Двухлучевой фотометр

 

Изобретение относится к приборостроению и может найти применение на аэродромах для измерения прозрачности атмосферы. Сущность изобретения: устройство содержит хронизатор, основной и дополнительный источники модулированного света, измерительный, эталонный и два дополнительных оптических тракта, измерительный фотопреобразователь с регулируемым коэффициентом преобразования, дополнительный фотопреобразователь, два устройства разделения сигналов основного и дополнительного источников света, два пиковых детектора, две схемы сравнения, источник опорного напряжения и регулируемый источник питания основного источника света, а также последовательно соединенные сравнивающее пороговое устройство, устройство переключения нейтрального светофильтра с выхода основного источника модулированного света на вход измерительного фотопреобразователя, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и цифровой индикатор, дополнительный источник опорного напряжения, который подключен к второму входу сравнивающего порогового устройства, первый вход которого подключен к выходу измерений измерительного фотопреобразователя, а вход аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу измерений фона измерительного фотопреобразователя. 1 ил.

Изобретение относится к приборостроению и может найти применение на аэродромах для измерения прозрачности атмосферы.

Аналогом изобретения выбран двухволновой фотометр по [1] содержащий 2 источника излучения, 2 монохроматора, 2 оптических разделителя, 2 кюветы, 4 фотоприемника, 2 дифференциальных усилителя, регистратор, источник опорного напряжения. При этом первый источник излучения, первый монохроматор, первый оптический разделитель и первая кювета последовательно установлены и оптически связаны. Второй фотоприемник оптически связан с выходом первого оптического разделителя и подсоединен к одному из входов дифференциального усилителя, выход которого соединен с первым источником излучения. Источник опорного напряжения подключен к другому входу первого дифференциального усилителя. Второй источник излучения через второй монохроматор оптически связан с вторым оптическим разделителем, один выход которого через вторую кювету оптически связан с третьим фотоприемником, а другой выход с четвертым фотоприемником, подключенным на входе регистратора. Выходы первого и третьего фотоприемников подключены к входам второго дифференциального усилителя, а выход последнего к выходу второго источника излучения.

Прототипом изобретения является двухлучевой фотометр по [2] который содержит 2 источника модулированного света, измерительный, эталонный, 2 дополнительных оптических тракта, 2 фотопреобразователя, 2 схемы сравнения, первые входы которых выполнены с запоминанием уровня, например, с помощью пиковых детекторов сигнала, источник опорного напряжения, 4 коммутатора, из которых второй и четвертый представляют собой устройства разделения сигналов, вычитающее устройство, делитель и усилитель, функционально аналогичный регулируемому источнику питания. Непрерывная последовательность световых сигналов от источников света синхронизирована при помощи хронизатора. Первый источник света через измерительный и первый дополнительный оптические тракты связан с первым и вторым фотопреобразователями соответственно. Второй источник света через эталонный и второй дополнительный оптические тракты соединен с первым и вторым фотопреобразователями соответственно. Первый фотопреобразователь подключен к первому входу вычитающего устройства, к второму входу которого подключен источник опорного напряжения через первый коммутатор электрических сигналов. Выход вычитающего устройства соединен с первым входом и через четвертый коммутатор с вторым входом первой схемы сравнения, а ее выход связан с управляющим входом первого преобразователя. Выход второго фотопреобразователя связан через второй коммутатор с второй схемой сравнения либо непосредственно, либо через делитель. Выход второй схемы сравнения подключен к входу усилителя через третий коммутатор. Выход усилителя соединен с входом второго источника света. Выход вычитающего устройства является выходом фотометра. Недостаток прототипа и аналога заключается в ограниченном диапазоне измерения яркости фона не более двух порядков величины, в то время как фактический диапазон изменения естественного фона составляет более четырех порядков величины.

