RU214826U1

RU214826U1 - Spectroradiometer

Info

Publication number: RU214826U1
Application number: RU2022114193U
Authority: RU
Inventors: Василий Алексеевич Вагин; Сергей Романович Костюковский; Александр Иванович Хорохорин; Юрий Валерьевич Юнингер
Filing date: 2022-05-26
Publication date: 2022-11-15

Abstract

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована при создании приборов для определения состава газовой среды атмосферы, в частности, в условиях скудно-насыщенных газовых потоков с малой концентрацией изучаемых веществ. Спектрорадиометр содержит телескоп, приемник излучения, интерферометр Майкельсона, первый оптический вход которого соединен с выходом телескопа, второй оптический вход выполнен с возможностью приема излучения лазера, а первый оптический выход соединен с оптическим входом приемника излучения, привод зеркала, выход которого соединен со входом управления интерферометра Майкельсона. Дополнительно введен микроконтроллер, первый вход которого через аналого-цифровой преобразователь и усилитель сигнала приемника излучения соединен с выходом приемника излучения, светодиод, оптический вход которого соединен со вторым оптическим выходом интерферометра Майкельсона, а выход через усилитель сигнала светодиода соединен со вторым входом микроконтроллера, выход которого соединен с управляющим входом привода зеркала. Микроконтроллер выполнен с возможностью передачи данных в блок обработки информации, выполненный с возможностью отображения спектра сигнала и его характеристик на средствах отображения спектра. Интерферометр Майкельсона выполнен с диаметром светоделителя в 45 мм и светокомпенсатором. Метки запуска аналого-цифрового преобразователя привязаны по времени к перемещению зеркала интерферометра, которое управляется приводом, причем метка формируется в момент времени, когда зеркало интерферометра проходит путь в четверть длины волны лазера, и выходной синусоидальный сигнал на выходе интерферометра принимает нулевое значение. Технический результат заключается в повышении точности спектральных измерений. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

The utility model relates to the field of optical instrumentation and can be used to create devices for determining the composition of the atmospheric gaseous medium, in particular, under conditions of poorly saturated gas flows with a low concentration of the substances under study. The spectroradiometer contains a telescope, a radiation receiver, a Michelson interferometer, the first optical input of which is connected to the telescope output, the second optical input is configured to receive laser radiation, and the first optical output is connected to the optical input of the radiation receiver, a mirror drive, the output of which is connected to the control input of the interferometer Michelson. Additionally, a microcontroller is introduced, the first input of which is connected through an analog-to-digital converter and a signal amplifier of the radiation receiver to the output of the radiation receiver, an LED, the optical input of which is connected to the second optical output of the Michelson interferometer, and the output through the LED signal amplifier is connected to the second input of the microcontroller, the output of which connected to the control input of the mirror drive. The microcontroller is configured to transmit data to the information processing unit configured to display the signal spectrum and its characteristics on the spectrum display means. The Michelson interferometer is made with a beam splitter diameter of 45 mm and a light compensator. The start marks of the analog-to-digital converter are time-bound to the movement of the interferometer mirror, which is controlled by the drive, and the mark is formed at the time when the interferometer mirror travels a path of a quarter of the laser wavelength, and the output sinusoidal signal at the output of the interferometer takes a zero value. The technical result is to improve the accuracy of spectral measurements. 1 w.p. f-ly, 1 ill.

Description

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована при создании приборов для определения состава газовой среды атмосферы, в частности, в условиях скудно-насыщенных газовых потоков с малой концентрацией изучаемых веществ. Она позволяет длительно автономно (в автоматическом режиме) производить запись информации спектральных характеристик с последующей обработкой на персональном компьютере, ноутбуке и другой технике с визуализацией результатов измерений. Это делает возможным соотносить спектроэнергетические характеристики газовых составляющих с эталонным излучением чистой атмосферы при экологических обследованиях в опасных производственных зонах в замкнутых пространствах и при исследовании окружающей среды. The utility model relates to the field of optical instrumentation and can be used to create devices for determining the composition of the atmospheric gaseous medium, in particular, under conditions of poorly saturated gas flows with a low concentration of the substances under study. It allows long-term stand-alone (in automatic mode) recording of information on spectral characteristics with subsequent processing on a personal computer, laptop and other equipment with visualization of measurement results. This makes it possible to correlate the spectral-energetic characteristics of gas components with the reference radiation of a clean atmosphere in environmental surveys in hazardous industrial zones in confined spaces and in environmental studies.

