АКУСТООПТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВОДНОЙ СРЕДЫ

Полезная модель относится к аналитическому приборостроению, а именно к акустооптическим устройствам спектрального анализа водной среды и может быть использована для анализа химического состава воды при проведении экологического мониторинга, исследовательских работ и в промышленности.
Известен акустооптический портативный спектрометр (US, патент, 7535617 В2, кл. G02F 1/15, 2009), состоящий из акустооптического перестраиваемого фильтра, включающего кристаллическую ячейку в неколлинеарной двойной акустооптической ячейке, каждая ячейка имеет прикрепленный преобразователь, преобразователь, в свою очередь прикреплен к источнику радиочастотного акустического сигнала, чтобы позволить производить акустооптическую перестраиваемую фильтрацию в каждой ячейке устройства на желаемой заданной частоте работы, преобразователи расположены таким образом, чтобы сформировать одиночный отраженный луч от неполяризованного падающего излучения, идущего через комбинацию двух формирующих луч линз, между двумя ячейками кристалла; части оптической щели подключены к устройству ячейки таким образом, чтобы пропускать только коллимированное отраженное излучение через первый кристалл и блокировать неотраженный луч оптической щелью, в то время как, это отраженное излучение с поляризацией перпендикулярной к данной плоскости подвергается вторичной дифракции при прохождении второй акустооптической ячейки, ориентация которой противоположна первому кристаллу, и вторая ячейка кристалла отражает излучение таким образом, что поляризация дважды дифрагированного луча находится по нормали к данной плоскости и перпендикулярно к направлению распространения излучения.
Недостатком данного портативного акустооптического спектрометра является невозможность его применения для проведения количественного и качественного анализа химического состава воды из-за отсутствия устройств для анализа и сравнения спектрального излучения, прошедшего через исследуемый образец.
За прототип принят акустооптический спектрометр (RU, патент, 2031374, кл. G01J 3/42, 1995), содержащий формирующую оптику, акустооптический фильтр, фотодетектор, установленные последовательно по ходу светового пучка, блок управления, подключенный к акустооптическому фильтру, и регистратор, подключенный к фотодетектору и блоку управления. Он снабжен преобразователем поляризации, генератором сигнала, инвертирующим усилителем, первой и второй ключевыми схемами, интегратором с временем интегрирования по крайней мере в два раза больше периода колебаний генератора сигнала, причем преобразователь поляризации установлен перед акустооптическим фильтром и подключен к выходу генератора сигнала, к которому подключены также управляющий вход первой ключевой схемы и через инвертирующий усилитель - управляющий вход второй ключевой схемы, сигнальные входы первой и второй ключевых схем и интегратора подключены к выходу фотодетектора, а их выходы - к входам регистратора, при этом второй выход блока управления подключен к генератору сигнала.
Недостатком данного устройства является низкая чувствительность прибора и невысокий спектральный контраст акустооптического фильтра, который является недостаточным для задач экологического мониторинга водной среды.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении качества, эффективности фильтрации, повышении точности регистрации спектров, увеличении чувствительности всего прибора для его применения в системах экологического мониторинга водной среды.
Поставленная задача решается за счет того, что в акустооптическом спектрометре, содержащим формирующую оптику, акустооптический фильтр, фотодетектор, установленные последовательно по ходу светового пучка, блок управления, подключенный к акустооптическому фильтру, и регистратор, подключенный к фотодетектору и блоку управления, преобразователь поляризации, генератор сигнала, инвертирующий усилитель, первая и вторая ключевые схемы, интегратором с временем интегрирования по край ней мере в два раза больше периода колебаний генератора сигнала, причем преобразователь поляризации установлен перед акустооптическим фильтром и подключен к выходу генератора сигнала к которому подключены также управляющий вход первой ключевой схемы и через инвертирующий усилитель управляющий вход второй ключевой схемы, сигнальные входы первой и второй ключевых схем и интегратора подключены к выходу фотодетектора а их выходы - к входам регистратора при этом второй выход блока управления подключен к генератору сигнала.
В отличие от прототипа акустооптический фильтр выполнен в виде двойного акустооптического монохроматора, добавлена кювета с исследуемой жидкостью, блок управления и регистратор заменен на персональный компьютер, который так же выполняет функцию компаратора в котором сравнивается исходный сигнал и сигнал прошедший через исследуемый образец.
На фигуре изображена блок схема заявляемого акустооптического спектрометра.
Заявляемый акустооптический спектрометр содержит формирующую оптику 1, преобразователь поляризации 2, кювету с исследуемой жидкостью 3, двойной акустооптический монохроматор 4, фотодетектор 5 для сигнала прошедшего через кювету 3, фотодетектор 6 для исходного сигнала, генератор сигнала 7, инвертирующий усилитель 8, интегратор 9, ключевые схемы 10 и 11, генератор высокой частоты 12, персональный компьютер 13.