Изобретение решает задачу увеличения динамического диапазона и точности измерения яркости фона за счет изменения влияющей фоновой засветки известно, что фон, изменяясь в 10 раз вплоть до солнечной засветки, сильно изменяет сигнал на выходе фотопреобразователя (фотоумножителя, фотодиода и др.) и может довести его до насыщения} Предложенный двухлучевой фотометр содержит первый и второй источники света, измерительный, эталонный и два дополнительных оптических тракта, первый и второй фотопреобразователи, два устройства разделения сигналов первого и второго источников света, две схемы сравнения, первые входы которых выполнены с запоминанием уровня сигнала, например, с помощью пиковых детекторов, источник опорного напряжения, регулируемый источник питания. При этом первый источник света через измерительный и первый дополнительный оптические тракты связан с первым и вторым фотопреобразователями соответственно. Второй источник света связан с указанными фотопреобразователями через эталонный и второй дополнительный оптические тракты соответственно. Выход первого фотопреобразователя связан с первым входом первого устройства разделения сигналов, первый выход которого является выходом фотометра, а второй выход соединен с первым входом первой схемой сравнения, выход которой соединен с управляющим входом первого фотопреобразователя, а второй вход связан с вторым выходом второго устройства разделения сигналов, первый вход которого подключен к выходу второго фотопреобразователя, а первый выход соединен с первым входом второй схемы сравнения, второй вход которой связан с источником опорного напряжения, а выход с управляющим входом регулируемого источника питания, выход которого соединен с первым входом первого источника света.

Отличается от прототипа тем, что в него дополнительно введены нейтральный светофильтр, последовательно соединенные сравнивающее пороговое устройство и устройство переключения нейтрального светофильтра, дополнительный источник опорного напряжения, а также последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и цифровой индикатор. При этом нейтральный светофильтр установлен на выходе первого источника света или на входе первого фотопреобразователя. Дополнительный источник опорного напряжения подключен к второму входу сравнивающего порогового устройства, первый вход которого связан с выходом измерения фона первого фотопреобразователя. Вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом измерения фона первого фотопреобразователя, а выход сравнивающего порогового устройства подключен к входу управления разрядом цифрового индикатора. Второй вход первого источника света через хронизатор соединен с входом второго источника света. Второй выход хронизатора связан с вторым входом первого устройства разделения сигналов. Третий выход хронизатора соединен с вторым входом второго устройства разделения сигналов.

На чертеже приведена блок-схема двухлучевого фотометра.

Предложенный двухлучевой фотометр содержит первый (1) и второй (2) источники света, измерительный (4), эталонный (5) и два дополнительных (8), (9) оптических тракта, первый (6) и второй (7) фотопреобразователи, два устройства разделения сигналов первого (10) и второго (11) источников света, две схемы сравнения (13), (15), первые входы которых выполнены с запоминанием уровня сигнала, например, с помощью пиковых детекторов (12 и 14), источник (16) опорного напряжения, регулируемый источник питания (17), нейтральный светофильтр (22), последовательно соединенные сравнивающее пороговое устройство (20) и устройство переключения нейтрального светофильтра (21), дополнительный источник опорного напряжения (23), а также последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (18) и цифровой индикатор (19).

При этом первый источник (1) света через измерительный (4) и первый дополнительный (8) оптические тракты связан с первым (6) и вторым (7) фотопреобразователями соответственно, второй источник (2) света связан с указанными фотопреобразователями через эталонный (5) и второй дополнительный (9) оптические тракты соответственно, выход первого фотопреобразователя (6) связан с первым входом первого устройства разделения сигналов (10), первый выход которого является выходом фотометра, а второй выход соединен с первым входом первой схемы сравнения (13), выход которой соединен с управляющим входом первого фотопреобразователя (6), а второй вход связан с вторым выходом второго устройства разделения сигналов (11), первый вход которого подключен к выходу второго фотопреобразователя (7), а первый выход соединен с первым входом второй схемы сравнения (15), второй вход которой связан с источником опорного напряжения (16), а выход с управляющим входом регулируемого источника питания (17), выход которого соединен с первым входом первого источника света (1). При этом нейтральный светофильтр (21) установлен на выходе первого источника света (1) или на входе первого фотопреобразователя (6), дополнительный источник опорного напряжения (23) подключен к второму входу сравнивающего порогового устройства (20), первый вход которого связан с выходом измерения фона первого фотопреобразователя (6), вход аналого-цифрового преобразователя (18) соединен с выходом измерения фона первого фотопреобразователя (6), а выход сравнивающего порогового устройства (20) подключен к входу управления разрядом цифрового индикатора (19).