Известен спектрорадиометр [RU 2276336, C1, G01J 3/28, 10.05.2006], включающий оптически сопряженные входной объектив, монохроматор, построенный по схеме Уолша, и приемник излучения, причем, в известном устройстве зеркало Литтрова зафиксировано в положении, обеспечивающем вписывание полного изображения исследуемого спектра внутри выходной щели монохроматора, в плоскости которой размещено сканирующее устройство, включающее непрозрачный элемент, сканирующий в направлении дисперсии.Known spectroradiometer [RU 2276336, C1, G01J 3/28, 10.05.2006], including optically coupled input lens, a monochromator built according to the Walsh scheme, and a radiation receiver, moreover, in a known device, the Littrow mirror is fixed in a position that ensures the inscription of the full image of the studied spectrum inside the output slit of the monochromator, in the plane of which a scanning device is placed, including an opaque element scanning in the dispersion direction.

Недостатком устройства является относительно низкая точность спектральных измерений.The disadvantage of the device is the relatively low accuracy of spectral measurements.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является спектрорадиометр [RU 203288, U1, G01J 3/28, 30.03.2021], содержащий телескоп, приемник излучения, интерферометр Майкельсона, первый оптический вход которого соединен с выходом телескопа и который выполнен с возможностью подачи на второй оптический вход излучения лазера, а выход соединен с оптическим входом приемника излучения, а также электродвигатель, выход которого соединен со входом управления интерферометра Майкельсона, и соединенный с выходом приемника излучения блок обработки информации, выполненный с возможностью отображения спектра сигнала и его характеристик на средствах отображения спектра.The closest in technical essence to the proposed one is a spectroradiometer [RU 203288, U1, G01J 3/28, 03/30/2021], containing a telescope, a radiation receiver, a Michelson interferometer, the first optical input of which is connected to the telescope output and which is configured to feed to the second an optical input of laser radiation, and the output is connected to the optical input of the radiation receiver, as well as an electric motor, the output of which is connected to the control input of the Michelson interferometer, and an information processing unit connected to the output of the radiation receiver, configured to display the signal spectrum and its characteristics on the spectrum display means .

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая чувствительность прибора и относительно низкая точность измерений.The disadvantage of the closest technical solution is the relatively low sensitivity of the device and the relatively low measurement accuracy.

Задача, которая решается в полезной модели, заключается в создании спектрорадиометра, позволяющего производить регистрацию и измерение состава газовой среды атмосферы с более высокой чувствительностью и точностью.The problem solved in the utility model is to create a spectroradiometer that allows recording and measuring the composition of the atmospheric gaseous medium with higher sensitivity and accuracy.

Техническим результатом, получаемым от внедрения полезной модели, является повышение чувствительности и точности измерений.The technical result obtained from the introduction of the utility model is to increase the sensitivity and accuracy of measurements.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее телескоп, приемник излучения, интерферометр Майкельсона, первый оптический вход которого соединен с выходом телескопа, второй оптический вход выполнен с возможностью приема излучения лазера, а первый оптический выход соединен с оптическим входом приемника излучения, привод зеркала, выход которого соединен со входом управления интерферометра Майкельсона, а также блок обработки информации, выполненный с возможностью отображения спектра сигнала и его характеристик на средствах отображения спектра, согласно полезной модели, ведены микроконтроллер, первый вход которого через аналого-цифровой преобразователь и усилитель сигнала приемника излучения соединен с выходом приемника излучения, светодиод, оптический вход которого соединен со вторым оптическим выходом интерферометра Майкельсона, а выход через усилитель сигнала светодиода соединен со вторым входом микроконтроллера, выход которого соединен с управляющим входом привода зеркала.The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in a device containing a telescope, a radiation receiver, a Michelson interferometer, the first optical input of which is connected to the telescope output, the second optical input is configured to receive laser radiation, and the first optical output is connected to the optical input a radiation receiver, a mirror drive, the output of which is connected to the control input of the Michelson interferometer, as well as an information processing unit capable of displaying the signal spectrum and its characteristics on the spectrum display means, according to the utility model, a microcontroller is driven, the first input of which is through an analog-to-digital converter and the signal amplifier of the radiation receiver is connected to the output of the radiation receiver, the LED, the optical input of which is connected to the second optical output of the Michelson interferometer, and the output through the signal amplifier of the LED is connected to the second input of the microcontroller, the output of which is connected ene with mirror drive control input.

