лазерный дозиметр с полуавтоматической компенсацией фонового света

Формула изобретения

ЛАЗЕРНЫЙ ДОЗИМЕТР С ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ ФОНОВОГО СВЕТА, содержащий фотоприемник, источник напряжения смещения интегрирующую RC-цепь, усилитель напряжения, блок памяти, содержащий первый компаратор, ключ памяти, запоминающий конденсатор, первый повторитель напряжения и регистратор, причем источник напряжения смещения подключен к фотоприемнику, выход которого соединен с интегрирующей RC-цепью и с входом усилителя напряжения, выход которого подключен к неинвертирующему входу первого компаратора и через ключ памяти к запоминающему конденсатору и входу первого повторителя напряжения, выход которого подключен к регистратору и инвертирующему входу первого компаратора, выход которого подключен к управляющему входу ключа памяти, отличающийся тем, что в него введены первый ключ сброса, источник компенсирующего напряжения, переключатель, третья RC-цепь, второй повторитель напряжения, второй ключ сброса, вторая RC-цепь, второй компаратор, дифференцирующая RC-цепь, ждущий мультивибратор, а в блок памяти введена первая RC-цепь, причем выход фотоприемника подключен к входу первого ключа сброса, выход усилителя напряжения к инвертирующему входу источника компенсирующего напряжения, выход которого подключен к входу переключателя, выход которого через третью RC-цепь подключен через второй повторитель напряжения к входу интегрирующей RC-цепи, вход второго ключа сброса соединен с второй RC-цепью, неинвертирующими входами первого компаратора и второго компаратора, выход которого через дифференцирующую RC-цепь подключен к входу ждущего мультивибратора, выход которого подключен к управляющим входам первого и второго ключей сброса, инвертирующий вход первого компаратора через первую RC-цепь подключен к выходу первого повторителя напряжения, а выходные клеммы первого и второго ключей сброса, а также неинвертирующий вход источника компенсирующего напряжения подключены к общей шине.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к приборам, предназначенным для измерения энергетических параметров лазерного излучения службами техники безопасности и органами Государственного санитарного надзора.

Известен лазерный дозиметр, содержащий фотоприемник с источником напряжения смещения, выход которого соединен с интегрирующим конденсатором, ключом сброса, устройством компенсации фона и входом усилителя напряжения, причем выход усилителя напряжения соединен с входом блока памяти, состоящего из компаратора, полевого транзистора, запоминающего конденсатора, повторителя напряжения и регистратора, неинвер- тирующий вход компаратора соединен со стоком полевого транзистора, затвор которого соединен с выходом компаратора, а исток полевого транзистора соединен с запоминающим конденсатором и входом повторителя напряжения, вход которого соединен с регистратором и инвертирующим входом компаратора.