Второй вход первого источника света через хронизатор (3) соединен с входом второго источника света. Второй выход хронизатора (3) связан с вторым входом первого устройства разделения сигналов (10). Третий выход хронизатора (3) соединен с вторым входом второго устройства разделения сигналов (11).

Фотометр работает следующим образом. Под воздействием хронизатора (3) обеспечивается непрерывная последовательность световых сигналов от источников (1 и 2) света, которые поочередно через тракты 4 и 5, затем через тракты 8 и 9 поступают на фотопреобразователи (6 и 7).

При включении источника 2 света напряжение U2 с выхода фотопреобразователя 6 подается через второй выход устройства 10 на первый вход схемы 13 сравнения и определяется выражением U2=ϕ2КЭК, где ϕ2 световой поток источника 2, КЭ коэффициент пропускания эталонного тракта (8), К коэффициент преобразования фотопреобразователя 6.

Одновременно с выхода преобразователя 7 через второй выход устройства 11 на вход схемы 13 сравнения подается напряжение U2', равное: U2=ϕ2КД2КД, где КД2 коэффициент пропускания первого дополнительного тракта (9); КД коэффициент преобразования второго фотопреобразователя (7).

Если это напряжение не равно U2, то сигнал разности с выхода схемы 13 сравнения воздействует на управляющий вход первого фотопреобразователя (6) до наступления этого равенства, т.е. условия, при котором КЭ К КД2 КД
или
К (КД2/КЭ) КД.

При включении второго источника (2) и выключении первого источника (1) напряжение с выхода первого фотопреобразователя (6) подается через первый выход устройства 10 разделения сигналов и пиковый детектор (12) на выход фотометра:
Uвых=ϕ1Tt,
где ϕ1 световой поток первого источника (1);
t коэффициент пропускания измерительного тракта (среды).

Одновременно с выхода второго фотопреобразователя (7) через первый выход устройства 11 разделения сигналов и пиковый детектор (14) на первый вход схемы 15 сравнения подается напряжение U1, равное:
U1=ϕ1КД1КД,
где КД1 коэффициент пропускания второго дополнительного тракта 5.

На второй вход схемы 15 сравнения подается напряжение от источника опорного напряжения (16), равное Uоп. Если напряжение U1 на равно Uоп, то сигнал разности выхода схемы 15 сравнения воздействует на регулируемый источник (17) питания до наступления равенства U1 Uоп, при котором
Uоп=ϕ1КД1КД.
Учитывая это равенство, можно записать следующим образом:
Uвых Uоп to (КД2/КД1 КЭ),
откуда видно, что результат измерения не зависит от коэффициентов преобразования фотопреобразователей.

Выходной сигнал от воздействия на первый фотопреобразователь (6) яркости фона можно записать в следующем виде:
Uф=ϕК;
Uф=(КД2 КД/КЭ)ϕ=Kфϕ.
Из этого выражения видно, что стабильность статической характеристики фотометра как измерителя яркости фона определяется стабильностью второго фотопреобразователя (7), и он выбирается стабильным, например фотодиод.

Одновременно с первого фотопреобразователя (6) снимается выходной сигнал уровня фона, который поступает на АЦП (18) и на цифровой индикатор (19), где снимаются показатели уровня фоновой засветки. Известно, что уровень фона может меняться от 10 лк в ночном небе без луны и до 10000 лк (освещенность, создаваемая безоблачным солнцем), при этом возникает фоновый ток фотопреобразователя, который резко уменьшает как линейность измерения полезного сигнала, так и динамический диапазон измерений за счет насыщения фотодиода или фотоумножителя.

