лазерный дозиметр с автоматической компенсацией фонового света

Формула изобретения

ЛАЗЕРНЫЙ ДОЗИМЕТР С АВТОМАТИЧЕСКОЙ 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, ключ компенсации, 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 ключа компенсации, 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 подключен к управляющему входу ключа компенсации и через дифференцирующую RC-цепь к входу ждущего мультивибратора, выход которого подключен к управляющим входам первого и второго ключей сброса, инвентирующий 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 Госсаннадзора.

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, неинверти- рующий 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, выход 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 импульсов лазера 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 фотоприемника и малый динамический диапазон единичного измерения приводят к необходимости выполнения большого числа повторных измерений до 50 измерений в одной точке, для получения достоверного, надежного результата, 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 по началу 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 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 регистратором и инвертирующим входом компаратора, выход которого соединен с управляющим входом ключа.

Простой лазерный дозиметр может работать при частоте повторения импульсов излучения лазера, не превышающей 10 Гц, при длительности импульсов излучения до 6 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, нажатия кнопки "Сброс" и тщательные вращения потенциометра при компенсации фона.

Для значительного повышения 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, обеспечения возможности непрерывного контроля уровней лазерного излучения при полной автоматизации процесса измерения, значительного упрощения наладки прибора при его изготовлении, градуировке и поверке, расширения пределов компенсации фонового света, повышения точности компенсации и соответственно уменьшения погрешности измерений, совершенно недостижимых при ручной компенсации, значительного снижения температурной зависимости темнового тока фотоприемника, а также погрешностей балансировки и температурной зависимости усилителя напряжения, исключения дорогостоящего, прецизионного, многооборотного потенциометра для компенсации фона и соответствующего переключателя, реализации возможности использования полного динамического диапазона единичного измерения от 0,1 мВ до 10000 мВ, дополнительного увеличения верхней допустимой частоты повторения импульсов излучения лазера, при которой возможно проведение измерений за счет уменьшения времени разряда конденсатора интегрирующей RC-цепи током обратной полярности, от источника компенсирующего напряжения (ИКН), исключения необходимости (при выпуске приборов) индивидуальной подгонки напряжения питания болометрических фотоприемников из-за из разных соотношений R_изми R_комп. в лазерном дозиметре, 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 (ИКН), ключ компенсации, 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 на- пряжения подключен к инвертирующему входу источника компенсирующего напряжения, выход которого подключен ко входу ключа компенсации, 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 подключен к управляющему входу ключа компенсации и через дифференцирующую RC-цепь ко 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.

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. M. 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, следовательно, оно является промышленно применимым.

На чертеже представлена блок-схема лазерного дозиметра.

Предлагаемый лазерный дозиметр 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 неинвертирующему 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 12, ключ компенсации 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 первого ключа сброса 11, выход усилителя напряжения 4 подключен к инвертирующему входу источника компенсирующего напряжения 12, выход которого подключен ко входу ключа компенсации 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 подключен к управляющему входу ключа компенсации 13 и через дифференцирующую RC-цепь 19 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.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Световой импульс излучения лазера 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 50t_{имп.макс}. В этом случае погрешность интегрирования во всем диапазоне длительностей импульсов не превышает 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, его выходное напряжение открывает ключ памяти 7, при этом на запоминающем конденсаторе с постоянной времени заряда _п R_экв С, где С величина емкости запоминающего конденсатора 8; R_экв величина полного сопротивления зарядной цепи, в том числе выходного сопротивления усилителя напряжения 4 и с опротивления открытого ключа памяти 7, устанавливается напряжение, равное выходному напряжению усилителя напряжение 4. Напряжение на запоминающем конденсаторе 8 через первый повторитель напряжения 9 поступает на регистратор 10 и через первую RC-цепь 21 поступает на инвертирующий вход первого компаратора 7. Когда разность напряжений на входах первого компаратора 6 достигнет нулевого 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. Назначение первой RC-цепи 21 ускорить появление равенства напряжений на входах первого компаратора 6 и даже создать 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 инвертирующей 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 запоминать 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 можно 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, ждущий мультивибратор 20 и два ключа сброса 11 и 16.

