Фотоэлектрический анализатор спектра

 

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА, содержащий синфазный и квадратурный каналы измерения , состоящие из множительных блоков по числу измеряемых гармоник, каждый КЗ которых выполнен в виде мостов с фоторезисторами в двух плечах, йыходы которых через соответствующие интеграторы соединены с блоком регистрации, а входы через источник анализируемых сигналов с задатчиком вынужденных колебаний, фоторезисторы блока измерения первой гармоники связаны с источником постоянного света, входа мостов остальных блоков подключены к источнику постоянного напряжения, вторые плечи всех мостов, за исключением последнего блока измерения, выполнены в виде источников переменного света, два других плеча мостов последнего блока выполнены на резисторах, а фоторезисторные плечи всех мостов.. за исключением первого блока измерения, выполнены в виде последовательно соединенных двух фоторезисторов, при этом источники переменного света мостов бло-ка оптически связаны последовательно и параллельно с фоторезисторами последующих блоков измерения, о тличающийся тем, что, с целью повыщения точности измерений, осветительные плечи мостов множительных блоков, за исключением последнего блока, выполнены в виде последовательно соединенных двух источников переменного света, образующих в каждом мосту две дифференциальные пары, каскадно оптически сопряженные с фоторезисторасл ми плеч мостов через световой модулятор в виде двух цилиндрических эксцентриков с экстремумами, сдвинутыми один относительно другого на угол 90° . при этом одни пары источников переменного света мостов оптически сопр ужены с соответствуюOiib щими фоторезисторами через первый с эксцентрик светового модулятора, другие пары - через второй эксцент рик светового модулятора, а источники переменного света с фоторезисторами выполнены в виде отдельных оптоэлектронных ячеек, фоторезисторы в которых попарно последовательно соединены в плечах мостов синфазного и квадратурного каналов измерения .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

4(sl) G 01 R 23/16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3261452/24-21 (22) 17.03.81 (46) 07.04.85. Бюл. 9 13 (72) А.Б. Лукашенок (71) Рижский Краснознаменный институт инженеров гражданской . авиации им. Ленинского комсомола (53) 621.317.?57(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Ф 920559, кл. G 01 R 23/16, 1982. (54) (57) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА, содержащий синфазный и квадратурный каналы измерения, состоящие из множительных блоков по числу измеряемых гармоник, каждый из которых выполнен в виде мостов с фоторезисторами в двух плечах, выходы которых через соответствующие интеграторы соединены с блоком регистрации, а входы через источник анализируемых сигналов— с задатчиком вынужденных колебаний, фоторезисторы блока измерения первой гармоники связаны с источником постоянного света, входы мостов остальных блоков подключены к источнику постоянного напряжения, вторые плечи всех мостов, sa исключением последнего блока измерения, выполнены в виде источников переменного света, два других плеча мостов последнего блока выполнены на резисторах, а фоторезисторные плечи всех мостов. за исключением

„„SU„„1 ll 4917? А первого блока измерения, выполнены в виде последовательно соединенных двух фоторезисторов, при этом источники переменного света мостов бло-ка оптически связаны последовательно и параллельно с фоторезисторами последующих блоков измерения, о т- л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений, осветительные плечи мостов множительных блоков, эа исключением последнего блока, выполнены в виде последовательно соединенных двух источников переменного света, образующих в каждом мосту две дифференциальные пары, каскадно оптически сопряженные с фоторезисторами плеч мостов через световой модулятор в виде двух цилиндрических эксцентриков с экстремумами, сдвинутыми олин относительно другого на угол 900 . при этом одни пары источников переменного света мостов оптически сопряжены с соответствующими фоторезисторами через первый эксцентрик светового модулятора, другие пары — через второй эксцентрик светового модулятора, а источники переменного света с фоторезисторами выполнены в виде отдельных оптоэлектронных ячеек, фоторезисторы в которых попарно последовательно соединены в плечах мостов синфазного и квадратурного каналов измерения.

1149177

30

Изобретение относится к электроизиерительной технике и предназначено для одновременного определения полигармонических состав-ляющих (коэффициентов ряда Фурье) исследуемых процессов.