Указанный лазерный дозиметр не обеспечивает необходимую для целей дозиметрии точность измерений, так как в нем отсутствует синхронизация момента сброса напряжения на интегрирующем конденсаторе с моментом окончания интегрирования импульса фототока фотоприемника. При этом преждевременный сброс напряжения может привести к погрешности измерения превышающей 100% кроме того, если проводятся измерения импульсов излучения лазеров с модулированной добротностью и короткий импульс излучения поступит на фотоприемник во время действия импульса сброса, возможна полная потеря информации. Этот прибор может работать лишь при сравнительно небольших частотах повторения импульсов, поскольку максимальная допустимая частота повторения лазерных импульсов должна быть значительно меньше частоты повторения импульсов сброса, чтобы уменьшить вероятность потери информации. Реально допустимая частота повторения в этом приборе десятки герц. Существенным недостатком прибора является малый динамический диапазон единичного измерения, который составляет 50. Если при измерениях не удалось "попасть" в этот диапазон, необходимо провести новое измерение с другой нагрузкой в цепи фотоприемника. Отсутствие синхронизации момента сброса напряжения на интегрирующем конденсаторе с моментом окончания интегрирования импульса фототока и малый динамический диапазон единичного измерения приводят к необходимости выполнения большого числа повторных измерений до 50 в одной точке, что создает значительные трудности при дозиметрическом контроле лазерного излучения. В указанном лазерном дозиметре перед измерениями уровней лазерного излучения необходимо произвести компенсацию фонового света, которая осуществляется вручную многооборотным прецизионным потенциометром при одновременном нажатии и удержании кнопки "Сброс". Момент компенсации отмечается по прекращению движения стрелки регистратора при подходе к нулевой отметке и поначалу движения стрелки от нулевой отметки при обратном вращении ручки потенциометра. Выполнение данной операции при наведенном на источник излучения лазерном дозиметре требует тщательности и большого опыта работы, чтобы не сместить наведенный прибор с направления оси визирования, особенно, если мал "угол зрения" фотоприемника (например, болометрические приемники с германиевыми линзами имеют "угол зрения" 3^о). Возможны субъективные ошибки оператора при компенсации фона.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является простой лазерный дозиметр, содержащий фотоприемник с источником напряжения смещения, выход которого соединен с интегрирующей RC-цепью, устройством компенсации фона и входом усилителя напряжения, выход которого соединен с неинвертирующим входом компаратора и через ключ с запоминающим конденсатором и входом повторителя напряжения, выход которого соединен с управляющим входом ключа.

Простой лазерный дозиметр может работать при частоте повторения импульсов излучения лазера не превышающей 10 Гц при длительностях импульсов излучения до 5 мс.

Компенсация фонового света выполняется вручную прецизионным потенциометром, при этом в приборе имеется специальный переключатель "компенсация фона". Компенсация фона может быть выполнена достаточно точно, но не исключены субъективные ошибки оператора и необходимы многочисленные переключения и тщательные вращения потенциометра при компенсации фона.

Для значительного перемещения допустимой частоты повторения импульсов излучения лазера, при которой возможно проведение измерений, исключения субъективных ошибок оператора при ручной компенсации фонового света, значительного сокращения времени подготовки к измерениям за счет исключения операции "компенсация фона", обеспечения возможности проведения измерений в полной темноте, значительного упрощения накладки прибора при его изготовлении, градуировке и поверке, расширения пределов компенсации фонового света, повышения точности компенсации и соответственно уменьшения погрешностей измерения совершенно не достижимых при ручной компенсации, снижения погрешностей балансировки усилителя напряжения, исключения прецизионного, многооборотного потенциометра и соответствующего переключателя, исключения необходимости индивидуальной подгонки (при выпуске приборов) напряжения питания болометрических фотоприемников, из-за их разных соотношений измерительного и компенсационного сопротивлений, в лазерном дозиметре с полуавтоматической компенсацией фона, содержащем фотоприемник, источник напряжения смещения, интегрирующую RC-цепь, усилитель напряжения, блок памяти, содержащий первый компаратор, ключ памяти, запоминающий конденсатор, первый повторитель напряжения и регистратор, причем источник напряжения смещения подключен к фотоприемнику, выход которого соединен с интегрирующей RC-цепью и со входом усилителя напряжения, выход которого подключен к неинвертирующему входу первого компаратора и через ключ памяти к запоминающему конденсатору и входу первого повторителя напряжения, выход которого подключен к регистратору и инвертирующему входу первого компаратора, выход которого подключен к управляющему входу ключа памяти, введены первый ключ сброса, источник компенсирующего напряжения, переключатель, третья RC-цепь, второй повторитель напряжения, второй ключ сброса, вторая RC-цепь, второй компаратор, дифференцирующая RC-цепь, ждущий мультивибратор, а в блок памяти введена первая RC-цепь, причем выход фотоприемника подключен ко входу первого ключа сброса, выход усилителя напряжения подключен к инвертирующему входу источника компенсирующего напряжения, выход которого подключен ко входу переключателя, выход которого через третью RC-цепь подключен через второй повторитель напряжения ко входу интегрирующей RC-цепи, вход второго ключа сброса соединен со второй RC-цепью, неинвертирующими входами первого компаратора и второго компаратора, выход которого через дифференцирующую RC-цепь, подключен ко входу ждущего мультивибратора, выход которого подключен к управляющим входам первого и второго ключей сброса, инвеpтирующий вход первого компаратора через первую RC-цепь подключен к выходу первого повторителя напряжения, а выходные клеммы первого и второго ключей сброса, а также неинвертирующий вход источника компенсирующего напряжения подключены к общей шине.