Дальнейшая работа предложенного устройства происходит следующим образом.

С выхода усилителя напряжения 4 напряжение подается не только на первый компаратор 4, но и на второй компаратор 1, 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 _п в блоке памяти 5. В момент окончания заряда конденсатора второй RC-цепи 17, напряжения на входах второго компаратора 18 выравниваются и второй компаратор возвращается в исходное состояние, при этом с помощью дифференцирующей RC-цепочки 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 излучения, при которой можно проводить измерения, может достигать 10 кГц. Компенсация фонового света осуществляется при включении прибора в работу и действует автоматически 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 открытый ключ компенсации 13, третью RC-цепь 14 и второй повторитель напряжения 15 подается на интегрирующую RC-цепь 3.

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, достигнув нуля, изменит свой 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, поддерживая приблизительно 5 мкВ на выходе фотоприемника 1.

Оценим величину компенсирующего напряжения на выходе ИКН 12. Пусть на выходе фотоприемника 1 остаточное напряжение составляет +5 мкВ. Коэффициент усиления усилителя напряжения 4 устанавливается около 5 (уточняется при градуировке). Коэффициент усиления ИКН 12, выполненного на основе операционного усилителя, например К14ОУД17, составляет 200000.

Величина компенсирующего напряжения ИКН 12 равна: 5 мкВх5х200000 5 В и достаточна для компенсации любой величины фонового света. Изменением параметров третьей RC-цепи 14 можно установить остаточное напряжение на выходе фотоприемника на уровне (5-30) мкВ, частота переключений ИКН 12 при этом изменяется соответственно от 30-5 Гц.

Когда на фотоприемник 1 поступит импульс лазерного излучения, произойдет переключение второго компаратора 18, который управляет ключом компенсации 13. Ключ компенсации 13 размыкается и компенсация прекращается, сохраняя на третьей RC-цепи 14, а соответственно и на интегрирующей RC-цепи 3 ранее действовавшее значение, напряжение компенсации на время действия импульса излучения и его обработки в блоке памяти 5. После окончания запоминания импульса излучения или сравнения его с ранее запомненным в блоке памяти 5 второй компаратор 18 возвращается в исходное состояние и переключает ключ компенсации 13 в проводящее (включенное) состояние. ИКН 12 своим компенсирующим напряжением ускоряет разряд конденсатора интегрирующей RC-цепи 3, что дополнительно увеличивает максимальную допустимую частоту повторения импульсов лазера, при которой возможно проведение измерений.

Кроме компенсации фонового света, предлагаемое устройство значительно снижает погрешность регулировки и температурный дрейф балансировки усилителя напряжения 4. Для реализации этих свойств предлагаемого устройства необходимо в качестве ИКН 12 применять прецизионные операционные усилители, например: К140УД17, К153УД5, К551УД1. Точная компенсация фонового света и значительное снижение величин других погрешностей до остаточного уровня (5-30) мкВ позволяют реализовать возможность расширения динамического диапазона единичного измерения от 0,5 мВ до 10 В

При наладке прибора отпадает необходимость индивидуальной подгонки напряжений питания фотоприемников с компенсационными схемами включения, например, болометрические фотоприемники типа БП1-2, имеющие разное соотношение величин сопротивлений чувствительного и компенсационного резисторов (R_изм и R_комп).

Составные элементы схемы в примере конкретного выполнения лазерного дозиметра могут быть выполнены следующим образом: фотоприемник 1 фотодиоды, болометры, усилитель напряжения 4 операционный усилитель с регулируемым усилением, первый компаратор 6 компаратор напряжений, ключ памяти 7 полевой транзистор, первый повторитель напряжения 9 повторитель напряжения на операционном усилителе с полевыми транзисторами на входе, регистратор 10 милливольтметр постоянного тока стрелочный или цифровой, первый ключ сброса 11 полевой транзистор, источник компенсирующего напряжения (ИКН) 12 прецизионный операционный усилитель в инвертирующем включении, ключ компенсации 13 полевой транзистор, 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.