ИНТЕРФЕЙС ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ АНАЛИЗАТОРА ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области радиофизики и электроники, может быть использована в конструкциях измерительных комплексов, предназначенных для одновременной регистрации и визуализации пространственно-энергетических характеристик лазерного излучения.
Известен интерфейс измерительной системы (ИИС) - измеритель распределения энергии ИРЭ-100 (Технологические лазеры: Справочник: в 2Т. Т. 2 / Г.Л. Абильсиитов, В.Г. Гонтарь. А.А. Колпаков, Л.А. Новицкий и др. Под общ. ред. Г.А, Абильсиитова. М.: Машиностроение. 1994. - 544 с), который обеспечивает преобразование энергии светового излучения в электрический сигнал, усиление и запоминание пикового значения электрического сигнала по ста параллельным измерительным каналам, последующую коммутацию ячеек памяти на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), осуществляющего аналогово-цифровое преобразование величины электрического сигнала.
ИИС ИРЭ-100 состоит из последовательно соединенных первичного измерительного преобразователя на основе мозаичного термоэлектрического преобразователя, блока блок аналоговой памяти, блока коммутаторов, блока управления, АЦП и преобразователя цифрового кода, соединенного с принтером, блок управления своими входами и выходами соединен с блоком аналоговой памяти, блоком коммутаторов, АЦП, преобразователем цифрового кода и принтером.
Недостатком ИИС ИРЭ-100 является использование инерционного термоэлектрического преобразователя и регистрацию измерительной информации только на бумажном носителе.
Известен также ИИС аппаратуры системы контроля оси диаграммы направленности (СКОН) (Аппаратура для определения пространственно-энергетических характеристик лазерного импульсного ИК-излучения./ И.М. Белоусова, Е.А. Гавронская, M.Л. Граболин, В.А. Григорьев и др. // ОМП 1991 №8. С. 60-63.), которая позволяет получать данные о распределении энергии в лазерном импульсном ИК - излучении с длительностью импульса 20÷100 мкс и с частотой следования в диапазоне 0÷200 Гц.
ИИС СКОН состоит из последовательно соединенных первичного измерительного преобразователя на базе матричного пироэлектрического приемника, блока аналоговой памяти, блока интегральных коммутаторов, АЦП, устройства управления, содержащего генератор синхроимпульсов, дешифратор управляющих сигналов, устройства вывода информации на ЭВМ, входы и выходы устройства управления соединены с блоком аналоговой памяти, АЦП, дешифратором управляющих сигналов и блоком коммутаторов.
ИИС обеспечивает параллельный съем информации с матричного приемника, запоминание ее в блоке аналоговой памяти с последующим преобразованием в цифровую форму и выводом на ЭВМ. После ввода цифрового сигнала в ЭВМ производится его обработка, запись в долговременную память, вывод информации на экран дисплея и на печать. Длительность регистрации излучения определяется постоянной времени приемника и временем выборки информации блоком аналоговой памяти, а частота данных на экране ЭВМ зависит от времени обработки информации. Визуальная оперативная оценка пространственного распределения энергии в плоскости приемника обеспечивается выводом цветного изображения на телевизионный экран.
Недостатком СКОН является привлечение матричного приемника, в котором в процессе измерения используются не все измерительные каналы, т.к. лазерный луч имеет осевую симметрию. Привлечение большого объема аппаратных средств обуславливает громоздкость установки, что ограничивает ее использование. Синхронизация работы ЭВМ осуществляется от блока цифрового устройства ИИС, это на наш взгляд не рациональное решение, так как игнорируются возможности самой ЭВМ по скорости обмена информацией с ИИС.