Предлагаемое устройство может быть использовано в промышленности, в частности при выпуске лазерных дозиметров для контроля уровней лазерного излучения (Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров, М. 1991). Кроме того необходимо обязательное оснащение лазерных установок 3-4 классов опасности приборами контроля энергетических параметров лазерного излучения, в качестве которых может быть использован предлагаемый лазерный дозиметр с полуавтоматической компенсацией фона, следовательно, он является промышленно применимым.

На чертеже представлена блок-схема лазерного дозиметра с полуавтоматической компенсацией фона.

Предлагаемый лазерный дозиметр с полуавтоматической компенсацией фона содержит фотоприемник 1, источник напряжения смещения 2, интегрирующую RC-цепь 3, усилитель напряжения 4, блок памяти 5, содержащий первый компаратор 6, ключ памяти 7, запоминающий конденсатор 8, первый повторитель напряжения 9 и регистратор 10, причем источник напряжения смещения 2 подключен к фотоприемнику 1, выход которого соединен с интегрирующей RC-цепью 3 и со входом усилителя напряжения 4, выход которого подключен к инвертирующему входу первого компаратора 6 и через ключ памяти 7 к запоминающему конденсатору 8 и входу первого повторителя напряжения 9, выход которого подключен к регистратору 10 и инвертирующему входу первого компаратора 6, выход которого подключен к управляющему входу ключа памяти 7, а также содержит первый ключ сброса 11, источник компенсирующего напряжения (ИКН) 12, переключатель 13, третью RC-цепь 14, второй повторитель напряжения 15, второй ключ сброса 16, вторую RC-цепь 17, второй компаратор 18, дифференцирующую RC-цепь 19, ждущий мультивибратор 20, а блок памяти 5 содержит первую RC-цепь 21, причем выход фотоприемника 1 подключен ко входу пеpвого ключа сброса 11, выход усилителя напряжения 4 подключен к инвертирующему входу источника компенсирующего напряжения 12, выход которого подключен ко входу переключателя 13, выход которого через третью RC-цепь 14 подключен через второй повторитель напряжения 15 ко входу интегрирующей RC-цепи 3, вход второго ключа сброса 16 соединен со второй RC-цепью 17, неинвертирующими входами первого компаратора 6 и второго компаратора 18, выход которого через дифференцирующую RC-цепь 19 подключен ко входу ждущего мультивибратора 20, выход которого подключен к управляющим входам первого 11 и второго 16 ключей сброса, инвертирующий вход первого компаратора 6 через первую RC-цепь 21 подключен к выходу первого повторителя напряжения 9, а выходные клеммы первого 11 и второго 16 ключей сброса, а также неинвертирующий вход источника компенсирующего напряжения 12 подключены к общей шине.

Предлагаемый лазерный дозиметр с полуавтоматической компенсацией фона работает следующим образом.

