Способ стабилизации работы фотоприемного устройства гидрооптического измерительного канала
Владельцы патента RU 2313770:
Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при проектировании и изготовлении фотоприемного устройства гидрооптического измерительного канала, включающего в себя фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Недостатком ФЭУ является нестабильность их параметров при воздействии внешних факторов, что приводит к изменению коэффициента усиления ФЭУ. Для стабилизации характеристик фотоэлектронного усилителя (ФЭУ) фотоприемного устройства в качестве опорного источника излучения применен светоизлучающий диод АЛ-102В с временной стабильностью не хуже 2% за 400 часов непрерывной работы. Для этих светодиодов разработан и изготовлен активный термостат, который поддерживает температуру корпуса светодиода 44±0,1°С. 2 ил.
Данное изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при проектировании и изготовлении узлов фотоприемного устройства для измерительных приборов гидрооптических характеристик.
Одним из основных узлов гидрооптического измерительного канала является фотоприемное устройство, которое осуществляет прием светового сигнала, преобразование его в электрический и дальнейшее преобразование электрического сигнала для передачи его в бортовое устройство и для записи на регистратор.
Современные фотоприемники, применяемые в гидрооптических измерителях и выпускаемые отечественной промышленностью (фотосопротивление, фотодиоды, фотоумножители), обладают определенными недостатками, среди которых в первую очередь следует отметить нестабильность коэффициента преобразования лучистого потока в электрический сигнал. Изменение коэффициента происходит под действием многих внешних факторов: температура, магнитное поле, время, величина падающего излучения, напряжение питания и т.д. [6].
Выбор фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) в качестве фотоприемника в гидрооптических измерительных каналах обусловлен двумя факторами: высокой чувствительностью и возможностью проводить измерения в большом динамическом диапазоне. Большая нестабильность параметров фотоэлектронных умножителей от воздействия внешних факторов приводит к изменению коэффициента усиления ФЭУ.
В этой связи задача стабилизации работы ФЭУ и улучшения метрологических характеристик гидрооптического измерительного канала становится актуальной.
Близким к прототипу является патент на изобретение №2271530 от 10 марта 2006 г. «Способ оценки погрешностей для измерителей гидрооптических характеристик» [1]. В этом изобретении решается задача поверки метрологической характеристики фотоприемного устройства, но оно не может быть использовано для решения задачи временной и температурной стабилизации работы фотоприемного устройства.
Одним из эффективных способов поддержания постоянства коэффициента усиления (ФЭУ) является периодическая коррекция его по опорному сигналу, электрическому или оптическому. Для измерителей первичных характеристик, имеющих искусственный источник света, стабилизацию коэффициента можно осуществлять относительно электрического сигнала, пропорционального опорному лучистому потоку от собственного источника света, при условии стабильности работы источника опорного напряжения.
Сущность изобретения
Большая нестабильность параметров фотоэлектронных умножителей от воздействия внешних факторов приводит к изменению коэффициента усиления ФЭУ [2, 3]. Для обеспечения гибкой и оперативной регулировки коэффициента усиления ФЭУ наиболее эффективным является изменение напряжения питания. Изменяя напряжение питания фотоумножителя, можно в широких пределах регулировать выходной ток, компенсируя влияние внешних факторов. Для решения этой задачи необходим опорный световой сигнал, относительно которого должна осуществляться стабилизация.
В качестве источника опорного излучения могут быть использованы лампы накаливания или светодиоды. Лампы накаливания обладают таким недостатком, как оседание вольфрама на стенках колбы. Этот процесс практически необратим (даже для ламп с йодистым циклом), поэтому использовать лампы накаливания для измерителей с большим межповерочным интервалом не представляется возможным. Отечественная промышленность в настоящее время выпускает большую номенклатуру излучающих светодиодов (СИД) для видимого и ближнего ифракрасного диапазонов.
К таким светодиодам относятся: диоды АЛ-112В, АЛ-112И, АЛ-112М, излучающие на длине волны 480-500 нм; диоды типа АЛ-102В, Д; АЛ-112Б, Д, Ж - зеленый свет свечения.