Поэтому, когда фоновый поток достигает величины, предельной для обеспечения требуемой точности измерения прозрачности атмосферы, сигнал с выхода фона первого фотопреобразователя (6) возрастает до порога срабатывания сравнивающего устройства (20). Сравнивающее пороговое устройство (20) выполнено двухпороговым, например, на 2 компараторах с логикой по выходу типа 521САЗ, и при возрастании входного сигнала (выход фона) до первого порогового уровня оно вырабатывает выходной сигнал, подающийся на переключающее устройство (21). Переключающее устройство 21 (например, электромагнитное устройство) выводит нейтральный светофильтр (22) с выхода первого источника и вводит его перед первым фотопреобразовтелем.

При этом уровень фона на измерительном фотопреобразователе уменьшается в Ксф раз, а уровень полезного сигнала не изменяется, следовательно не изменяются и показания пропускания атмосферы. Сигнал с выхода сравнивающего порогового устройства (20) подается также на вход управления разрядом цифрового индикатора (19), увеличивая показания индикаторов в Ксф раз, чем компенсируется снижение в Ксф раз сигнала на входе АЦП (18). В результате повышается точность измерения как основного сигнала, так и фоновых измерений, так как фотопреобразователь снова работает на линейном участке динамического диапазона.

При больших уровнях фоновой засветки светофильтр (22) остается установленным на входе первого фотопреобразователя (6). При уменьшении сигнала фоновой засветки входной сигнал сравнивающего порогового устройства (20) уменьшается до величины второго порогового уровня, который менее первого порогового уровня в Ксф раз, где Ксф малая величина (от 0,1 до 0,001), которая обеспечивает условие стабильного переключения порогового устройства (аналогично гистеpезису в триггере Шмидта).

Таким образом, при уменьшении фоновой засветки до второго порогового уровня сравнивающее пороговое устройство (20) своим выходным сигналом вызывает обратное срабатывание переключающего устройства (21), которое возвращает светофильтр (22) с входа первого фотопреобразователя (6) на выход первого источника (1) излучения. При этом также снимается сигнал с входа управления разрядом цифрового индикатора (19) и уменьшает его показания в Ксф раз. Источник опорного напряжения (23) обеспечивает стабильность порогов переключения сравнивающего устройства (20).

Таким образом поддерживается линейное измерение прозрачности атмосферы и яркости фона в большом динамическом диапазоне яркости фона.

Формула изобретения

Двухлучевой фотометр, содержащий первый и второй источники света, измерительный, эталонный и два дополнительных оптических тракта, первый и второй фотопреобразователи, два устройства разделения сигналов первого и второго источников света, две схемы сравнения, первые входы которых выполнены с запоминанием уровня сигнала, источник опорного напряжения, регулируемый источник питания, при этом первый источник света через измерительный и первый дополнительный оптические тракты оптически связан с первым и вторым фотопреобразователями соответственно, второй источник света оптически связан с указанными фотопреобразователями через эталонный и второй дополнительный оптические тракты соответственно, выход первого фотопреобразователя связан с первым входом первого устройства разделения сигналов, первый выход которого является выходом фотометра, а второй выход соединен с первым входом первой схемы сравнения, выход которой соединен с управляющим входом первого фотопреобразователя, а второй вход связан с вторым выходом второго устройства разделения сигналов, первый вход которого подключен к выходу второго фотопреобразователя, а первый выход которого соединен с первым входом второй схемы сравнения, второй вход которой связан с источником опорного напряжения, а выход с управляющим входом регулируемого источника питания, выход которого соединен с первым входом первого источника света, отличающаяся тем, что в него дополнительно введены нейтральный светофильтр, последовательно соединенные сравнивающее пороговое устройство и устройство переключения нейтрального светофильтра, дополнительный источник опорного напряжения, а также последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и цифровой индикатор, при этом нейтральный светофильтр установлен на выходе первого источника света или на входе первого фотопреобразователя, дополнительный источник опорного напряжения подключен к второму входу сравнивающего порогового устройства, первый вход которого связан с выходом измерения фона первого фотопреобразователя, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом измерения фона первого фотопреобразователя, а выход сравнивающего порогового устройства подключен к входу управления разрядом цифрового индикатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1