Импульсное фотометрическое устройство

Авторы патента:

Владельцы патента RU 2404412:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" (RU)

Изобретение относится к фотометрии и может быть использовано в оптико-электронных приборах с фотодиодными преобразователями излучений. Устройство содержит фотодиод 1, повторитель напряжения 2, переключатель 3, регулируемое сопротивление 4, устройство выборки и хранения 5 и устройство управления переключателями 6. Изобретение позволяет поддерживать неизменной чувствительность фотодиода при изменениях температуры окружающей среды и повысить функциональную надежность. При этом фотодиод работает в режиме с максимальной чувствительностью и быстродействием. 1 ил.

Изобретение относится к области фотометрии и может быть использовано в оптико-электронных приборах с фотодиодными преобразователями излучений.

Известно устройство [Патент РФ 2248535, G01J 1/44, опубликовано 20.03.2005 г.], содержащее конденсатор, первый транзистор, фотодиод и источник питания, причем фотодиод включен в коллекторную цепь первого транзистора, а конденсатор подключен к базе первого транзистора, кроме того, в него введены неинвертирующий усилитель, нелинейный полосовой фильтр, второй транзистор, первый, второй и третий резисторы, разделительный конденсатор, второй вывод которого является одновременно выходом фотоприемного устройства, при этом катод фотодиода соединен с входом неинвертирующего усилителя, выход которого соединен с входом нелинейного полосового фильтра, с базой второго транзистора, со вторым резистором и с разделительным конденсатором, а второй вывод второго резистора соединен с базой первого транзистора, в эмиттерную цепь которого включен первый резистор, соединенный с источником питания, и с эмиттером второго транзистора, а выход нелинейного полосового фильтра через третий резистор соединен с катодом фотодиода и с коллектором второго транзистора.

Недостатком данного устройства является то, что такие компенсационные воздействия не обеспечивают температурную стабилизацию чувствительности фотодиода.

Также известно устройство [Патент РФ 2193761, G01J 1/44, опубликовано 27.11.2002 г.], содержащее фотодиод, источник питания и дифференциальный усилитель, при этом катод фотодиода соединен с первым входом дифференциального усилителя, а анод - со вторым входом указанного усилителя, выход которого является выходом устройства. Устройство также содержит регулируемое сопротивление, выполняющее функцию элемента отрицательной обратной связи, которое включено параллельно фотодиоду, а управляющий вход регулируемого сопротивления соединен с выходом дифференциального усилителя.

Схема этого устройства позволяет обеспечивать стабильность режима работы фотодиода, в частности позволяет компенсировать изменения выходного сигнала при изменении постоянной составляющей засветки фотодиода и изменении его чувствительности при изменении температуры окружающей среды. Это компенсационное воздействие формируется за счет изменения шунтирующего регулируемого сопротивления фотодиода, что позволяет поддерживать постоянство концентрации носителей зарядов (носителей тока) в полупроводниковом материале фотодиода.

Недостатком этого устройства является то, что при воздействии постоянной составляющей светового сигнала компенсационное уменьшение шунтирующего сопротивления вызовет не только компенсацию засветки, но и изменит чувствительность фотодиода. Так как функциональные зависимости изменения регулируемого сопротивления от засветки и от температуры не совпадают, что приводит к увеличению температурной погрешности при компенсационном воздействии, пропорционально уровню засветки. Соответственно, чем выше уровень постоянной засветки, тем больше погрешность компенсации температурной зависимости чувствительности фотодиода.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство [Патент РФ 2194252, G01J 1/44, опубликовано 10.12.2002 г.], содержащее фотодиод, одним из электродов подключенный к общей шине, а вторым - ко входу повторителя напряжения и входу переключателя, выход которого соединен с генератором измерительного тока, а выход повторителя напряжения соединен со входами устройства выборки-хранения и другого переключателя, выход которого соединен с блоком деления, при этом выход устройства выборки-хранения соединен со вторым входом блока деления, а управляющий вход устройства выборки-хранения соединен с устройством управления переключателями, к которому также подсоединены переключатели.

Предлагаемая схема позволяет обеспечить более высокое быстродействие и надежность за счет того, что устройство выборки-хранения позволяет запомнить и хранить напряжение, соответствующее величине температурного воздействия на фотодиод, а блок деления позволяет удерживать коэффициент чувствительности фотодиода неизменным при изменении температуры за счет операции деления на напряжение, пропорциональное температурной зависимости чувствительности этого фотодиода.