Преобразователь 2. поляризации установлен перед акустооптическим фильтром и подключен к выходу генератора сигнала 7. Выход фотодетектора 5 подключен к сигнальным выходам интегратора 9, первой и второй ключевых схем 10 и 11, выходы которых подключены к USB-разъемам персонального компьютера. На управляющие входы ключевых схем подаются сигналы с выхода генератора 7 сигнала, причем на вторую ключевую схему сигнал подается через инвертирующий усилитель 8.
Формирующая оптика 1 содержит коллиматор из двух линз и точечной диафрагмы, обеспечивающий расходность светового пучка не более 2°. Двойной акустооптический монохроматор состоит из следующих элементов, расположенных по ходу светового луча: входной поляризатор, первый акустооптический фильтр, промежуточный поляризатор, второй акустооптический фильтр, выходной поляризатор. Промежуточный поляризатор выполняет функцию выходного поляризатора для первого акустооптического фильтра и одновременно входного поляризатора для второго акустооптического фильтра. Входной и выходной поляризаторы предназначены, для выделения дифрагированного светового излучения. Для этого их оси поляризации расположены ортогонально к оси поляризации промежуточного поляризатора.
Генератор высокой частоты обеспечивает на нагрузке ультразвукового преобразователя мощность ~4-5 Вт в диапазоне 50-140 МГц. Сигнал постоянного напряжения, пропорциональный частоте ультразвука, и длине волны настройки (пропускания) двойного акустооптического монохроматора, подается с выхода генератора высокой частоты на персональный компьютер и генератор сигнала. Фотодетекторами 4 и 5 служат фотодиоды ФД-24. Преобразователь поляризации 2 служит для периодического вращения плоскости поляризации входного сигнала с частотой, определяемой генератором 7 сигнала. Преобразователь поляризации выполнен из пластины плавленого кварца, склеенной с пьезоэлектрическим преобразователем, подключенным к выходу генератора сигнала 7. Амплитуда сигнала на пьезоэлектрическом преобразователе выбрана из условия поворота плоскости поляризации входного сигнала на угол 90° за счет наведенного двулучепреломления. Размеры пластин 30×20х10 мм.
Генератор 7 сигнала собран не транзисторах, причем пьезоэлектрический преобразователь включен в цепь обратной связи генератора. Поскольку частота вращения плоскости поляризации в кварцевой пластине в два раза выше частоты сигнала, подаваемого па пьезоэлектрический преобразователь, в генераторе сигнала имеется удвоитель частоты. Именно с выхода удвоителя частоты генератора 7 сигнала подается напряжение на управляющие входы ключевых схем 10 и 11.
Усилитель-инвертор 8 собран на транзисторах и обеспечивает при коэффициенте усиления 1 инвертирование сигнала с выхода генератора 7. Интегратор 9 - RC-цепочка в нагрузке эмиттерного повторителя, обеспечивающего развязку для ключевых схем. 10 и 11. Ключевые схемы, собранные на микросхемах с эмиттерными повторителями на входе и интегрирующими цепочками на выходе, обеспечивают регулируемую временную выборку сигналов фотодетектора синхронизированную с работой преобразователя 6 поляризации.
Заявляемый спектрометр работает следующим образом.
Световой пучок с расходимостью, определяемой формирующей оптикой 1. имеющий в общем случае две поляризационные составляющие, направляется на вход двойного акустооптического монохроматора с входным поляризатором. При включенном генераторе 7 сигнала преобразователь поляризации 2 периодически поворачивает плоскость поляризации входного сигнала и через кювету с исследуемым образцом 3 на входной поляризатор двойного акустооптического монохроматора 4 поочередно проходят поляризационные составляющие входного сигнала. Двойной акустооптический монохроматор пропускает на фотодетектор 5 составляющие входного сигнала на длине волны, определяемой частотой колебаний генератора высокой частоты 12. На выходе интегратора 9, подключенного к фотодетектору 5, при времени интегрирования, значительно большем периода колебаний генератора 7 сигнала, регистрируется сигнал, пропорциональный полусумме обеих поляризационных составляющих спектра сигнала на длине волны пропускания двойного акустооптического монохроматора. На выходах ключевых схем 10 и 11. осуществляющих выборку сигнала, синхронизованную состоянием преобразователя поляризации 6, регистрируются сигналы, пропорциональные поляризационным составляющим спектра. Периодический поворот плоскости поляризации входного сигнала, осуществляемый преобразователем поляризации 6, должен быть равен 90°, что достигается регулировкой амплитуды напряжения с выхода генератора сигнала 7 на пластинах пьезоэлектрического преобразователя. Небольшая коррекция амплитуды этого напряжения в рабочем спектральном диапазоне спектрометра осуществляется автоматически при подаче с выхода генератора высокой частоты 12 постоянного напряжения на вход генератора сигнала 7. Величина постоянного напряжения однозначно связана с длиной волны настройки двойного акустооптического монохроматора и устанавливается при его начальной настройке.
Таким образом, предлагаемый акустооптический спектрометр позволяет проводить количественный и качественный спектральный анализ химического состава воды кюветным способом и может найти широкое применение в системах экологического мониторинга водной среды в связи со сложившейся сложной экологической обстановкой.