Стабильность потока излучения светодиодов и зависимость его от влияния внешних факторов подробно изучены и представлены в работах [5]. Анализ этих материалов позволяет сделать вывод, что есть возможность получить стабильность потока излучения не хуже 8-10% как при изменении температуры окружающей среды в диапазоне от минус 2 до плюс 35°С, так и в течение 500 часов непрерывной работы.
Для определения временной стабильности светодиодов типа АЛ1-2В и АЛ-307Г и отбора их по временной стабильности характеристик разработан, изготовлен и используется стенд.
Схема стенда для определения временной стабильности светоизлучающих диодов приведена на Фиг.1. В состав стенда входят стандартные щитовые приборы, блоки питания, световоды, образцовая лампа 5-КГМН 27-5, светофильтр, фотоэлектронный умножитель и испытуемые светодиоды.
Температурный коэффициент излучения серийно выпускаемых светодиодов составляет 1%·С-1 [4], поэтому для стабилизации потока излучения светодиодов по методике, приведенной в работе [5], были рассчитаны и подобраны резисторы внешней цепи. Испытания светодиодов проводились в диапазоне температур от -0,5 до +44°С. Изменение светового потока составило 3% по сравнению с 45% без подбора резистора внешней цепи. Зависимость изменения выходного сигнала светодиода от температуры приведена на Фиг.2.
Исходя из температурного коэффициента 1%·С-1 следует, что для получения стабильного потока в 0,1% необходимо поддерживать температуру светодиода с точностью 0,1°С [5].
Для применяемых светодиодов типа АЛ-102 В разработан и изготовлен активный термостат, который поддерживает температуру корпуса светодиода 44±0,1°С. При этом потребляемая термостатом мощность по цепи питания +15 В составляет 0,1 Вт, габаритные размеры термостата: L=51 мм, ⊘=30 мм.
Результаты исследования временной стабильности потока светоизлучающего диода показали, что при специальном отборе на созданном стенде можно выбрать светодиод с временной стабильностью не хуже 2% за 400 часов непрерывной работы.
Поскольку временное изменение потока светодиодов зависит от качества и технологии изготовления, для получения стабильных источников необходимо специально отбирать их из большой партии.
Полученные результаты исследования позволяют сделать вывод, что специально отобранный и термостатированный светодиод типа АЛ-102В отвечает требованиям, предъявляемым к опорному источнику и может быть использован в фотоприемном устройстве.
Литература
1. Смирнов Г.В. Патент на изобретение №2271530 от 10 марта 2006 г. «Способ оценки погрешностей для измерителей гидрооптических характеристик».
2. Якушенков Ю.Г., Луканцев В.Н., Колосов М.П. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах. М.: Радио и связь. 1981.
3. Павлов А.В., Черников Н.С. Приемники излучения автоматических оптико-электронных приборов. М.: Энергия, 1972.
4. Берг А., Дин П. Светодиоды. М.: Мир, 1979, 160 с.
5. Ильина Э.В. и др. Исследование температурной зависимости светодиодов. //Метрологическое обеспечение энергетической фотометрии некогерентного излучения. М.: ВНИИОФИ, 1979.
6. Засименко В.М., Голюка Н.Б. Использование структурных методов для повышения точности пирометрических преобразователей частичного и полного излучения. //Контрольно-измерительная техника. Львов, 1980. №32.
Способ стабилизации работы фотоприемного устройства гидрооптического измерительного канала, заключающийся в том, что фотоприемное устройство гидрооптического измерительного канала включает в себя фотоэлектронный усилитель (ФЭУ) и в качестве источника опорного излучения, относительно которого осуществляется стабилизация выходного тока ФЭУ, светоизлучающий диод (СИД), отличающийся тем, что в качестве источника опорного излучения применяются светоизлучающие диоды АЛ-102 В с временной стабильностью не хуже 2% за 400 ч работы, а корпус опорного светодиода помещается в термостат, который поддерживает температуру корпуса светодиода 44°С с нестабильностью ±0,1°С.