Известен анализатор спектра, содержащий два квадратурных канала измерения, состоящее из множительных блоков по числу измеряемых гармоник, выполненных в виде мостовых схем с фоторезисторами в двух . плечах, выходы которых через соответствующие интеграторы связаны с блоком регистрации, причем фоторезисторы блока измерения первой гармоники оптически связаны с источником постоянного света, входы мостов этого блока подключены к источнику анализируемых сигналов, .связанного с задатчиком вынужденных колебаний, а входы мостов остальных блоков подключены к источнику постоянного напряжения, вто.рые плечи всех мостов, эа исключением последнего блока измерения, выполнены в виде источников переменного света, два других плеча мостов последнего блока выполнены на резисторах, а фотореэисторные плечи всех мостов. эа исключением первого блока измерения, выполнены в виде последовательно соединенных двух фоторезисторов, при этом источники переменного света мостов блока оптически связаны последовательно и перекрестно с фоторезисторами последующих блоков измерения (1).

Однако для известного анализатора характерна недостаточная

Ф точность измерений за счет сравнительной сложности светового модулятора оптико-механического узла, выполненного в виде 2ш (где m— порядок высшей гармоники) цилиндрических эксцентриков с экстремумами, сдвинутыми попарно один относительно другой на угол 900, так как при большом числе анализируемых гармоник трудно (практически невозможно) строго выдержать этот установочный угол между всеми эксцентриками, что влечет к фаэовым рассогласованпям в отдельных каналах, особенно непри- емлемых при гармоническом анализе, и возникновению биений" в выходных сигналах. Кроме того оптическая связь отдельных источников переменного света одновременно последовательно и перекрестно с двумя фоторезисторами разных квадратурных каналов измерения усложняет в целом настройку анализатора и приводит к дополнительным погрешностям измерения.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в фотоэлектрическом анализаторе спектра, содержащем синфаэный и квадратурный каналы измерения, состоящие из множительных блоков по числу измеряемых гармоник, каждый из которых выполнен в виде мостов с фоторезисторами в двух плечах, выходы которых через соответствующие интеграторы соединены с блоком регистрации, а входы через источник анализируемых сигналов с задатчиком вынужденных колебаний, фоторезисторы блока измерения первой гармоники связаны с источником постоянного света, входы мостов остальных блоков подключены к источнику постоянного напряжения, вторые плечи всех мостов, за исключением последнего блока измерения, выполнены в виде источников переменного света, два других плеча мостов пос-i леднего блока выполнены на резисторах, а фоторезисторные плечи всех мостов, за исключением первого блока измерения, выполнены в виде последовательно соединенных двух фоторезисторов, при этом источники переменного света мостов блока оптически связаны последовательно и параллельно с фоторезисторами последующих блоков измерения, освети- . тельные плечи мостов множительных блоков, за исключением последнего блока, выполнены в виде последова— тельно соединенных двух источников переменного света, образующих в каждом мосту две дифференциальные пары, каскадно оптически сопряженные с фоторезисторами плеч мостов через световой модулятор в виде двух цилиндрических эксцентриков с экстремумами, сдвинутыми один относительно другого на угол 90, при этом одни пары источников переменного света мостов оптически сопряжены с соответствующими фоторезисторами

1149177

10 через первый эксцентрик светового модулятора, другие пары — через второй эксцентрик светового модулятора, а источники переменного света с фотореэисторами выполнены в виде отдельных оптозлекронных ячеек, фоторезисторы которых попарно последовательно соединены в плечах мостов синфазного и квадратурного каналов измерения.

На фиг. 1 представлена структурная схема фотоэлектрического анализатора спектра, на фиг. 2 — оптикомеханический узел.

Фотоэлектрический анализатор 15 спектра содержит (фиг. 1) задатчик

1 вынужденных колебаний, источник

2 анализируемых сигналов, источник

3 постоянного напряжения, источник

4 постоянного света, множительные 20 блоки в виде m пар (где rn — число анализируемых гармоник) мостов

5 и 6, интеграторы 7 и блок 8 регистрации.