Наиболее близким к полезной модели является интерфейс измерительной системы анализатора характеристик лазерного излучения (Патент на полезную модель №50657 РФ, МПК G01J 5/00 Интерфейс измерительной системы анализатора характеристик лазерного излучения / Олейник А.С., Дауров С.К. Опубл. 20.01.2006. Бюлл. №2). ИИС, содержащий последовательно соединенные первичный измерительный преобразователь на базе быстродействующего теплового многоэлементного приемника в виде пленки из материала с температурным гистерезисом фазового перехода полупроводник-металл, сопряженного с терморегулятором, интегральный коммутатор и преобразователь «сопротивление-напряжение», а также счетчик и персональный компьютер, отличающийся тем, что введен микроконтроллер, соединенный с выходом преобразователя «сопротивление-напряжение» и подключенный через последовательный канал к компьютеру, микроконтроллер одним из своих входов-выходов соединен с терморегулятором, а двумя другими связан со счетчиком, который подключен к адресным входам интегрального коммутатора.
Измерение основанно на параллельной регистрации каналами приемника измерительной информации, запоминание и последовательную ее обработку в цифровой форме. Терморегулятор обеспечивает внутреннюю память приемника.
По команде оператора персональный компьютер ПК формирует сигнал запуска, который но последовательному СОМ-порту (интерфейс RS-232C) осуществляет запуск микроконтроллера МК и ПК переходит в режим ожидания. МК начинает выполнять программу управления терморегулятором, предназначенного для термостатирования многоэлементного теплового приемника.
После облучения лазерным лучем многоэлементного теплового приемника формируется сигнал запроса, поступающий на МК, в результате чего МК прерывает свою программу и переходит к выполнению процедуры обслуживания, оформленной в виде подпрограммы. Процедура обслуживания начинается с формирования сигнала СБРОС, который обнуляет счетчик адресов СчА, соединенный с адресными входами коммутатора К. В результате первый термочувствительный элемент приемника подключается на вход преобразователя сопротивление-напряжение (ПСН), где преобразуется в постоянное напряжение. Это напряжение поступает на вход АЦП, находящегося внутри микроконтроллера МК. После завершения аналого-цифрового преобразования, цифровой код, соответствующий сопротивлению первого термочувствительного элемента, записывается в определенную область оперативной памяти МК. На этом заканчивается нулевой цикл. Следующий цикл начинается с генерации и микроконтроллером сигнала УВЕЛИЧИТЬ, поступающего на счетчик адресов СчА и увеличивающий его содержимое на 1, в результате чего формируется адрес следующего термочувствительного элемента, который подключается с помощью коммутатора к входу ПСН и описанная ранее процедура повторяется.
После опроса всех термочувствительных элементов в определенной области памяти микроконтроллера МК будет сформирован массив измерительной информации и МК установит сигнал готовности к обмену с персональным компьютером ПК. ПК, реагируя на сигнал готовности, осуществляет прием массива измерительной информации через последовательный СОМ-порт для дальнейшей обработки. После передачи информации в ПК микроконтроллер возвращается к программе управления терморегулятором, а ПК переходит к этапу обработки и отображения измерительной информации на экране дисплея. Таким образом, основная программа МК управляет работой терморегулятора, а съем информации с термочувствительных элементов и ее преобразование в цифровую форму реализуется в режиме с прерыванием.
Недостатком ИИС является зависимость точности измерения от флуктуации температуры термостатирования (т.к. сопротивление термочувствительного слоя от температуры носит гистерезисный характер). Обеспечить точность термостатирования ±0.05% от величины температуры середины петли в массовых изделиях достаточно проблематично, что снижает точность измерения. Кроме того наличие нагревательного элемента снижает надежность.
Задачей данной полезной модели является повышение надежности за счет снижения аппаратных средств, повышения точности измерения, возможности автономного использования в составе устройства контроля лазерного излучения, и увеличение точности регистрации измерительной информации.
Поставленная задача решается следующим образом: в интерфейс измерительной системы анализатора характеристик лазерного излучения, содержащий последовательно соединенные многоэлементный тепловой приемник, блок коммутации, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, последовательный канал связи с персональным компьютером, персональный компьютер, микроконтроллер своими входами и выходами соединен с блоком коммутации, аналого-цифровым преобразователем и последовательным каналом связи с персональным компьютером введены блок индикации излучения, соединенный с многоэлементным тепловым приемником и микроконтроллером, и блок аналоговой памяти, соединенный с многоэлементным тепловым приемником, блоком коммутации и микроконтроллером.
