RU132183U1

RU132183U1 - OPTICAL SENSOR TO REDUCE THE INSTABILITY OF THE MEASURING SIGNAL

Info

Publication number: RU132183U1
Application number: RU2012145011/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Яковлевич Менделеев; Андрей Викторович Курилович
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2013-09-10

Abstract

Оптический датчик для уменьшения нестабильности измерительного сигнала, содержащий источник оптического излучения, модулированного по интенсивности, ответвитель части модулированного излучения, два фотопреобразователя, первый из которых является приемником измеряемого излучения, конденсатор выборки и хранения сигнала и аналого-цифровой преобразователь, причем выход конденсатора выборки и хранения сигнала соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а выход ответвителя части модулированного излучения оптически связан с входом второго фотопреобразователя, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен источником опорного напряжения, компаратором и коммутатором, причем выход первого фотопреобразователя соединен с сигнальным входом коммутатора, выход которого соединен с входом конденсатора выборки и хранения сигнала, при этом выход второго фотопреобразователя соединен с одним из входов компаратора, а выход источника опорного напряжения соединен с другим входом компаратора и выход компаратора соединен с управляющим входом коммутатора.An optical sensor for reducing the instability of the measuring signal, comprising an intensity-modulated optical radiation source, a modulated-radiation coupler, two photoconverters, the first of which is a measured-radiation receiver, a signal sampling and storage capacitor, and an analog-to-digital converter, the sampling and storage capacitor output the signal is connected to the input of the analog-to-digital converter, and the output of the coupler of the modulated radiation part is optically coupled to the course of the second photoconverter, characterized in that it is additionally equipped with a reference voltage source, a comparator and a switch, the output of the first photoconverter connected to the signal input of the switch, the output of which is connected to the input of the capacitor sampling and storing the signal, while the output of the second photoconverter is connected to one of the inputs comparator, and the output of the reference voltage source is connected to another input of the comparator and the output of the comparator is connected to the control input of the switch.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области измерительной техники и может быть применена к оптическим датчикам для уменьшения нестабильности измерительного сигнала, вызываемой случайным изменением интенсивности излучения оптического источника.The proposed utility model relates to the field of measurement technology and can be applied to optical sensors to reduce the instability of the measuring signal caused by a random change in the radiation intensity of an optical source.

Известен оптический датчик для уменьшения нестабильности измерительного сигнала [V.Y.Mendeleyev "Scattering from unidirectional ground steel surfaces in the specular direction," Optics Communications vol. 268, p.7-14 (2006)], содержащий источник оптического излучения, ответвитель части излучения и преобразователь интенсивности измеряемого излучения в измерительный сигнал, включающий в себя два фотопреобразователя, первый из которых является приемником измеряемого излучения, два конденсатора выборки и хранения сигналов, два аналого-цифровых преобразователя и делитель. При этом выход первого фотопреобразователя соединен с последовательно соединенными первым конденсатором выборки и хранения сигнала и первым аналого-цифровым преобразователем. Выход ответвителя излучения оптически связан с входом второго фотопреобразователя, выход которого соединен с последовательно соединенными вторым конденсатором выборки и хранения сигнала и вторым аналого-цифровым преобразователем. Выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом делителя, а выход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с вторым входом делителя. При этом измерительным сигналом является результат деления выходного сигнала первого аналого-цифрового преобразователя на выходной сигнал второго аналого-цифрового преобразователя.Known optical sensor for reducing the instability of the measuring signal [V.Y. Mendeleyev "Scattering from unidirectional ground steel surfaces in the specular direction," Optics Communications vol. 268; two analog-to-digital converters and a divider. In this case, the output of the first photoconverter is connected to the first capacitor of sampling and storing the signal and the first analog-to-digital converter. The output of the radiation coupler is optically coupled to the input of the second photoconverter, the output of which is connected to the second capacitor of sampling and storing the signal and the second analog-to-digital converter. The output of the first analog-to-digital converter is connected to the first input of the divider, and the output of the second analog-to-digital converter is connected to the second input of the divider. In this case, the measuring signal is the result of dividing the output signal of the first analog-to-digital converter by the output signal of the second analog-to-digital converter.

Недостаток этого технического решения заключается в том, что накопление заряда первым конденсатором выборки и хранения и накопление заряда вторым конденсатором выборки и хранения осуществляется в разные моменты времени и поэтому сигналы на выходе первого аналого-цифрового преобразователя и на выходе второго аналого-цифрового преобразователя соответствуют разным временным изменениям интенсивности источника излучения. Вследствие этого нестабильность измерительного сигнала, определяемая как отношение среднеквадратического отклонения случайных изменений измерительного сигнала к средней величине этого сигнала, составляет величину не ниже 0.1%.The disadvantage of this technical solution is that the charge is accumulated by the first capacitor for sampling and storage and the charge is accumulated by the second capacitor for sampling and storage, and therefore the signals at the output of the first analog-to-digital converter and at the output of the second analog-to-digital converter correspond to different time changes in the intensity of the radiation source. As a result, the instability of the measuring signal, defined as the ratio of the standard deviation of random changes in the measuring signal to the average value of this signal, is not less than 0.1%.