Мосты 5 и 6 множительных блоков 25 имеют фоторезисторные плечи, которые в канале первой гармоники (n = 1) содержат по одному из фоторезисторов 9.1, 9.2, 9.3. 9,4, а в остальных каналах выполнены в 30 виде последовательно соединенных двух фоторезисторов 9.1 — 9.6, 9.3 — 9.8, 9.2 — 9.7, 9.4 — 9.5, и осветительные плечи., выполненные в виде последовательно соединенных 35 двух источников переменного света

10.1 — 10.2, 10.3 — 10.4, t0.5

tO.6, t0.7 — 10.8, образующих в каждом мосте по две дифференциальные пары, эа исключением мостов канала высшей гармоники, где подобные пле чи со стоят из ре з ис торов

11. 1, 11. 2, 1 1 . 3 и 11. 4. Входы мостов 5 и 6 в канале первой гармоники подключены к источнику 2 акали- 4 зируемых сигналов, а входы мостов

5 и 6 в каналах остальных гармоник подключены к источнику 3 постоянного напряжения. Выходы всех мостов множительного блока через соответствующие интеграторы 7 соединены с блоком 8 регистрации. Источник 2 анализируемых сигналов синхронизировак с задатчиком 1 вынужненных коле баний.

Источники 4 и 10 постоянного и переменного света, а также все фоторезисторы 9 размещены в параллельных плоскостях в оптико-механическом узле (фиг. 2) и оптически сопряжены друг с другом через световой модулятор в виде двух цилиндрических эксцентриков 12 и

13„ экстремумы которых взаимно сдвинуты на угол 90 . Ось светового модулятора сочленена с задатчиком 1 вынужденных колебаний. Для формирования равномерных световых потоков источников 4 и 10 служит линейный конденсатор 14. Источник

4 постоянного света сопряжен оптически одновременно через эксцент- рики 12 и 13 с фоторезисторами 9 канала первой гармоники. Источники

10 переменного света каскадно оптически сопряжены в синфазном тракте через эксцентрик 12, а в квадратурком тракте через эксцентрик 13 с соответствующими фоторезисторами

9, образуя при этом отдельные оптоэлектронные ячейки, светоиэолированные одна от другой. Фоторезисторы оптоэлектронных ячеек попарно последовательно соединены в фоторезистивных плечах мостов 5 синфаэного тракта по одкозначкому (синфазному) но приращениям сопротивлений признаку, а мостов 6 квадратурного тракта по равноэкачному (противофаэному) по . приращениям сопротивлений признаку.

Подобкые элементы анализатора имеют идентичные параметры.

Фотоэлектрический анализатор спектра работает следующим образом.

Сигнал на выходе источника 2 в виде напряжения U(t) можно представить разложением в ряд Фурье

U(t) = А, + (a„sin nest +

Пй1

+ b„cos про С, (t) — постоянная составляющая

Э синфазная и квадратурная составляющие, — номер гармоники, — круговая частота. где А а„, Ь„

При вращении эксцентриков 12 и

i3 светового модулятора с постоянной угловой скоростью площади фоторезисторов 9 перекрываются по гармоническим законам з п м t u cos co t.

Известно, что световой поток Ф, падающий от.источника света иа светочувствительный слой фотореэистора

1149177 и определяющий его сопротивление, характеризуется выражением

Ф-E S (2) г@е Š— значение освещенности источника света; 5

S — засвечиваеиая им площадь.