Световой импульс лазерного излучения поступает на фотоприемник 1 с источником напряжения смещения 2 и вызывает появление фототока, который заряжает конденсатор интегрирующей RC-цепи 3. Постоянная времени _RC-3разряда интегрирующей RC-цепи 3 выбирается такой, чтобы при максимальных длительностях импульса излучения лазера t_{имп.макс} выполнялось соотношение _RC-3 50 t_{имп.макс}. В этом случае погрешность интегрирования во всем диапазоне длительностей импульсов не превысит 1% Напряжение на конденсаторе интегрирующей RC-цепи 3 усиливается усилителем напряжения 4 и поступает на неинвертирующий вход первого компаратора 6, выходное напряжение которого в исходном состоянии закрывает ключ памяти 7. Когда разность напряжений на неинвертирующем и инвертирующем входах первого компаратора 6 достигнет порога срабатывания U_пор, первый компаратор 6 перебрасывается в противоположное состояние и его выходное напряжение открывает ключ памяти 7, при этом на запоминающем конденсаторе 8 с постоянной времени заряда _n R_экв С, где R_экв величина полного сопротивления зарядной цепи, в том числе выходного сопротивления усилителя напряжения 4 и сопротивления открытого ключа памяти 7; С величина емкости запоминающего конденсатора 8, устанавливается напряжение, равное выходному напряжению усилителя напряжения 4. Напряжение на запоминающем конденсаторе 8 через первый повтори- тель напряжения 9 поступает на регистратор 10 и через первую RC-цепь 21 поступает на инвертирующий вход первого компаратора 6. Когда разность напряжений на входах первого компаратора 6 достигнет нуле- вого значения и начнет менять знак (за счет уменьшения напряжения на неинвертирующем входе) первый компаратор 6 возвратится в исходное состояние и закроет ключ памяти 7, запоминающий конденсатор 8 при этом останется заряженным до величины выходного напряжения усилителя напряжения 4. Первая RC-цепь 21 ускоряет появ- ление равенства напряжений на входах первого компаратора 6 и даже создает разность напряжений обратного знака на его входах за счет сохранения величины напряжения на инвертирующем входе по отношению к моменту прихода заднего фронта входного импульса на усилителе напряжения 4, после окончания интегрирования входного импульса фототока, фотоприемника 1 на интегрирующей RC-цепи 3.

Отсутствие этой RC-цепи на инвертирующем входе компаратора в лазерном дозиметре ограничило его динамический диапазон единичного измерения величиной 50 и потребовало обострения заднего фронта входного импульса на интегрирующей емкости, для этого применили сброс напряжения с интегрирующей емкости с помощью несинхронизированного ключа (случайным образом).

Введение первой RC-цепи 21 позволяет запомнить импульсы напряжения в диапазоне от 10 мВ до 10 В, т.е. динамический диапазон единичного измерения составляет 1000. Необходимость выполнения условия _RC-3 50t_{имп.макс.} приводит к тому, что максимальная допустимая частота повторения импульсов излучения лазера, при которой возможно проводить измерения составляет 10 Гц. Для увеличения допустимой частоты повторения импульсов в прибор введены второй компаратор 18, вторая RC-цепь 17, дифференцирующая RC-цепь 19, идущий мультивибратор 20 и два ключа сброса 11 и 16.

Дальнейшая работа предлагаемого устройства происходит следующим образом.

С выхода усилителя напряжения 4 напряжение подается не только на первый компаратор, но и на второй компаратор 18, а именно на его неинвертирующий вход непосредственно, а на его инвертирующий вход через вторую RC-цепь 17, при этом второй компаратор 18 переключается в противоположное состояние на время полного заряда конденсатора второй RC-цепи 17, причем постоянная времени заряда _RC-17 устанавливается равной постоянной времени заряда запоминающего конденсатора 8 _п в блоке памяти 5. В момент окончания заряда конденсатора второй RC-цепи 17, напряжения на входах, второго компаратора 18 выравниваются и второй компаратор 18 возвращается в исходное состояние, при этом с помощью дифференцирующей RC-цепи 19 выделяется задний фронт импульса на выходе второго компаратора 18, свидетельствующий или об окончании запоминания амплитуды импульса в блоке памяти 5 или об окончании сравнения амплитуды с ранее запомненной. Этим задним фронтом запускается ждущий мультивибратор 20 и открывает ключи сброса 11 и 16 на время, достаточное для полного разряда конденсаторов интегрирующей RC-цепи 3 и второй RC-цепи 17.