Наиболее близкий к предлагаемой полезной модели по своей технической сути является оптический датчик для уменьшения нестабильности измерительного сигнала [D.Zhuang and T.Yang "Spectral reflectance measurements using a precision multiple reflectometer in the UV and VUV range," Applied Optics vol.28, p.5024-5028 (1989)], содержащий источник оптического излучения, модулированного по интенсивности, генератор временной синхронизации, ответвитель части модулированного излучения и преобразователь интенсивности измеряемого излучения в измерительный сигнал, включающий в себя два фотопреобразователя, первый из которых является приемником измеряемого излучения, два синхронных детектора, два конденсатора выборки и хранения сигналов, два аналого-цифровых преобразователя и делитель. При этом выход генератора временной синхронизации соединен с управляющим входом первого синхронного детектора и управляющим входом второго синхронного детектора. Выход первого фотопреобразователя соединен с сигнальным входом первого синхронного детектора, выход которого соединен с последовательно соединенными первым конденсатором выборки и хранения сигнала и первым аналого-цифровым преобразователем. Выход ответвителя излучения оптически связан со вторым фотопреобразователем, выход которого соединен с сигнальным входом второго синхронного детектора, выход которого соединен с последовательно соединенными вторым конденсатором выборки и хранения сигнала и вторым аналого-цифровым преобразователем. Выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом делителя и выход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с вторым входом делителя. При этом измерительным сигналом является результат деления полученных одновременно сигнала первого аналого-цифрового преобразователя на сигнал второго аналого-цифрового преобразователя.Closest to the proposed utility model in its technical essence is an optical sensor to reduce the instability of the measuring signal [D.Zhuang and T.Yang "Spectral reflectance measurements using a precision multiple reflectometer in the UV and VUV range," Applied Optics vol. 28, p .5024-5028 (1989)], comprising an intensity-modulated optical radiation source, a time synchronization generator, a modulated-radiation part coupler, and a measured-signal intensity converter for measuring radiation, including two photoconverters, the first of which toryh is measured radiation receiver, two synchronous detectors, two capacitor sample and hold signal, two analog-to-digital converter and the splitter. The output of the time synchronization generator is connected to the control input of the first synchronous detector and the control input of the second synchronous detector. The output of the first photoconverter is connected to the signal input of the first synchronous detector, the output of which is connected to the first capacitor of sampling and storing the signal and the first analog-to-digital converter. The output of the radiation coupler is optically coupled to a second photoconverter, the output of which is connected to the signal input of a second synchronous detector, the output of which is connected to a second capacitor for signal sampling and storage and a second analog-to-digital converter. The output of the first analog-to-digital converter is connected to the first input of the divider and the output of the second analog-to-digital converter is connected to the second input of the divider. In this case, the measuring signal is the result of dividing the received signal of the first analog-to-digital converter by the signal of the second analog-to-digital converter.

Недостаток этого технического решения заключается в том, что невозможно обеспечить идентичность (одинаковость) передаточных характеристик первых и вторых фотопреобразователей, синхронных детекторов, аналого-цифровых преобразователей и конденсаторов выборки и хранения сигналов. Вследствие этого нестабильность измерительного сигнала такого датчика составляет величину не ниже 0.01%.The disadvantage of this technical solution is that it is impossible to ensure the identity (sameness) of the transfer characteristics of the first and second photoconverters, synchronous detectors, analog-to-digital converters and capacitors for sampling and storing signals. As a result, the instability of the measuring signal of such a sensor is not less than 0.01%.

Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу, направленную на уменьшение нестабильности измерительного сигнала оптического датчика, вызываемой случайным изменением интенсивности излучения оптического источника. При этом технический результат, который может быть получен при работе оптического датчика, достигается за счет исключения зависимости стабильности измерительного сигнала от степени идентичности устройств, входящих в состав датчика. Для этого интенсивность излучения оптического источника подвергается временной модуляции и измерительный сигнал датчика формируется в момент времени, когда модулированная интенсивность излучения источника достигает заданную величину.The proposed utility model solves the technical problem aimed at reducing the instability of the measuring signal of the optical sensor caused by a random change in the radiation intensity of the optical source. In this case, the technical result that can be obtained by operating the optical sensor is achieved by eliminating the dependence of the stability of the measuring signal on the degree of identity of the devices that make up the sensor. For this, the radiation intensity of the optical source undergoes temporary modulation and the measuring signal of the sensor is generated at a time when the modulated radiation intensity of the source reaches a predetermined value.

