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 поляризации излучения оптического источника, являющимся следствием нестабильности тока накачки и свойств излучающей среды, а также тепловых деформаций, акустических и механических вибраций элементов конструкции источника излучения.
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 случайное изменение поляризации излучения оптического источника приводит к случайному измерению доли излучения, поглощаемого ответвителем [М. Борн, Э. Вольф «Основы оптики» М. Наука. 719 с. 1973]. При этом случайное изменение доли излучения, ответвленного на второй фотопреобразователь, является не пропорциональным случайному изменению доли излучения, принимаемого первым фотопреобразователем. Кроме того, 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 [В.Я. Менделеев, А.В. Курилович «Оптический датчик для уменьшения нестабильности оптического сигнала» Патент РФ №132183]. Датчик содержит источник оптического излучения, модулированного по интенсивности, ответвитель части модулированного излучения, два фотопреобразователя, первый из которых является приемником измеряемого излучения, конденсатор выборки и хранения сигнала, аналого-цифровой преобразователь, источник опорного напряжения, компаратор и коммутатор. При этом выход конденсатора выборки и хранения сигнала соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а выход ответвителя части модулированного излучения оптически связан с входом второго фотопреобразователя, выход первого фотопреобразователя соединен с сигнальным входом коммутатора, выход которого соединен с входом конденсатора выборки и хранения сигнала, причем выход второго фотопреобразователя соединен с одним из входов компаратора, а выход источника опорного напряжения соединен с другим входом компаратора и выход компаратора соединен с управляющим входом коммутатора
Недостаток этого технического решения заключается в том, что случайное изменение поляризации излучения оптического источника приводит к случайному измерению доли излучения, поглощаемого ответвителем. При этом случайное изменение доли излучения, ответвленного на второй фотопреобразователь, является не пропорциональным случайному изменению доли излучения, принимаемого первым фотопреобразователем. Вследствие этого равенство между величиной модулированного сигнала второго фотопреобразователя и величиной напряжения источника опорного напряжения достигается со случайным временным сдвигом, при котором сигнал первого фотопреобразователя поступает на конденсатор выборки и хранения со случайным изменением, отличающимся от изменения сигнала второго фотопреобразователя. При этом величина измерительного сигнала оптического датчика становится также случайной с нестабильностью не ниже 0.0045%.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу, направленную на уменьшение нестабильности измерительного сигнала оптического датчика, вызываемой случайным изменением поляризации излучения оптического источника. При этом технический результат, который может быть получен при случайном изменении поляризации излучения оптического источника, входящего в состав оптического датчика, достигается за счет исключения непропорциональности изменения доли излучения, ответвленного на второй фотопреобразователь, изменению доли излучения, принимаемого первым фотопреобразователем. Для этого излучение оптического источника преобразовывается в линейно поляризованное излучение с постоянным азимутом поляризации. При такой поляризации доля излучения, принимаемого первым фотопреобразователем, и доля излучения, ответвленного на второй фотопреобразователь, остаются постоянными (неизменными во времени).
Для достижения технического результата в оптический датчик, содержащий источник оптического излучения, модулированного по интенсивности, ответвитель части модулированного излучения и два фотопреобразователя, первый из которых является приемником измеряемого излучения, конденсатор выборки и хранения сигнала, аналого-цифровой преобразователь, источник опорного напряжения, компаратор и коммутатор, дополнительно введен формирователь линейно поляризованного излучения с постоянным азимутом поляризации. При этом выход конденсатора выборки и хранения сигнала соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а выход ответвителя части модулированного излучения оптически связан с входом второго фотопреобразователя, выход первого фотопреобразователя соединен с сигнальным входом коммутатора, выход которого соединен с входом конденсатора выборки и хранения сигнала, причем выход второго фотопреобразователя соединен с одним из входов компаратора, а выход источника опорного напряжения соединен с другим входом компаратора и выход компаратора соединен с управляющим входом коммутатора, а вход формирователя линейно поляризованного излучения оптически связан с выходом оптического источника излучения и выход формирователя оптически связан с входом ответвителя.
Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется схемой, показанной на фиг. 1. Пример конкретного осуществления полезной модели приведен на фиг. 2.