Прибор готов к приему следующего лазерного импульса, при этом первый компаратор 6 срабатывает в том случае, если энергия следующего импульса превышает энергию предыдущего, т.е. блок памяти 5 осуществляет запоминание амплитуды напряжения, соответствующего наибольшей энергии импульса из серии поступающей на фотоприемник 1 и выдачу его на регистратор, а второй компаратор 18 срабатывает от каждого лазерного импульса, обеспечивая разряд конденсаторов интегрирующей RC-цепи 3 и второй RC-цепи 17 после выполнения интегрирования. Максимальная частота повторения импульсов лазерного излучения, при которой возможно проводить измерения может достигать 10 КГц.

Компенсация фонового света осуществляется полуавтоматически при нажатии нефиксируемой кнопки "Сброс памяти", спаренной с кнопкой компенсации фона (переключатель 13) и происходит следующим образом: фоновый свет, поступающий на фотоприемник 1, вызывает появление постоянного напряжения на выходе интегрирующей RC-цепи 3. Это напряжение после усиления усилителем напряжения 4 поступает на инвертирующий вход источника компенсирующего напряжения (ИКН) 12, в качестве которого используется операционный усилитель в инвертирующем включении без обратной связи. С выхода ИКН 12 компенсирующее напряжение через переключатель 13, третью RC-цепь 14 и второй повторитель напряжения 15 подается на интегрирующую RC-цепь 3. Рассматриваем случай, когда переключатель 13 включен. В качестве переключателя 13 используется нефиксируемая кнопка, спаренная с кнопкой сброса ненужных результатов измерений в блоке памяти 5. Нажатие этой кнопки производится перед каждым измерением, при этом происходит очистка памяти в блоке памяти 5 и одновременно компенсация фона.

Компенсирующее напряжение на выходе ИКН 12 всегда имеет знак, противоположный знаку напряжения на выходе фотоприемника 1 (интегрирующей RC-цепи 3), и будет разряжать конденсатор интегрирующей RC-цепи 3 до момента, когда напряжение на нем достигнет нулевого значения и изменит знак на противоположный, но в этом случае и компенсирующее напряжение ИКН 12 также изменит свой знак на противоположный. Возникнет колебательный процесс, который будет идти непрерывно (пока включен переключатель 13) и поддерживать напряжение на выходе фотоприемника 1 на уровне 20-50 мкВ. При разомкнутом переключателе 13 компенсирующее напряжение сохраняется на третьей RC-цепи 14. Параметры третьей RC-цепи 14 выбираются такими, чтобы время, на которое запоминается значение компенсирующего напряжения, составляло не менее 10 мин с дрейфом выходного напряжения 1% в минуту. Поэтому в качестве второго повторителя напряжения 15 необходимо применять операционный усилитель с новыми транзисторами на входе, а конденсатор третьей RC-цепи 14 должен иметь малые токи, утечки. Величина резистора в третьей RC-цепи должна позволять заряжать конденсатор этой цепи за время не более 0,1 с, чтобы в течение времени (1 с) пока включен переключатель 13 (нажата кнопка) происходило несколько компенсирующих колебаний ИКН 12.

В примере конкретного выполнения лазерный дозиметр с полуавтоматической компенсацией фона выполнен на следующей основе: фотоприемник 1 фотодиод, болометр, усилитель напряжения 4 операционный усилитель с регулируемым усилением, первый компаратор 6 компаратор напряжений, ключ памяти 7 полевой транзистор, первый повторитель напряжения 9 операционный усилитель с полевыми транзисторами на входе, включенный повторителем напряжения, регистратор 10 милливольтметр постоянного тока стрелочный или цифровой, первый ключ сброса 11 полевой транзистор, источник компенсирующего напряжения 12 операционный усилитель в инвертирующем включении без обратной связи, переключатель 13 сдвоенная нефиксируемая кнопка, второй повторитель напряжения 15 повторитель напряжения на операционном усилителе с полевыми транзисторами на входе, второй ключ сброса 16 полевой транзистор, второй компаратор 18 компаратор напряжений, ждущий мультивибратор 20 одновибратор.