Недостатком данного устройства является то, что фотодиод работает в фотогальваническом режиме и, следовательно, не обеспечивает более высокой чувствительности устройства и быстродействия, чем режим, когда фотодиод включен в фотодиодном режиме [Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1990. - стр.57].

Задачей предлагаемого изобретения является повышение быстродействия и чувствительности при одновременном упрощении и сохранении точности.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство, содержащее фотодиод, переключатель, повторитель напряжения, устройство выборки и хранения и устройство управления, согласно изобретению, дополнительно введено регулируемое сопротивление, при этом катод фотодиода соединен с источником питания +Е, а анод соединен с повторителем напряжения и входом переключателя, выход которого соединен с регулируемым сопротивлением, второй вывод которого соединен с общей шиной, а выход повторителя напряжения, являющийся выходом устройства, соединен со входом устройства выборки и хранения, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого сопротивления, при этом управляющие входы переключателя и устройства выборки и хранения соединены с устройством управления.

На чертеже представлена функциональная схема импульсного фотометрического устройства.

Импульсное фотометрическое устройство содержит фотодиод 1, катод которого соединен с источником питания +Е, а анод соединен с повторителем напряжения 2 и входом переключателя 3, выход которого соединен с регулируемым сопротивлением 4, второй вывод которого соединен с общей шиной, а выход повторителя напряжения 2, являющийся выходом устройства, соединен со входом устройства выборки и хранения 5, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого сопротивления 4, при этом управляющие входы переключателя 3 и устройства выборки и хранения 5 соединены с устройством управления 6.

Импульсное фотометрическое устройство работает следующим образом:

В исходном состоянии переключатель 3 разомкнут.Через фотодиод протекает темновой ток, пропорциональный температуре перехода (окружающей среды). Этот ток преобразуется в напряжение повторителем напряжения 2 и подается на устройство выборки и хранения 5, которым считывается, запоминается и масштабируется в напряжение, пропорциональное температурному коэффициенту чувствительности фотодиода. Это компенсационное напряжение изменяет величину регулируемого сопротивления. Одновременно с воздействием на фотодиод 1 импульса излучения на устройство управления 6 поступает импульс запуска, который приводит к замыканию переключателя 3 и прекращению считывания устройством выборки и хранения 5. Входным сигналом повторителя напряжения 2 становится падение напряжения на регулируемом сопротивлении 4, величина которого соответствует заданной чувствительности фотодиода. При этом напряжение, пропорциональное световому потоку, снимается с выхода повторителя напряжения 2. Таким образом, изменяя величину регулируемого сопротивления 4, возможно изменять уровень выходного сигнала пропорционального величине светового потока, т.е. компенсировать изменение чувствительности фотодиода при изменении температуры окружающей среды.

Предлагаемая схема позволяет обеспечить более высокое быстродействие и большую чувствительность при одновременном упрощении и сохранении точности. Устройство выборки-хранения позволяет запомнить и хранить напряжение, соответствующее величине температурного воздействия на фотодиод, а регулируемое сопротивление, включенное последовательно с фотодиодом, позволяет за счет компенсации изменения падения напряжения удерживать коэффициент чувствительности фотодиода неизменным при изменении температуры, за счет чего сохраняется точность устройства. В отличие от известного устройства новые элементы и схема их включения позволяют подключить фотодиод в фотодиодном режиме работы. При этом в фотодиодном режиме чувствительность фотоприемника выше нежели в фотогальваническом, кроме того, за счет наличия внешнего электрического поля в p-n-переходе фотодиода перенос неравновесных носителей заряда (генерируемых световым потоком) происходит значительно быстрее, что повышает быстродействие. Упрощение устройства достигнуто за счет исключения второго переключателя, генератора измерительного тока и блока деления. В то же время в предлагаемом устройстве сохраняется принцип формирования термокомпенсационного воздействия на зависимость чувствительности фотодиода, когда датчиком температуры является этот же фотодиод.

Импульсное фотометрическое устройство, содержащее фотодиод, переключатель, повторитель напряжения, устройство выборки и хранения и устройство управления, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введено регулируемое сопротивление, при этом катод фотодиода соединен с источником питания +Е, а анод соединен с повторителем напряжения и входом переключателя, выход которого соединен с регулируемым сопротивлением, второй выход которого соединен с общей шиной, а выход повторителя напряжения, являющийся выходом устройства, соединен со входом устройства выборки и хранения, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого сопротивления, при этом управляющие входы переключателя и устройства выборки и хранения соединены с устройством управления.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. .

Устройство для измерения пиковых значений // 2343429

Изобретение относится к измерительной технике и физике и может быть использовано для контроля одиночных импульсов. .