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, коммутатор 7, компаратор 8, источник 9 опорного напряжения, и формирователь 10 линейно поляризованного излучения с постоянным азимутом поляризации. Контролируемый образец 11 является отражателем измеряемого излучения на фотопреобразователь 3. При этом выход фотопреобразователя 3 соединен с последовательно соединенными коммутатором 7, 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 9 опорного напряжения соединен с другим входом компаратора 8 и выход компаратора 8 соединен с управляющим входом коммутатора 7.
Устройство полезной модели работает следующим образом. Оптическое излучение источника 1, модулированное по интенсивности, преобразуется формирователем 10 в линейно поляризованное излучение с постоянным азимутом поляризации, поступает на ответвитель 2 и направляется на контролируемый образец 11. Излучение, отраженное контролируемым образцом 11, падает на фотопреобразователь 3 и преобразуется в электрический сигнал, который поступает на коммутатор 7, закрытый в исходном состоянии. При этом сигнал на выходе коммутатора 7 равен нулю и нулю равен измерительный сигнал оптического датчика. Модулированное излучение, ответвленное ответвителем 2, преобразуется фотопреобразователем 4 в электрический сигнал, который поступает на вход компаратора 8, где сравнивается с напряжением источника 9 опорного напряжения. Если величина электрического сигнала на выходе фотопреобразователя 4 меньше напряжения источника 9 опорного напряжения, то компаратор 8 не выдает управляющий сигнал на включение коммутатора 7. При этом электрический сигнал с выхода фотопреобразователя 3 не проходит через коммутатор 7 на конденсатор 5 и измерительный сигнал оптического датчика равен нулю. При достижении электрическим сигналом фотопреобразователя 4 (вследствие временной модуляции) величины, равной величине напряжения источника 9 опорного напряжения, компаратор 8 формирует управляющий сигнал, включающий коммутатор 7. В этот момент времени электрический сигнал с выхода фотопреобразователя 3 проходит через коммутатор 7 на конденсатор 5. Конденсатор 5 накапливает электрический заряд, который преобразовывается аналого-цифровым преобразователем 6 в измерительный сигнал оптического 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 9 опорного напряжения.
Заявленное техническое решение исключает зависимость стабильности измерительного сигнала оптического датчика от случайных изменений поляризации излучения оптического источника, поскольку излучение оптического источника 1 преобразуется формирователем 10 в линейно поляризованное излучение с постоянным азимутом поляризации. При этом случайное изменение доли излучения, ответвленного на второй фотопреобразователь, остается пропорциональным случайному изменению доли излучения, принимаемого первым фотопреобразователем. Вследствие этого величина измерительного сигнала оптического датчика остается постоянной.
В оптическом датчике, схема которого приведена на фиг. 2, источник 1 оптического излучения содержит полупроводниковый лазерный диод 12 с модулятором 13 тока, модулирующим интенсивность излучения лазерного диода. Формирователь 10 линейной поляризации излучения выполнен в виде призмы Глана, а ответвитель 2 модулированного излучения выполнен в виде светоделительного кубика. Фотопреобразователи 3 и 4 содержат соответственно кремниевые фотодиоды 14 и 15 и операционные усилители 16 и 17. Аналого-цифровой преобразователь 6 выполнен в виде 16-ти разрядного аналого-цифрового преобразователя последовательного приближения, источник 9 опорного напряжения выполнен в виде микросхемы прецизионно стабилизированного напряжения, компаратор 8 выполнен в виде микросхемы, изготовленной по металлооксидной полупроводниковой технологии, коммутатор 7 выполнен в виде электронно-управляемого ключа.
Оптический датчик, выполненный по схеме, приведенной на фиг. 2, 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 0.0016%, что в ~3 раза меньше, чем нестабильность, полученная с использованием прототипа. Полученная нестабильность в 5 раз меньше нестабильности лучших оптических датчиков [D. Zhuang and Т. Yang “Spectral reflectance measurements using a precision multiple reflectometer in the UV and VUV range,” Applied Optics vol. 28, p. 5024-5028 (1989); PerkinElmer Inc., “Lambda 800 and 900 spectrophotometer systems,” http://www.surplusserver.com/PDF/Lambda800_900_Brochure.pdf (28 January 2014)].