ИИС анализатора характеристик лазерного излучения за счет введения в него блока индикации излучения обеспечивает заданную величину чувствительности. Это позволяет проводить анализ распределения энергии в единичном импульсе излучения, без потери информативности. Так как съем сигнала происходит от установленной минимальной величины чувствительности приемника. Кроме того блок аналоговый памяти обеспечивают параллельную регистрацию и обработку измерительной информации, что исключает использование терморегулятора. Это повышает надежность приемника.
Полезная модель поясняется чертежами, где: на Фиг. 1 показа структурная схема ИИС, на Фиг. 2 показа принципиальная электрическая схема ИИС.
ИИС анализатора характеристик лазерного излучения (Фиг. 1) содержит последовательно соединенные многоэлементный тепловой приемник 1, блок аналоговой памяти 2, блок коммутации 3, аналого-цифровой преобразователь 4, микроконтроллер 5, последовательный канал связи с персональным компьютером 7 и персональный компьютер 8. Блок индикации 6 подключен к многоэлементному тепловому приемнику 1 и микроконтроллеру 5. Микроконтроллер 5 своими входами и выходами соединен с блоком аналоговой памяти 2, блоком коммутации 3, аналого-цифровым преобразователем 4.
Принципиальная электрическая схема представлена на фиг. 2 содержит: термочувствительные элементы R1-R24 теплового многоэлементного приемника 1; блок аналоговой памяти 2, выполненный на основе транзисторных ключей Q1.1-Q25.1 и Q1.2-Q25.2, конденсаторов С1-С25 и операционных усилителей U1-U25; блок коммутации 3, выполненный на основе мультиплексоров D1-D3; микроконтроллер A1 блока 5, содержащий АЦП блока 4; блок индикации излучения 6, выполненный на основе транзисторных ключей Q26-Q27 и операционных усилителей U26-U28; последовательный канал связи с персональным компьютером 7, реализуемый портом Л.
-6
Заявляемое устройство работает следующим образом. При воздействии внешнего излучения на термочувствительный слой многоэлементного теплового приемника 1 происходит его нагрев и как следствие изменение удельного поверхностного сопротивления. Изменение удельного поверхностного сопротивления позволяет судить о плотности энергии (мощности) излучения. Многоэлементный тепловой приемник 1 осуществляет всеми каналами измерения параллельную регистрацию информации в виде соответствующих значений сопротивлений каждого канала. Блок индикации излучения 6 сигнализирует о наличии измеряемого сигнала и сравнивает его величину с пороговым значением чувствительности приемника. При превышении уровня регистрируемого сигнала относительно сигнала, характеризующего пороговую чувствительность приемника, формируется сигнал запуска опроса всех измерительных каналов приемника, подаваемый на микроконтроллер 5. Под управлением сигнала подаваемого с микроконтроллера 5 блок аналоговой памяти 2 обеспечивает заряд конденсаторов, входящих в его состав. Заряд происходит за фиксируемое время τ=10 си достигаемая за это время величина заряда конденсатора пропорциональна величине энергии (мощности) регистрируемого излучения. Блок коммутации 3 под управлением микроконтроллера 5 последовательно коммутирует уровни напряжений с конденсаторов блока аналоговой памяти 2 на вход аналого-цифрового преобразователя 4. После преобразования уровней напряжения с каждого измерительного каналов теплового многоэлементного приемника 1 в цифровой вид, измерительная информация через последовательный канал связи с персональным компьютером 7 передается на персональный компьютер 8.