Устройство для регистрации слабых оптических импульсов // 2339919

Изобретение относится к области регистрации слабых оптических сигналов ближнего инфракрасного диапазона спектра, передающихся через оптические волоконные линии связи.

Фотоприемное устройство // 2296303

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике, в частности к приемникам светового излучения. .

Система регистрации светового излучения в большом динамическом диапазоне // 2250441

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в системах регистрации оптического излучения с большим динамическим диапазоном.

Фотоприемное устройство // 2248535

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике, в частности к конструированию приемников светового излучения. .

Устройство для контроля параметров лазерного поля управления информационного канала // 2248534

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, более конкретно к устройствам для контроля параметров лазерного поля управления, создаваемого информационным каналом.

Фотоприемное устройство // 2231169

Электронный блок фотометрического детектора // 2229123

Изобретение относится к области высокоэффективной жидкостной хроматографии. .

Регистратор световых сигналов (варианты) // 2217709

Изобретение относится к фотометрии. .

Пирометр // 2462693

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам бесконтактного измерения температуры поверхности нагретых тел путем регистрации теплового излучения

Фотометрическое устройство // 2492433

Изобретение относится к области фотометрии и может быть использовано в оптико-электронных приборах с фотодиодными преобразователями излучений

Приемник импульсных оптических сигналов // 2506547

Изобретение относится к технике приема импульсного оптического излучения, преимущественно к приемникам импульсных лазерных дальномеров и подобных устройств для измерения временных интервалов между оптическими импульсами. Приемник импульсных оптических сигналов, содержащий фотоприемник с источником смещения и нагрузкой, подключенной к усилителю, усилитель выполнен в виде двух транзисторных повторителей с общей нагрузкой, вход одного из повторителей подключен к нагрузке фотоприемника, а вход второго повторителя имеет возможность подключения к внешнему источнику сигнала, причем параллельно входам транзисторных повторителей введены ключи, связанные с коммутатором, управляющим их замыканием и размыканием в противофазе. Технический результат заключается в повышении точности временной привязки принятого сигнала и, соответственно, высокой точности измерений с помощью приборов, в которых используется такой приемник. 1 ил.

Приемник импульсного оптического излучения // 2511069

Изобретение относится к технике приема импульсного оптического излучения, преимущественно к приемникам импульсных лазерных дальномеров и подобных устройств для измерения временных интервалов между оптическими импульсами. Приемник импульсного оптического излучения, содержащий фотоприемник с источником смещения и нагрузкой, подключенной к усилителю, усилитель выполнен по схеме дифференциального каскада, левый вход которого подключен к нагрузке фотоприемника, а правый вход имеет возможность подключения к внешнему источнику сигнала, причем параллельно входам дифференциального каскада введены ключи, связанные с коммутатором, управляющим их замыканием и размыканием в противофазе. Технический результат изобретения состоит в обеспечении высокой точности временной привязки принятого сигнала и, соответственно, высокой точности измерений с помощью приборов, в которых используется такой приемник. 1 ил.

Способ термостабилизации фотодиода для измерения его электрических характеристик // 2525151

Изобретение относится к технике фотометрии и предназначено для повышения точности измерения электрических характеристик фотодиода. Способ заключается в том, что исследуемую электрическую характеристику измеряют в выбранной последовательности точек, осуществляя контроль температуры с использованием датчика температуры в процессе измерений. Из выбранной последовательности точек выбирают реперную точку вблизи максимального значения тока или напряжения при начальной температуре. Последовательно для каждой следующей точки проводятся измерения тока или напряжения, каждый раз после этого возвращаясь в реперную точку. При этом термостабилизация осуществляется следующим образом: после возврата в реперную точку определяют относительное изменение температуры фотодиода путем оценки смещения реперной точки от исходного положения при постоянной величине силы тока или напряжения, причем в качестве датчика температуры и управляющего элемента термостабилизации используют исследуемый фотодиод; путем изменения температуры фотодиода добиваются возврата реперной точки в исходное положение. Технический результат заключается в повышении точности измеряемой электрической характеристики фотодиода.

Преобразователь "яркость цветных излучений - коды" // 2539840

Изобретение относится к светоизмерительной технике и касается устройства для преобразования яркости цветного излучения в коды. Устройство содержит корпус, микрообъектив, полупрозрачные микрозеркала, усилители импульсов, блок индикации и дисковые фотоприемные устройства. Каждое дисковое фотоприемное устройство содержит восемь фотоприемных секторов и восемь регистров сдвига. Технический результат заключается в обеспечении возможности одновременного измерения яркости восьми цветных излучений с помощью одного преобразователя. 2 ил.

