Пирометр

Авторы патента:

Кликушин Юрий Николаевич (RU)

Мурашко Дмитрий Николаевич (RU)

Захаренко Владимир Андреевич (RU)

Шкаев Александр Геннадьевич (RU)

G01J1/44 - электрические схемы

Владельцы патента RU 2462693:

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

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам бесконтактного измерения температуры поверхности нагретых тел путем регистрации теплового излучения. Устройство содержит фотодиод, дифференциальный усилитель, источник питания, регулируемое сопротивление, источник напряжения, аналого-цифровой преобразователь и вычислительное устройство. Выходом устройства является выход дифференциального усилителя. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения температуры нагретых поверхностей за счет уменьшения влияния коэффициента черноты излучающей поверхности объекта контроля и уменьшения влияния коэффициентов передачи схем усиления и преобразования, повышение линейности преобразования при сохранении динамического диапазона без снижения чувствительности устройства в широком интервале рабочих температур фотоприемника. 1 ил.

Известно устройство [патент РФ 2038574, G01J 1/44, 27.06.95 г.], содержащее фотодиод, катод которого соединен с первым (инвертирующим), а анод - со вторым (неинвертирующим) входом дифференциального усилителя с отрицательной обратной связью, цепь которой включает резистор и конденсатор, первые выводы каждого из которых электрически соединены в общую точку, второй вывод резистора соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход дифференциального усилителя является выходом устройства. Фотоприемное устройство, являющееся электронной схемой, включает источник питания.

Наличие в устройстве отрицательной обратной связи позволяет при высоком коэффициенте усиления дифференциального усилителя по переменному току уменьшить нелинейность фотоприемника при повышенных сигналах постоянного фона и расширяет динамический диапазон входного сигнала. Обеспечивается возможность селективного увеличения чувствительности в некоторой полосе частот, определяемой параметрами цепи обратной связи.

Однако недостатками этого устройства являются ограничение динамического диапазона по входному сигналу, недостаточная линейность передаточной характеристики при больших величинах входного сигнала, пониженная чувствительность к малым изменениям оптического сигнала при большой величине постоянной составляющей освещенности, например в условиях яркого искусственного или солнечного освещения. Кроме того, существует нелинейная зависимость чувствительности устройства от температуры окружающей среды (температуры нагрева фотодиода), при этом чувствительность падает по мере увеличения нагрева фотодиода, что требует термостатирования устройства.

Наиболее близким к предлагаемому является 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. По п.10 з.п. ф-лы (фиг.5) в качестве регулируемого сопротивления использован цифровой потенциометр, его выходы являются, соответственно, выходами регулируемого сопротивления. Устройство содержит также аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен непосредственно с выходом дифференциального усилителя, а выход с помощью n-разрядной шины соединен со входом цифрового потенциометра, являющимся одновременно входом регулируемого сопротивления. Источник напряжения при этом подключается одним выводом к аноду фотодиода, а вторым выводом - ко второму входу 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, а также частично компенсировать изменения коэффициентов передачи схем усиления и преобразования. 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 компенсационное воздействие осуществляется только пропорционально току через фотодиод, что позволяет снизить погрешности измерения, связанные с аддитивными составляющими (постоянная засветка и изменение чувствительности фотоприемника при изменении температуры окружающей среды) и не позволяет снизить погрешности измерения, связанные с изменениями коэффициента черноты поверхности теплового излучателя и коэффициентов преобразования устройства. Кроме того, фотодиод в этом устройстве работает не в режиме короткого замыкания, что не обеспечивает линейности преобразования теплового излучения в фототок.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения температуры нагретых поверхностей за счет уменьшения влияния коэффициента черноты излучающей поверхности объекта контроля и уменьшения влияния коэффициентов передачи схем усиления и преобразования, повышение линейности преобразования при сохранении динамического диапазона без снижения чувствительности устройства в широком интервале рабочих температур фотоприемника.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство, содержащее фотодиод, источник питания, дифференциальный усилитель, по крайней мере, один элемент отрицательной обратной связи, катод фотодиода соединен с первым входом дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства, регулируемое сопротивление, выполняющее роль элемента отрицательной обратной связи, источник напряжения, аналого-цифровой преобразователь, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом дифференциального усилителя, согласно изобретению дополнительно введено вычислительное устройство, при этом анод фотодиода соединен с нулевой шиной и источником напряжения, второй вывод которого соединен с первым выводом регулируемого сопротивления, второй вывод которого соединен с катодом фотодиода и первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с нулевой шиной, выход аналого-цифрового преобразователя соединен со входом вычислительного устройства, выход последнего соединен со входом регулируемого сопротивления.

Изобретение поясняется чертежом фиг.1 - функциональная схема пирометра.

