ФОТОМЕТР

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения светового излучения в широком диапазоне.
Известен фотометр, содержащий модулятор светового потока, фотопреобразователь с управляемым коэффициентом преобразования, дифференциальный усилитель и два резистивных делителя напряжения, выходные сигналы которых сравниваются компаратором, формирующим сигнал обратной связи для регулировки переменного сопротивления одного из делителей (Борисова И.М., Шиян В.Я., Борисова Н.П. Фотометр. Авт. свид. СССР на изобретение №827983, МПК G01J 1/44 от 07.05.81, Бюл. №17, 1981 г.).
Однако у этого фотометра точность измерения существенно уменьшается при расширении диапазона измерения светового потока из-за нелинейности характеристики управляемого фотоэлектронного преобразователя, что приводит к повышению погрешности при большой интенсивности излучения.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является фотометр, содержащий модулятор светового потока на основе диска с прорезями, закрепленного на валу электродвигателя, фотоэлектронный умножитель с резистивным делителем напряжения между динодами, анод которого подключен к входу первого усилителя, второй делитель напряжения и второй усилитель (Могилевский А.Н., Славный В.А., Субочев А.И. Фотометр. Авт. свид. СССР на изобретение №744241, МПК G01J 1/44 от 30.06.80, Бюл. №24, 1980 г.).
Недостатком данного устройства является относительно невысокая точность, которая ограничивается изменением интегральной чувствительности фотоэлектронного умножителя при модуляции его напряжения питания. Согласно принципу действия этого устройства, оно предназначено только для сравнения малых изменений двух световых потоков, и не позволяет выполнять измерения в случаях, когда интенсивность одного светового излучения существенно превышает интенсивность другого светового потока.
Например, если один световой поток будет в пять раз больше другого, то изменение напряжения питания фотоэлектронного умножителя на 100 В в процессе его модуляции приводит примерно к пятикратному изменению интегральной чувствительности и, как следствие, к увеличению погрешности фотоэлектрического преобразования такого устройства. Кроме того, на точность данного фотометра существенное влияние оказывает внешняя фоновая засветка фотоэлектронного преобразователя и его темновой ток, который практически невозможно скомпенсировать в схеме этого устройства, что и ограничивает точность измерения слабых световых потоков.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является повышение точности и расширение динамического диапазона преобразования светового излучения.
Для достижения этого технического результата в фотометр, содержащий модулятор светового потока в виде диска с прорезями, закрепленного на валу электродвигателя, фотоэлектрический умножитель с резистивным делителем напряжения между динодами, анод которого подключен к входу первого усилителя, второй делитель напряжения и второй усилитель, дополнительно введены аналого-цифровой преобразователь, блок управления и индикации, цифроаналоговый преобразователь, управляемый источник высокого напряжения и регулирующий транзистор. При этом выход управляемого источника высокого напряжения подключен к катоду фотоэлектронного умножителя, а эмиттер регулирующего транзистора через токоограничивающий резистор соединен с нулевой цепью. Коллектор этого транзистора подключен к последнему диноду фотоэлектронного умножителя и через второй делитель напряжения соединен с нулевой цепью. Кроме того, выход первого усилителя через резистор обратной связи соединен с анодом фотоэлектронного умножителя, а также через аналого-цифровой преобразователь подключен к входу блока управления и индикации, первый выход которого соединен с управляющим входом шагового электродвигателя, применяемого в модуляторе светового потока. Второй выход блока управления и индикации через цифроаналоговый преобразователь подключен к входу управляемого источника высокого напряжения и соединен с первым входом второго усилителя, второй вход которого подключен к средней точке второго делителя напряжения, а выход второго усилителя соединен с базой регулирующего транзистора.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, на котором приведена схема устройства.
Фотометр содержит модулятор светового потока 1 в виде непрозрачного диска с прорезями, установленного на валу шагового электродвигателя 2, и приемник излучения на фотоэлектронном умножителе 3, между катодом и динодами которого включен резистивный делитель напряжения 4. К последнему диноду фотоэлектронного умножителя 3 подключен второй делитель напряжения на резисторах 5, 6 и катод регулирующего транзистора 7, эмиттер которого через токоограничивающий резистор 8 соединен с нулевой шиной. Для преобразования фототока в напряжение анод фотоэлектронного умножителя 3 подключен к инвертирующему входу первого усилителя 9 с резистором 10 в цепи обратной связи. Выход первого усилителя 9 через аналого-цифровой преобразователь 11 подключен к входу блока управления и индикации 12, первый выход которого подключен к обмотке шагового электродвигателя 2, управляющего модулятором светового потока. Второй выход блока управления 12 соединен с цифровым входом цифроаналогового преобразователя 13, аналоговый выход которого через дифференциальный усилитель 14 подключен к базе регулирующего транзистора 7, а также через управляемый источник высокого напряжения 15 соединен с катодом фотоэлектронного умножителя 3.
Работа фотометра выполняется следующим образом.