Устройство для измерения пиковых значений // 2556327

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для выделения одиночных импульсов на фоне низкочастотного шума. Устройство содержит датчик, первый и второй операционные усилители (ОУ1, ОУ2), первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой резисторы, первый, второй, третий, четвертый и пятый конденсаторы, первый и второй выпрямители, ограничитель, шину смещения. Инвертирующий вход ОУ1 соединен с первым выводом первого резистора, а выход соединен с входами первого и второго выпрямителей. Выход первого выпрямителя соединен с неинвертирующим входом ОУ2 и через последовательно соединенные пятый и шестой резисторы с выходом второго выпрямителя и вторым выводом первого конденсатора. Первый вывод первого конденсатора соединен с общей шиной. Инвертирующий вход ОУ2 соединен через пятый конденсатор с первым выводом третьего резистора и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной. Выход ОУ2 соединен с первым выводом третьего резистора. Выход ограничителя через второй конденсатор соединен либо с инвертирующим входом ОУ1, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, либо с выходом датчика. Выход датчика через последовательно соединенные третий конденсатор и четвертый резистор соединен со вторым выводом третьего резистора и первым выводом первого резистора. Второй вывод первого резистора соединен через четвертый конденсатор с выходом датчика и непосредственно с входом ограничителя и выходом первого выпрямителя, который через последовательно соединенные пятый и шестой резисторы соединен с выходом второго выпрямителя и вторым выводом первого конденсатора. При этом точка объединения пятого и шестого резисторов подключена к шине смещения. Технический результат заключается в упрощении устройства, уменьшении габаритов и повышении надежности. 5 ил.

Частотно-селективный фотопреобразователь оптического излучения // 2558282

Изобретение относится к области измерительной техники и касается частотно-селективного фотопреобразователя оптического излучения. Устройство включает в себя фотодиод, источник питания, дифференциальный усилитель, полевой транзистор, затвор которого подключен к обкладке первого конденсатора, источник управляющего напряжения, варикап и индуктивно-емкостной контур. Выход дифференциального усилителя через индуктивно-емкостной контур соединен с затвором полевого транзистора, исток которого через первый резистор подключен ко второй обкладке первого конденсатора и к катоду фотодиода, который через второй резистор соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, который через второй конденсатор подключен к его выходу. Катод варикапа через третий резистор соединен с источником управляющего напряжения и через третий конденсатор подключен к затвору полевого транзистора, сток которого соединен с источником питания, а его исток является выходом устройства. Технический результат заключается в обеспечении высокой селективной чувствительности в узкой полосе частот при наличии большой постоянной освещенности или при наличии шумового излучения. 1 ил.

Микромощный фотодатчик с частотным выходом // 2558283

Использование: для преобразования интенсивности светового потока инфракрасного, видимого и ультрафиолетового оптического диапазонов, а также рентгеновского излучения в частоту импульсов. Сущность изобретения заключается в том, что микромощный фотодатчик с частотным выходом содержит фотодиод, катод которого подключен к входу логического инвертора, выход которого соединен с первым выводом резистора, полевой транзистор, затвор которого подключен к второму выходу резистора, а сток и исток полевого транзистора подключены к входу логического инвертора, в качестве которого применен инвертирующий триггер Шмитта, анод фотодиода соединен с нулевой цепью, а выход триггера Шмитта является выходом устройства. Технический результат: обеспечение возможности повышения чувствительности, расширения динамического диапазона преобразования излучения в частоту импульсов и уменьшения потребляемой мощности. 2 ил.

Фотодатчик переменного оптического излучения // 2559331

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля переменного и импульсного оптического излучения. Фотодатчик переменного оптического излучения содержит фотодиод, источник питания, дифференциальный усилитель и полевой транзистор, затвор которого подключен к одной обкладке первого конденсатора и через первый резистор соединен с выходом дифференциального усилителя, при этом в него введены второй, третий резисторы и второй конденсатор, который включен между выходом и инвертирующим входом дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с нулевой шиной и анодом фотодиода, катод которого подключен ко второй обкладке первого конденсатора, через второй резистор соединен с истоком полевого транзистора и через третий резистор соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, причем сток полевого транзистора подключен к источнику питания, а исток полевого транзистора является выходом устройства. Технический результат - повышение чувствительности фотодатчика к переменному оптическому сигналу в условиях большой постоянной освещенности и изменения уровня внешней засветки в широком диапазоне. 1 ил.