Кроме того, технический результат достигается тем, что микроконтроллер выполнен с возможностью подключения карты микро-SD (флешке).In addition, the technical result is achieved by the fact that the microcontroller is configured to connect a micro-SD card (flash drive).

Кроме того, технический результат достигается тем, что блок обработки информации, выполненный с возможностью отображения спектра сигнала и его характеристик на средствах отображения спектра, выполнен в виде ноутбука, соединенного через USB - интерфейс к информационному порту микроконтроллера.In addition, the technical result is achieved by the fact that the information processing unit, configured to display the spectrum of the signal and its characteristics on the means of displaying the spectrum, is made in the form of a laptop connected via a USB interface to the information port of the microcontroller.

На чертеже представлена функциональная схема спектрорадиометра совместно с картой микро-SD, лазером и средством отображения спектра.The drawing shows a functional diagram of a spectroradiometer together with a micro-SD card, a laser and a spectrum display tool.

На чертеже обозначены:The drawing shows:

1 - микроконтроллер;1 - microcontroller;

2 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);2 - analog-to-digital converter (ADC);

3 - карта микро-SD;3 - micro SD card;

4 - USB-интерфейс;4 - USB interface;

5 - приемник излучения;5 - radiation receiver;

6 - усилитель сигнала ИК-приемника;6 - IR receiver signal amplifier;

7 - привод зеркала;7 - mirror drive;

8 - средства отображения спектра;8 - means of displaying the spectrum;

9 - лазер;9 - laser;

10 - светодиод;10 - LED;

11 - усилитель сигнала светодиода;11 - LED signal amplifier;

12 - интерферометр;12 - interferometer;

13 - телескоп.13 - telescope.

Работает спектрорадиометр следующим образом.The spectroradiometer works as follows.

Излучение исследуемого объекта через телескоп 13 попадает в интерферометр 12, где интерферирует и выводится на ИК-приемник 5. Интерферометр Майкельсона в частном случае выполнен с диаметром светоделителя, равного 45 мм, и светокомпенсатором. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2 после усиления в усилителе 6 оцифровывает этот сигнал. Метки запуска АЦП привязаны по времени к перемещению зеркала интерферометра 12, которое управляется приводом 7. Метка формируется всякий раз, когда зеркало проходит путь в четверть длины волны He-Ne лазера, излучение которого также проходит через интерферометр 12 и дает на выходе последнего синусоидальный сигнал, принимаемый светодиодом 10 и усиливаемый усилителем 11. АЦП 2 запускается, когда синусоида проходит через нулевое значение. Микроконтроллер 1 принимает данные АЦП 2 и пересылает их для хранения в карту 3 микро-SD и одновременно (в стандартном режиме) в средство 8 отображения спектра (ноутбук, PC-компьютер) через USB-интерфейс 4.The radiation of the object under study through the telescope 13 enters the interferometer 12, where it interferes and is output to the IR receiver 5. In a particular case, the Michelson interferometer is made with a beam splitter diameter of 45 mm and a light compensator. Analog-to-digital converter (ADC) 2 after amplification in amplifier 6 digitizes this signal. The ADC trigger marks are time-bound to the movement of the interferometer mirror 12, which is controlled by the drive 7. The mark is formed whenever the mirror travels a quarter-wavelength path of the He-Ne laser, the radiation of which also passes through the interferometer 12 and gives a sinusoidal signal at the output of the latter, received by LED 10 and amplified by amplifier 11. ADC 2 is triggered when the sine wave passes through zero. Microcontroller 1 receives data from ADC 2 and transfers them for storage to micro SD card 3 and simultaneously (in standard mode) to spectrum display device 8 (laptop, PC) via USB interface 4.