Уmin
13min
Kнач
Фmin
Перед началом цикла измерения блок управления и индикации 12 подает на вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 13 минимальное значение управляющего кода N При этом на выходе ЦАП 13 устанавливается низкий уровень опорного напряжения U, который подается на вход управляемого источника высокого напряжения 15, служащего для формирования напряжения питания фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 3. При этом на катоде ФЭУ 3 формируется относительно невысокое отрицательное напряжение, например U≈-400 В, при котором интегральная чувствительность ФЭУ минимальна и составляет примерно S≈0,2 А/лм.
Затем блок управления 12 подает импульс на обмотку шагового электродвигателя 2, который поворачивает диск 1 модулятора светового потока непрозрачной стороной и тем самым перекрывает световой поток, не пропуская его на приемник излучения. После этого начинается цикл измерения.
Н
Н1
Н1
10
11
Н1
11
Н1
В первом такте преобразования на катод ФЭУ 3 попадает только фоновое световое излучение, поэтому на его аноде формируется начальный фототок I, поступающий на вход усилителя 9 с резистором 10 в цепи обратной связи для получения начального напряжения U=I·R. Это напряжение кодируется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 11 с учетом коэффициента преобразования K, а полученный на его выходе начальный код N=K·U запоминается в блоке управления 12.
Ф1
Н1
Фmin
Н1
Ф1
Ф1
Н1
10
Ф1
11
Ф1
Во втором такте преобразования блок управления и индикации 12 подает управляющий импульс на обмотку шагового электродвигателя 2, который поворачивает диск 1 оптического модулятора и устанавливает его прорезь на оптической оси светового потока Ф. Под действием измеряемого светового излучения на аноде ФЭУ 3 формируется фототек, зависящий от суммы светового потока Ф и фоновой засветки: I+I=Ф·S+I, который преобразуется в напряжение U=(I+I)·R усилителем 9 и кодируется с помощью АЦП 11. Полученный на выходе АЦП 11 цифровой код N=K·U запоминается в блоке управления и индикации 12, который после этого выполняет операцию вычитания двух кодов и формирует результат цифрового измерения, прямо пропорциональный световому потоку Ф:
вых1
Ф1
Н1
11
Ф1
10
11
10
Фmin
ПР1
N=N-N=K·I·R=K·R·Ф·S=K·Ф.
ПОР
ПОР
НОМ
ВЫХ1
ПОР
Этот код сравнивается с заданным пороговым значением N, например, составляющим 10% от номинального кода АЦП: N=0,1N. Если полученный код превышает пороговый уровень, т.е. N>N, то результат измерения выводится на цифровой индикатор блока управления 12.
ВЫХ1
ПОР
У
13
К
Если результат измерения светового потока ниже порогового уровня, т.е. N<N то блок управления и индикации 12 увеличивает значение управляющего кода N на входе ЦАП 13, опорное напряжение U на выходе которого соответственно повышается. Это приводит к пропорциональному увеличению выходного напряжения управляемого источника высокого напряжения 15, т.е. повышению напряжения питания -U на катоде ФЭУ 3.
Ф
Ф
К
Кнач
К
Фmin
Ф
Повышение напряжения питания ФЭУ 3 приводит к увеличению его интегральной чувствительности S=I/Ф к световому потоку Ф, которая возрастает примерно в пять раз при увеличении отрицательного напряжения на ΔU=-100 В. Например, при изменении напряжения на катоде ФЭУ от начального значения U≈-400 В до U≈-500 В его чувствительность возрастает от минимального уровня S≈0,2 А до S≈1 А/лм.
У
ВЫХ1
НОМ
К
ВЫХ1
НОМ
К
ВЫХ1
НОМ
К
С учетом данной взаимосвязи между чувствительностью и напряжением питания ФЭУ блок управления 12 формирует управляющий код N на входе ЦАП 13 в зависимости от результата измерения светового потока в первом цикле. Например, если получен код N≤0,01N, то напряжение питания ФЭУ, управляемого напряжением ЦАП 13, увеличивается на ΔU=-300 В. При выполнении условия N≤0,05N напряжение на катоде ФЭУ повышается на ΔU=-200 В, а при значении полученного кода, сравнимом с пороговым уровнем: N≈(0,08…0,09)N напряжение на катоде ФЭУ 3 возрастает на ΔU=-100 В. Выполнение таких условий позволяет реализовать точное измерение светового потока Ф максимум за два рабочих цикла.
Н2
Аналогично первому циклу двухтактного измерения, во втором цикле блок управления 12 подает импульс на обмотку шагового электродвигателя 2, который перекрывает световой поток диском 1 модулятора, и в первом такте преобразования кодируется и запоминается код N, соответствующий начальному уровню фоновой засветки. Затем по команде блока управления 12 шаговый двигатель 2 поворачивает диск 1 модулятора прозрачной стороной, и после кодирования исследуемого светового потока Ф выполняется вычитание полученных кодов в блоке управления 12 с последующим выводом результата измерения на его цифровой индикатор.