Пирометр содержит фотодиод 1, катод которого соединен с первым входом дифференциального усилителя 2, а анод - с нулевой шиной и источником напряжения 3, второй вывод которого соединен с одним выводом регулируемого сопротивления 4, второй вывод которого соединен с катодом фотодиода 1 и первым входом дифференциального усилителя 2, второй вход которого соединен с нулевой шиной, а выход усилителя является выходом устройства. Выход дифференциального усилителя 2 соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 5, выход которого соединен со входом вычислительного устройства 6, выход которого соединен со входом регулируемого сопротивления 4, которое является элементом отрицательной обратной связи.

Устройство работает следующим образом (фиг.1). При облучении фотодиода 1 лучистым потоком Ф от нагретой поверхности он генерирует ток, преобразующийся в напряжение усилителем 2. При этом поток излучения нагретой поверхности Ф в соответствии с законом Стефана-Больцмана пропорционален температуре нагретой поверхности как

где Т - температура излучающей поверхности, К; σ - постоянная Стефана-Больцмана, (5,6697±0,0029)·10^-12 Вт/(м²·К⁴); ε - коэффициент черноты нагретой поверхности; А - площадь нагретой поверхности, м².

Таким образом, фототок I_F, генерируемый фотодиодом, работающим в режиме короткого замыкания фотогальванического включения, будет соответствовать выражению:

где k_F - коэффициент преобразования фотодиодом лучистого потока в фототок.

Выходное напряжение усилителя 2 подается на вход аналого-цифрового преобразователя 5, в котором преобразуется в цифровой код N, который поступает в вычислительное устройство 6, в котором масштабируется и возводится в четвертую степень, после чего поступает на регулируемое сопротивление 4.

Цифровой код N пропорционален выходному напряжению U_Вых усилителя 2 как

При этом цифровой код N_C, поступающий на регулируемое сопротивление, будет пропорционален выходному напряжению U_Вых усилителя 2 как

где k_ВУ - коэффициент преобразования вычислительного устройства; k_АЦП - коэффициент преобразования аналого-цифрового преобразователя.

Под действием этого кода регулируемое сопротивление 4 изменяет величину компенсирующего тока I_K, поступающего от источника напряжения 3 на второй вход дифференциального усилителя 2, величина которого будет пропорциональна N_C как

где k₀ - коэффициент преобразования регулируемого сопротивления.

В результате действия отрицательной обратной связи за счет большого коэффициента усиления дифференциального усилителя 2 фототек фотодиода и компенсирующий ток источника напряжения и регулируемого сопротивления уравновешиваются

Подставив в это равенство значения токов получим, с учетом выражений (1-6):

Из (7) следует, что на выходе усилителя 2 формируется напряжение, пропорциональное температуре излучающей поверхности и корню четвертой степени из всех коэффициентов, участвующих в преобразовании излучения в электрический сигнал

При этом на выходе аналого-цифрового преобразователя формируется цифровой код N, пропорциональный выходному напряжению U_Вых усилителя 2 как

Извлечение корня четвертой степени значительно уменьшает значения погрешности зависимости выходного напряжения от измеряемой температуры, связанной с изменениями коэффициента черноты нагретой поверхности ε и других коэффициентов преобразования устройства.

Таким образом, использование вычислительного устройства и схемы его включения в сравнении с прототипом позволяет повысить точность измерения температуры нагретых поверхностей за счет операции извлечения корня четвертой степени, что приводит к уменьшению численных значений коэффициента черноты и коэффициентов преобразования в устройстве, точные значения которых заранее неизвестны и могут изменяться в процессе измерений.

Пирометр, содержащий фотодиод, источник питания, дифференциальный усилитель, по крайней мере, один элемент отрицательной обратной связи, катод фотодиода соединен с первым входом дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства, регулируемое сопротивление, выполняющее роль элемента отрицательной обратной связи, источник напряжения, аналого-цифровой преобразователь, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом дифференциального усилителя, отличающийся тем, что в пирометр дополнительно введено вычислительное устройство, при этом анод фотодиода соединен с нулевой шиной и источником напряжения, второй вывод которого соединен с первым выводом регулируемого сопротивления, второй вывод которого соединен с катодом фотодиода и первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с нулевой шиной, выход аналого-цифрового преобразователя соединен со входом вычислительного устройства, выход последнего соединен со входом регулируемого сопротивления.

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

Устройство для определения положения светового пятна // 2399023

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. .

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.

Однофотонный приемник для пространственно-временного поиска оптических импульсных сигналов // 2568939

Изобретение относится к области приема оптических сигналов и касается однофотонного приемника для пространственно-временного поиска оптических импульсных сигналов. Приемник включает в себя диссектор с фокусирующе-отклоняющей системой и динодной умножительной системой, блок питания динодов с регулируемым потенциалом, блок управления, блок развертки, импульсный усилитель, импульсный дискриминатор, формирователи импульсов, генераторы тактовых и синхроимпульсов, реле и логические элементы. Кроме того, приемник содержит приемный телескоп с блоком управления и светофильтр. Технический результат заключается в увеличении вероятности правильного обнаружения сигнала, снижении времени поиска и уменьшении временной неопределенности приема импульсных сигналов. 15 ил.