Микроконтроллер 1 также управляет приводом 7 зеркала интерферометра 12. В стандартном режиме число отсчетов АЦП 2 обычно задается согласно значению спектрального разрешения от 2 до 64 см^-1. В автономном режиме число отсчетов АЦП 2 фиксированное и соответствует спектральному разрешению, равным 2 (8к отчетов). Данные АЦП 2 в этом режиме в средство 8 отображения спектра во время регистрации не поступают. Они могут быть считаны либо через кардридер, или через интерфейс 4, по окончании автономной работы в темпе, в котором они были записаны на карту 3 микро-SD при регистрации (около миллиона записей при объеме карты 32 ГБайта).The microcontroller 1 also controls the drive 7 of the mirror of the interferometer 12. In the standard mode, the number of readings of the ADC 2 is usually set according to the value of the spectral resolution from 2 to 64 cm ^-1 . In offline mode, the number of ADC 2 counts is fixed and corresponds to a spectral resolution of 2 (8k reports). The data of the ADC 2 in this mode in the tool 8 for displaying the spectrum during the registration is not received. They can be read either via a card reader or via interface 4 after battery life ends at the rate at which they were written to the 3 micro SD card at registration (about a million records for a 32 GB card).

Запуск АЦП 2 происходит по меткам перехода через ноль сигнала светодиода 10, прошедшего через усилитель 11. Источником интерференционного излучения, падающего на светодиод 10, является сигнал He-Ne лазера 9, прошедший через интерферометр 12. Отображение спектра запоминается либо на электронном носителе (флэшке) и совмещается с программным обеспечением на средствах отображения спектров, либо непосредственно с помощью программы на мониторе средств 8 отображения спектров (на компьютере или ноутбуке, или на других средствах отображения).The ADC 2 is triggered by the zero crossing marks of the LED 10 signal that passed through the amplifier 11. The source of interference radiation incident on the LED 10 is the He-Ne laser signal 9 that passed through the interferometer 12. The spectrum display is stored either on an electronic media (flash drive) and is combined with the software on the spectrum display means, or directly using the program on the monitor of the spectrum display means 8 (on a computer or laptop, or on other display means).

Таким образом, благодаря предложенной конструкции спектрорадиометра, достигается требуемый технический результат, который заключается в повышении чувствительности и точности спектральных измерений, поскольку микроконтроллер 1, который управляет приводом 7 зеркала интерферометра 12 и обеспечивает высокое значение спектрального разрешения от 2 до 64 см^-1.Thus, thanks to the proposed design of the spectroradiometer, the required technical result is achieved, which is to increase the sensitivity and accuracy of spectral measurements, since the microcontroller 1, which controls the drive 7 of the mirror of the interferometer 12 and provides a high value of the spectral resolution from 2 to 64 cm ^-1 .

Claims

1. A spectroradiometer containing a telescope, a radiation receiver, a Michelson interferometer, the first optical input of which is connected to the telescope output, the second optical input is configured to receive laser radiation, and the first optical output is connected to the optical input of the radiation receiver, the mirror drive, the output of which is connected to control input of the Michelson interferometer, characterized in that a microcontroller is introduced, the first input of which is connected through an analog-to-digital converter and a signal amplifier of the radiation receiver to the output of the radiation receiver, an LED, the optical input of which is connected to the second optical output of the Michelson interferometer, and the output through the signal amplifier of the LED connected to the second input of the microcontroller, the output of which is connected to the control input of the mirror drive, while the microcontroller is configured to transmit data to the information processing unit, configured to display the signal spectrum and its characteristics on the medium In order to display the spectrum, the Michelson interferometer is made with a beam splitter diameter of 45 mm and a light compensator, and the trigger marks of the analog-to-digital converter are time-bound to the movement of the interferometer mirror, which is controlled by the drive, and the mark is formed at the moment when the interferometer mirror travels a quarter-length path laser waves, and the output sinusoidal signal at the output of the interferometer takes on a zero value.

2. Spectroradiometer according to claim 1, characterized in that the microcontroller is configured to connect a micro-SD card.