ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО СИГНАЛА

Предлагаемая полезная модель относится к области измерительной техники и может быть применена к оптическим датчикам для уменьшения нестабильности измерительного сигнала, вызываемой случайным изменением интенсивности излучения оптического источника.
Известен оптический датчик для уменьшения нестабильности измерительного сигнала [V.Y.Mendeleyev "Scattering from unidirectional ground steel surfaces in the specular direction," Optics Communications vol. 268, p.7-14 (2006)], содержащий источник оптического излучения, ответвитель части излучения и преобразователь интенсивности измеряемого излучения в измерительный сигнал, включающий в себя два фотопреобразователя, первый из которых является приемником измеряемого излучения, два конденсатора выборки и хранения сигналов, два аналого-цифровых преобразователя и делитель. При этом выход первого фотопреобразователя соединен с последовательно соединенными первым конденсатором выборки и хранения сигнала и первым аналого-цифровым преобразователем. Выход ответвителя излучения оптически связан с входом второго фотопреобразователя, выход которого соединен с последовательно соединенными вторым конденсатором выборки и хранения сигнала и вторым аналого-цифровым преобразователем. Выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом делителя, а выход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с вторым входом делителя. При этом измерительным сигналом является результат деления выходного сигнала первого аналого-цифрового преобразователя на выходной сигнал второго аналого-цифрового преобразователя.
Недостаток этого технического решения заключается в том, что накопление заряда первым конденсатором выборки и хранения и накопление заряда вторым конденсатором выборки и хранения осуществляется в разные моменты времени и поэтому сигналы на выходе первого аналого-цифрового преобразователя и на выходе второго аналого-цифрового преобразователя соответствуют разным временным изменениям интенсивности источника излучения. Вследствие этого нестабильность измерительного сигнала, определяемая как отношение среднеквадратического отклонения случайных изменений измерительного сигнала к средней величине этого сигнала, составляет величину не ниже 0.1%.
Наиболее близкий к предлагаемой полезной модели по своей технической сути является оптический датчик для уменьшения нестабильности измерительного сигнала [D.Zhuang and T.Yang "Spectral reflectance measurements using a precision multiple reflectometer in the UV and VUV range," Applied Optics vol.28, p.5024-5028 (1989)], содержащий источник оптического излучения, модулированного по интенсивности, генератор временной синхронизации, ответвитель части модулированного излучения и преобразователь интенсивности измеряемого излучения в измерительный сигнал, включающий в себя два фотопреобразователя, первый из которых является приемником измеряемого излучения, два синхронных детектора, два конденсатора выборки и хранения сигналов, два аналого-цифровых преобразователя и делитель. При этом выход генератора временной синхронизации соединен с управляющим входом первого синхронного детектора и управляющим входом второго синхронного детектора. Выход первого фотопреобразователя соединен с сигнальным входом первого синхронного детектора, выход которого соединен с последовательно соединенными первым конденсатором выборки и хранения сигнала и первым аналого-цифровым преобразователем. Выход ответвителя излучения оптически связан со вторым фотопреобразователем, выход которого соединен с сигнальным входом второго синхронного детектора, выход которого соединен с последовательно соединенными вторым конденсатором выборки и хранения сигнала и вторым аналого-цифровым преобразователем. Выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом делителя и выход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с вторым входом делителя. При этом измерительным сигналом является результат деления полученных одновременно сигнала первого аналого-цифрового преобразователя на сигнал второго аналого-цифрового преобразователя.
Недостаток этого технического решения заключается в том, что невозможно обеспечить идентичность (одинаковость) передаточных характеристик первых и вторых фотопреобразователей, синхронных детекторов, аналого-цифровых преобразователей и конденсаторов выборки и хранения сигналов. Вследствие этого нестабильность измерительного сигнала такого датчика составляет величину не ниже 0.01%.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу, направленную на уменьшение нестабильности измерительного сигнала оптического датчика, вызываемой случайным изменением интенсивности излучения оптического источника. При этом технический результат, который может быть получен при работе оптического датчика, достигается за счет исключения зависимости стабильности измерительного сигнала от степени идентичности устройств, входящих в состав датчика. Для этого интенсивность излучения оптического источника подвергается временной модуляции и измерительный сигнал датчика формируется в момент времени, когда модулированная интенсивность излучения источника достигает заданную величину.
Для достижения технического результата в оптический датчик, содержащий источник оптического излучения, модулированного по интенсивности, ответвитель части модулированного излучения и преобразователь измеряемой интенсивности излучения в измерительный сигнал, включающий в себя два фотопреобразователя, первый из которых является приемником измеряемого излучения, конденсатор выборки и хранения сигнала и аналого-цифровой преобразователь, дополнительно введены источник опорного напряжения, компаратор и коммутатор. При этом выход первого фотопреобразователя соединен с сигнальным входом коммутатора, выход которого соединен с последовательно соединенными конденсатором выборки и хранения сигнала и аналого-цифровым преобразователем. Ответвитель излучения оптически связан со вторым фотопреобразователем, выход которого соединен с одним из входов компаратора, а выход источника опорного напряжения соединен с другим входом компаратора и выход компаратора соединен с управляющим входом коммутатора. При работе датчика в момент времени, когда величина модулированного сигнала на выходе второго фотопреобразователя равняется величине напряжения источника опорного напряжения, компаратор формирует управляющий сигнал, открывающий коммутатор. Вследствие этого, сигнал первого фотопреобразователя проходит через коммутатор на вход конденсатора выборки и хранения и аналого-цифровой преобразователь преобразовывает заряд конденсатора в измерительный сигнал датчика. За счет такого технического решения исключается зависимость стабильности измерительного сигнала оптического датчика от степени идентичности первого и второго фотопреобразователей, при этом измерительный сигнал формируется при постоянной величине интенсивности излучения оптического источника.
Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется схемой, показанной на фиг.1. Фиг.2 иллюстрирует выходные сигналы устройств, входящих в состав оптического датчика. Пример конкретного осуществления полезной модели приведен на фиг.3.
Оптический датчик (фиг.1) для уменьшения нестабильности измерительного сигнала содержит источник 1 оптического излучения, модулированного по интенсивности, ответвитель 2 части модулированного излучения, два фотопреобразователя 3 и 4, конденсатор 5 выборки и хранения сигнала, аналого-цифровой преобразователь 6, источник 7 опорного напряжения, компаратор 8 и коммутатор 9. Контролируемый образец 10 является отражателем измеряемого излучения на фотопреобразователь 3. При этом выход фотопреобразователя 3 соединен с последовательно соединенными коммутатором 9, конденсатором 5 выборки и хранения сигнала и аналого-цифровым преобразователем 6. Выход ответвителя 2 оптически связан с входом фотопреобразователя 4, выход которого соединен с одним из входов компаратора 8, а выход источника 7 опорного напряжения соединен с другим входом компаратора 8 и выход компаратора 8 соединен с управляющим входом коммутатора 9.
Устройство полезной модели работает следующим образом. Оптическое излучение источника 1, модулированное по интенсивности, проходя ответвитель 2, направляется на контролируемый образец 10. Излучение, отраженное контролируемым образцом 10, падает на фотопреобразователь 3 и преобразуется в электрический сигнал, который поступает на коммутатор 9, закрытый в исходном состоянии. При этом сигнал на выходе коммутатора 9 равен нулю и нулю равен измерительный сигнал датчика. Модулированное излучение, ответвленное ответвителем 2, преобразуется фотопреобразователем 4 в электрический сигнал, который поступает на вход компаратора 8, где сравнивается с напряжением источника 7 опорного напряжения. Если величина электрического сигнала на выходе фотопреобразователя 4 меньше напряжения источника 7 опорного напряжения, то компаратор 8 не выдает управляющий сигнал на включение коммутатора 9. При этом электрический сигнал с выхода фотопреобразователя 3 не проходит через коммутатор 9 на конденсатор 5 и измерительный сигнал датчика равен нулю. При достижении электрическим сигналом фотопреобразователя 4 (вследствие временной модуляции) величины, равной величине напряжения источника 7 опорного напряжения, компаратор 8 формирует управляющий сигнал, включающий коммутатор 9. В этот момент времени электрический сигнал с выхода фотопреобразователя 3 проходит через коммутатор 9 на конденсатор 5. Конденсатор 5 накапливает электрический заряд, который преобразовывается аналого-цифровым преобразователем 6 в измерительный сигнал датчика. Формирование следующих измерительных сигналов датчика осуществляется аналогичным образом. При этом величина этих сигналов остается постоянной, поскольку через коммутатор могут проходить сигналы только тогда, когда величина напряжения на выходе фотопреобразователя 4 равняется величине напряжения источника 7 опорного напряжения.
2
2
0
1
0
S
C
1
C
2
C
3
1
3
На фиг.2а иллюстрируется уменьшение амплитуды модулированного сигнала U(t) на выходе фотопреобразователя 4, вызванное случайным изменением модулированной интенсивности излучения оптического источника 1. Уменьшение амплитуды модулированного сигнала U(t) на выходе фотопреобразователя 3, вызванное тем же случайным изменением модулированной интенсивности излучения оптического источника 1, иллюстрируется на фиг.2б. На фиг.2а также показана постоянная величина напряжения U источника 7 опорного напряжения. В момент совпадения величины напряжения U(t) на выходе фотопреобразователя 4 с напряжением U источника 7 опорного напряжения компаратор 8 формирует сигнал U(t) (фиг.2в), который открывает коммутатор 9, подключающий фотопреобразователь 3 к конденсатору 5 выборки и хранения сигнала. Таким образом, величина заряда U(t), U(t) и U(t) (фиг.2г) конденсатора 5, накопленного в моменты времени t, t2 и t и преобразованного аналого-цифровым преобразователем 6 в измерительный сигнал датчика, является постоянной величиной, соответствующей одной и той же величине интенсивности источника излучения.
Заявленное техническое решение исключает зависимость стабильности измерительного сигнала оптического датчика от степени идентичности фотопреобразователей датчика и по сравнению с прототипом позволяет уменьшить нестабильность измерительного сигнала более чем в два раза.
В оптическом датчике, схема которого приведена на фиг.3, источник 1 оптического излучения содержит полупроводниковый лазерный диод 11 с модулятором 12 тока, модулирующим интенсивность излучения лазерного диода. Ответвитель 2 модулированного излучения выполнен в виде светоделительного кубика. Фотопреобразователи 3 и 4 содержат соответственно кремниевые фотодиоды 13 и 14 и операционные усилители 15 и 16. Аналого-цифровой преобразователь 8 выполнен в виде 16-ти разрядного аналого-цифрового преобразователя последовательного приближения, источник 7 опорного напряжения выполнен в виде микросхемы прецизионно стабилизированного напряжения, компаратор 8 выполнен в виде микросхемы, изготовленной по металлооксидной полупроводниковой технологии, коммутатор 9 выполнен в виде электронно-управляемого ключа.
Оптический датчик, выполненный по схеме, приведенной на фиг.3, исследовался экспериментально. Длина волны излучения лазерного диода, частота модуляции интенсивности излучения и температурный коэффициент источника опорного напряжения составляли соответственно 635 нм, 285 Гц и 1 ppm/°C. Нестабильность измерительного сигнала датчика, полученная экспериментально, составила 0.0045% за 1 час работы, что в 2.2 раза меньше, чем нестабильность, полученная с использованием прототипа.