Н
На этом цикл работы устройства заканчивается. При дальнейших измерениях блок управления 12 снова подает импульс на шаговый электродвигатель 2, который поворачивает и устанавливает диск 1 модулятора светонепроницаемой стороной на оптической оси светового потока Ф, после чего начинается очередной такт кодирования начального фототока I, и т.д.
Н
Применение двух тактов цифрового измерения фоновой засветки и светового потока с вычитанием полученных результатов позволяет исключить влияние начального фототока I ФЭУ 3 на достоверность контроля светового потока Ф, что особенно важно при измерениях слабого светового излучения.
Ф
13
6
14
14
14
13
6
5
Для линеаризации световой характеристики I=F(Ф) ФЭУ 3 в схеме фотометра применен стабилизатор напряжения, подключенный к последнему диноду ФЭУ, в состав которого входят резисторы 5 и 6, регулирующий транзистор 7 с токоограничивающим резистором 8 в цепи эмиттера и дифференциальный усилитель 14. Стабилизация напряжения на последнем диноде ФЭУ 3 осуществляется за счет сравнения дифференциальным усилителем 14 опорного напряжения U, формируемого на выходе ЦАП 13, с падением напряжения U на резисторе 6, и регулировкой напряжения на базе транзистора 7 усиленной в K≥10 раз разностью этих напряжений: U=K(U-U).
4
5
6
4
5
6
4
4
5
6
Ф
4
Для нормальной работы такого стабилизатора параллельного типа необходимо обеспечить протекание тока через регулирующий транзистор 7 даже при отсутствии фототока на аноде ФЭУ 3. Поэтому суммарное сопротивление резисторов 5 и 6, подключенных к последнему диноду ФЭУ 3, нужно устанавливать больше каждого из сопротивлений R делителя напряжения 4, включенных между другими динодами ФЭУ 3, по условию R+R>R. Например, при выполнении равенства R+R=8R примерно 20% постоянного тока I делителя напряжения 4 будет протекать через резисторы R, R, а 80% этого тока - через регулирующий транзистор 7. Это позволяет стабилизировать напряжение на последнем диноде ФЭУ 3 при изменении фототока на его аноде в диапазоне I=(0…0,8)I. При дальнейшем увеличении резисторов 5, 6 можно еще больше расширить диапазон компенсации влияния фототока на стабильность напряжения между последним динодом и анодом ФЭУ 3.
Расширение динамического диапазона и повышение точности преобразования световых сигналов обеспечивается следующими факторами.
Во-первых, автоматическая регулировка напряжения питания ФЭУ в зависимости от уровня измеряемого фототока, реализуемая микропроцессором блока управления 12 позволяет значительно - на два-три порядка - расширить динамический диапазон данного фотоэлектрического прибора.
Во-вторых, применение схемы стабилизатора на дифференциальном усилителе 14 с регулирующим транзистором 7 позволяет практически исключить влияние анодного фототока на стабильность напряжения между динодами ФЭУ 3 и тем самым повысить линейность световой характеристики фотометра.
К
В-третьих, двухтактный режим измерения исключает влияние фоновой засветки и темнового тока ФЭУ на достоверность результатов измерений, чем обеспечивается возможность измерения слабых световых потоков, сравнимых с фоновой засветкой, особенно в сочетании с одновременным повышением чувствительности ФЭУ при автоматической установке высокого напряжения U.
Нэкв
10
9
Ф
А3
В-четвертых, подключение к аноду ФЭУ 3 усилителя 9 с резистором 10 в цепи обратной связи позволяет уменьшить эквивалентное сопротивление нагрузки ФЭУ 3 до уровня R≈R/K≤1 Ом, поэтому напряжение на аноде ФЭУ 3 практически не зависит от уровня фототока I и составляет U≈0 В. Это позволяет, в свою очередь, повысить стабильность напряжения между катодом и анодом ФЭУ 3 и, соответственно, линейность его световой характеристики.
Ф
3
Следует отметить, что применение в предложенной полезной модели современного многодинодного ФЭУ типа ФЭУ-85, имеющего интегральную чувствительность S≥2·10 А/лм при максимальном напряжении UЛ≈1600 В, позволяет применять фотометр для контроля очень слабых световых потоков.
КЭ
При экспериментальном исследовании полезной модели в качестве усилителей 9, 14 применялись микросхемы типа КР140УД12, регулирующий p-n-p-транзистор типа KST92 с допустимым напряжением U=300 В. АЦП11 реализован на микросхеме AD9042, ЦАП 13 - на микросхеме AD5622, а в блоке управления и индикации 12 применен микропроцессор типа AN89S8253. Управляемый источник высокого напряжения 15 реализован на микросхеме стабилизатора с широтно-импульсной модуляцией типа КР1114ЕУ4.
К
К
4
6
В результате проведенных исследований экспериментального образца фотометра установлено, что абсолютная погрешность установки высоковольтного напряжения ФЭУ в диапазоне U≈(400…1500) В не превышает значения ΔU≤1 В при максимальном изменении фототока, что позволяет обеспечить стабилизацию интегральной чувствительности и тем самым повысить точность фотометра, а динамический диапазон фотометра расширяется от 10 до 10 при минимальных аппаратурных затратах.