закрытый фотодиод 2 (VD1). Сопротивление закрытого фотодиода 2 (VD1) зависит от интенсивности падающего на него излучения, причем чем больше интенсивность светового потока, тем меньше сопротивление закрытого фотодиода 2 (VD1), быстрее заряжается конденсатор 4 (С1) и достигается пороговый уровень на входе первого инвертора 5 (DD1.1). При его достижении на выходе первого инвертора 5 (DD1.1) сигнал станет соответствовать уровню логического "0", а на входе второго инвертора 6 (DD1.2) - логической "1" в результате лавинообразного процесса. При этом на левой обкладке конденсатора 4 (С1) напряжение станет равным напряжению источника питания плюс напряжение порогового уровня, а фотодиод 2 (VD1) перейдет в открытое состояние. Конденсатор 4 (С1) начнет разряжаться через резистор 3(R1) и открытый фотодиод 2 (VD1). Сопротивление открытого фотодиода на несколько порядков меньше сопротивления закрытого фотодиода, причем почти не зависит от падающего на него светового потока. Поэтому процесс разрядки определяется в основном величиной сопротивления резистора 3 (R1) и в меньшей степени сопротивлением открытого фотодиода 2 (VD1) и почти не зависит от падающего на фотодиод излучения. Затем напряжение на левой обкладке конденсатора 4 (С1) начинает уменьшаться, и при достижении порогового значения на входе первого инвертора 5 (DD1.1) напряжение на его выходе опять станет "1", а на выходе второго инвертора 6 (DD1.2) - "0", и конденсатор 4 (С1) опять начнет заряжаться. В результате получается последовательность электрических прямоугольных импульсов (цифровых), у которых от интенсивности излучения зависит частота и скважность импульсов (фиг.3). При этом расширяется динамический диапазон измеряемых световых потоков (определяется диапазоном работоспособности фотодиода 2 (VD1)), a также повышается точность за счет измерения сразу трех величин: частоты, длительности и скважности импульсов. На фиг.3 сигнал 7 соответствует малой интенсивности светового излучения, а сигнал 8 - большой. Причем длительность, соответствующая логической "1", зависит от интенсивности светового излучения, а длительность, соответствующая логическому "0", не зависит от нее (для данного включения полярности фотодиода 2 (VD1)).

Устройство на фиг.4 также содержит фотодиод 2 (VD1), последовательно соединенный с ним резистор 3 (R1) и конденсатор 4 (С1), но три инвертора 5 (DD1.1), 6 (DD1.2), 9 (DD1.3). При этом резистор 3 (R1) также подключен ко входу первого инвертора 5 (DD1.1), но фотодиод 2 (VD1) - к выходу третьего 9 (DD1.3). Устройство работает аналогично устройству на двух инверторах, но обладает лучшей стабильностью, т. к. заряд и разряд конденсатора 4 (С1) осуществляется через выход третьего 9 (DD1.3), а не первого 5 (DD1.1) инвертора.

Предложенные устройства на двух и трех инверторах использовались в качестве датчиков теплового излучения. В качестве фотодиода использовался ФД-7Г.

В зависимости от выбора номинала конденсатора 4 (С1) и типа микросхемы DD1 диапазон частот следования импульсов изменялся практически от долей Гц до сотен кГц.

Источники информации 1. RU 2038474.

2. RU 2030716.

3. RU 2014574 (прототип).

Формула изобретения

1. Способ измерения световых потоков путем установки фотоприемника в световой поток, преобразования светового излучения в последовательность электрических импульсов, частота следования которых зависит от интенсивности светового потока, и измерении длительности импульсов, отличающийся тем, что на фотоприемник, сопротивление которого зависит от направления тока, подают напряжения разной полярности, соответствующие открытому и закрытому состоянию фотоприемника, формируют последовательность, в которой частота и скважность импульсов зависят от интенсивности потока, дополнительно измеряют скважность и по результатам совместных измерений частоты, длительности и скважности судят о величине светового потока.

2. Устройство для измерения световых потоков, содержащее фотодиод, усилительный элемент и резистор, отличающееся тем, что усилительный элемент, фотодиод, резистор и конденсатор образуют RС-автогенератор, причем фотодиод и резистор соединены последовательно и установлены в частотозадающую R-цепь автогенератора.

3. Устройство п.2, отличающееся тем, что усилительный элемент выполнен на двух соединенных последовательно инверторах, последовательно включенные фотодиод и резистор первым выходом подсоединены ко входу, а вторым - к выходу первого инвертора, а конденсатор включен между входом первого и выходом второго инверторов.

4. Устройство п.2, отличающееся тем, что усилительный элемент выполнен на трех соединенных последовательно инверторах, последовательно включенные фотодиод и резистор подсоединены между входом первого и выходом третьего инверторов, а конденсатор включен между входом первого и выходом второго инверторов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

Другие изменения, связанные с зарегистрированными изобретениями

Изменения:Публикацию о досрочном прекращении действия патента на изобретение считать недействительной

Номер и год публикации бюллетеня: 11-2006

Извещение опубликовано: 27.05.2006        БИ: 15/2006

---