Согласно этому, изменения световых потоков, падающих от источника

4 постоянного света (Е = сопз ) на светочувствительные слои фотореэисторов 9.1 — 9.4 мостов 5 н 6 канала первой гармоники {n = 1), пропорциональны законам sin ю t u cos ui t, что влечет к соатветствующии изменениям их сопротивлений. $$

В связи с существующим положением„ с выходных диагоналей данных мостов .5 и 6, входные диагонали которых подключены к источнику 2 сигнала

U(t), снимаются электрические сигналы, пропорциональные

U " (t) = U(t) з и м а . (3)

U" (t) = U(t) cos ия t (4)

Кратно законаи этих сигналов изменяются токораспределения в осветительных плечах мостов 5 и 6 канала первой гармоники, что приводит к соответствующим изменениям освещенностей источников 10.1 — 10.8 Зч переменного света

E,î 01-1о г (t) = Eî,+ а E(U{t) (11

1о-1о ..sin иэ t) (5)

Е о - о (t) о о.,-1од ксоз u> t) (6) где Ео — среднее значение освещенности, nE (U{t) з1и ы t д Е(Ц{С}к 49

icos ы t ) — изменение ее приращения.

Источники 10. 1 — 10.8 мостов

5 и 6 канала первой гармоники (n = 13 оптически сопряжены с фоторезиетораии 9. 1 — 9.8, специфичес- 45 ким образом попарно последовательно .соединенныии в фоторезистивных ппечах мостов 5 и 6 канала второй гармоники (n = 2}.

За счет ранее отмеченной специ- 50 фической последовательной коммутации фоторезисторов 9.1 — 9.8 суммарные значения сопротивления фоторезистивных плеч этих мостов пропорциональны 55 „ (9.6

= К + DR(U{t) sin 2 x tj (7) Сг (t} Е(г1 {t) + R(t) () г 92 Ю.э

Ко — hRjU(t)> sin 2 м tj (8)

= R — aR(U{t} (сов и> t—

2 зЫ Ф t) = R — R(U(t)x

cos 2 м ) (9)

4 (t) 9.+ } 9.5

Rо + йКЕБ(t) (соз Ы t — sin аи t) R + nR(U(t) чсоз 2 (10) где R — среднее значение сопротивления фоторезистора,дК sin av t и a R cos cdt — изменения приращения этого сопротивления.

Так как входные диагонали мостов 5 и 6 в каналах высших гармоник (и 1) подключены к источнику 3 постоянного напряжения, с выходных диагоналей этих мостов снимаем электрические сигналы, кратные функциям изменения сопротивлений плеч с фоторезистораии

И (t) = U(t) sin 2ю t (11) (г1 (t) = U(t) cos 2 аи t (12) согласно которым изменяется свето° ° вой поток источников 10.1-10.8

1 еременного света осветительных и еч мостов 5 и 6 канала второй гармоники, которнй преобразуется в соответствующие изменения сопротивлений фотореэисторов 9.1-9.8 мостов 5 и 6 канала третьей гармоники (n = 3}.

Аналогичным образом изменяются световые потоки источников 10.1

10.8 переменного света мостов 5 и 6 канала предпоследней гармоники (и — 1), которые, в свою очередь, преобразуются вместе с законами модуляции освещаемых площадей светочувствительных слоев фоторезисторов мостов 5 и 6 канала высшей гарионики (п) в соответствующие изменения их сопротивлений, в результате с выходных диагоналей этих мостов снимаем электрические сигналы, пропорциональные и

1 5 (} 17() Г$1п (и-1) ш t хсоз щ t + cos (n 1) щ t sin

= U(t) sin n ы t (13) 7 11491

U y (t) = U(t) сов (n — 1) соя ю t — 8111 (и-1) м) t s1n ш

= U(t) ° cos n и t (14)

После интегрирования электрических сигналов, соответствующих выражениям (3), (4), (11) — (14), на выходе интеграторов 7 каналов от-, дельных гармоник анализатора получаем синфазные и квадратурные сос10 тавляющие гармонического спектра исследуемого сигнала V(t) а,, Ъ,, 77 а,, Ь, ..., а,, Ъ,, фиксируемые блоком 8 регистрации.

Таким образом, при сообщении от задатчика вынужденных колебаний эксцентрикам вращения с угловой скоростью, синхронизированной с источником анализируемых сигналов, на выходе анализатора одновременно получаем с высокой степенью точности полигармонические составляющие исследуемого процесса.

1149 77

Составитель А. Орлов

Редактор Н. Данкулич Техред С.Мигунова Корректор С. Черни

Заказ 1874/31 Тираж 748 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4