Предлагаемая полезная модель реализована следующим образом (Фиг. 2). Схема коммутации и обработки сигнала с элементов приемника (Фиг. 2) предусматривает два режима опроса приемника: периодический опрос для постоянного излучения и импульсный опрос для анализа коротких импульсов излучения. Регистрируемое излучения на длинах волн 0,3-10,6 мкм, облучают приемную площадку многоэлементного теплового приемника 1, при этом термочувствительные элементы которого изменяют свое сопротивление пропорционально степени нагрева. После изменения сопротивления термочувствительных элементов (R1-R24) происходит параллельный съем информации и запоминание ее в блоке аналоговой памяти 2 с последующим преобразованием в цифровую форму, с учетом калибровочного сигнал с компенсационного элемента (R25), не облучаемого падающим излучением.
Изменение поверхностного удельного сопротивления приводит к изменению силы тока проходящего через каждый термочувствительный элемент, что приводит к изменению скорости накопления заряда на соответствующих конденсаторах (C1-С25). Время накопления заряда в блоке выборки и хранения 2 на конденсаторах (C1-С25) задается микроконтроллером 5 (A1) и осуществляется путем открытия транзисторов (Q1.1-Q25.1), а сбор заряда с указанных конденсаторов осуществляется транзисторами (Q1.2-Q25.2).
Уровень напряжения на каждом конденсаторе определяется сопротивлением соответствующего термочувствительного элемента теплового многоэлементного приемника 1. Блок коммутации 3 (D1-D3) под управлением микроконтроллера 5 (A1) последовательно коммутирует уровни напряжений с конденсаторов блока аналоговой памяти 2 (C1-С25) на вход аналого-цифрового преобразователя 4 входящего в состав микроконтроллера 5. После преобразования уровней напряжения на аналогово-цифровом преобразователе в цифровой вид, измерительная информация через последовательный канал связи с персональным компьютером 7 передается на персональный компьютер 8. После анализа измерительной информации микроконтроллер осуществляет сброс уровней напряжений на конденсаторах блока аналоговой памяти 2 посредствам открытия транзисторов (Q1.2-Q25.2).
Если устройство используется для анализа непрерывного режима излучения, описанный алгоритм измерения - повторяется необходимое количество раз (которое определяется пользователем).
В импульсном режиме опроса, алгоритм измерения выполняется один раз, после того как напряжение на входе аналогового компаратора блока микроконтроллера 5 превысит пороговое напряжение задаваемое блоком индикации излучения 6 (RV1). Импульсный режим активируется открытием транзисторов блока индикации 6 Q26 и Q27.
-6
Следует заметить, что время съема информации (время заряда конденсаторов) со всех независимых каналов приемника задает микроконтроллер и составляет ~10 с. Эксперименты показали, что за это время не происходит ощутимых изменений в информационном сигнале с приемника т.к. время съема коррелирует с постоянной времени приемника.
-6
-6
4
ИИС анализатора пространственно-энергетических характеристик лазерного излучения благодаря малой постоянной времени каждого измерительного канала 10 секунды и небольшого числа каналов позволяет получать данные о распределении энергии импульса длительностью 10 секунды и с частотой следования импульсов 3*10 Гц.
-9
-6
2
-5
2
Поэтому в данном техническом решении не используется пленочный нагреватель с терморегулятором, который обеспечивает режим внутренней памяти приемника. Эксперименты показали, что устройство на длинах волн 0,3÷3,39 мкм и 5,0÷10,6 мкм обладает чувствительностью, которая линейно зависит от длительности импульса излучения в диапазоне от 10 до 1 с и составляет от 3·10 до 1,3 Дж/см и от 1,35·10 до 5,8 Дж/см.
Анализ алгоритма работы ИИС, а также используемая элементная база показывают, что основной вклад в длительность процесса преобразования измерительной информации оказывает быстродействие АЦП. Разработанное устройство отличается от прототипа компактностью, что резко увеличит его сферу применения. Технические данные устройства обеспечивают измерение пространственно-энергетических характеристик различных типов лазеров: газовых, твердотельных, полупроводниковых, на красителях, на парах металлов и контроль выходных параметров технологических установок на их основе в реальном масштабе времени, что резко повышает точность выполнения технологических операций.