Для достижения технического результата в оптический датчик, содержащий источник оптического излучения, модулированного по интенсивности, ответвитель части модулированного излучения и преобразователь измеряемой интенсивности излучения в измерительный сигнал, включающий в себя два фотопреобразователя, первый из которых является приемником измеряемого излучения, конденсатор выборки и хранения сигнала и аналого-цифровой преобразователь, дополнительно введены источник опорного напряжения, компаратор и коммутатор. При этом выход первого фотопреобразователя соединен с сигнальным входом коммутатора, выход которого соединен с последовательно соединенными конденсатором выборки и хранения сигнала и аналого-цифровым преобразователем. Ответвитель излучения оптически связан со вторым фотопреобразователем, выход которого соединен с одним из входов компаратора, а выход источника опорного напряжения соединен с другим входом компаратора и выход компаратора соединен с управляющим входом коммутатора. При работе датчика в момент времени, когда величина модулированного сигнала на выходе второго фотопреобразователя равняется величине напряжения источника опорного напряжения, компаратор формирует управляющий сигнал, открывающий коммутатор. Вследствие этого, сигнал первого фотопреобразователя проходит через коммутатор на вход конденсатора выборки и хранения и аналого-цифровой преобразователь преобразовывает заряд конденсатора в измерительный сигнал датчика. За счет такого технического решения исключается зависимость стабильности измерительного сигнала оптического датчика от степени идентичности первого и второго фотопреобразователей, при этом измерительный сигнал формируется при постоянной величине интенсивности излучения оптического источника.To achieve a technical result, an optical sensor containing an intensity-modulated optical radiation source, a modulated radiation coupler and a measured radiation intensity converter into a measuring signal including two photoconverters, the first of which is a measured radiation receiver, a signal sampling and storage capacitor, and an analog-to-digital converter, an additional voltage reference source, a comparator and a switch are additionally introduced. In this case, the output of the first photoconverter is connected to the signal input of the switch, the output of which is connected to the capacitor of sampling and storing the signal and an analog-to-digital converter. The radiation coupler is optically coupled to a second photoconverter, the output of which is connected to one of the inputs of the comparator, and the output of the reference voltage source is connected to the other input of the comparator, and the output of the comparator is connected to the control input of the switch. When the sensor is operating at a time when the value of the modulated signal at the output of the second photoconverter is equal to the voltage value of the reference voltage source, the comparator generates a control signal that opens the switch. As a result of this, the signal of the first photoconverter passes through the switch to the input of the sampling and storage capacitor, and the analog-to-digital converter converts the charge of the capacitor into a measuring signal of the sensor. Due to this technical solution, the dependence of the stability of the measuring signal of the optical sensor on the degree of identity of the first and second photoconverters is eliminated, while the measuring signal is formed at a constant radiation intensity of the optical source.

Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется схемой, показанной на фиг.1. Фиг.2 иллюстрирует выходные сигналы устройств, входящих в состав оптического датчика. Пример конкретного осуществления полезной модели приведен на фиг.3.The essence of the proposed utility model is illustrated by the circuit shown in figure 1. Figure 2 illustrates the output signals of devices included in the optical sensor. An example of a specific implementation of the utility model is shown in figure 3.

Оптический датчик (фиг.1) для уменьшения нестабильности измерительного сигнала содержит источник 1 оптического излучения, модулированного по интенсивности, ответвитель 2 части модулированного излучения, два фотопреобразователя 3 и 4, конденсатор 5 выборки и хранения сигнала, аналого-цифровой преобразователь 6, источник 7 опорного напряжения, компаратор 8 и коммутатор 9. Контролируемый образец 10 является отражателем измеряемого излучения на фотопреобразователь 3. При этом выход фотопреобразователя 3 соединен с последовательно соединенными коммутатором 9, конденсатором 5 выборки и хранения сигнала и аналого-цифровым преобразователем 6. Выход ответвителя 2 оптически связан с входом фотопреобразователя 4, выход которого соединен с одним из входов компаратора 8, а выход источника 7 опорного напряжения соединен с другим входом компаратора 8 и выход компаратора 8 соединен с управляющим входом коммутатора 9.The optical sensor (figure 1) to reduce the instability of the measuring signal contains a source 1 of optical radiation, modulated in intensity, a coupler 2 of the modulated radiation, two photoconverters 3 and 4, a capacitor 5 for sampling and storing the signal, analog-to-digital Converter 6, the source 7 reference voltage, comparator 8 and switch 9. The controlled sample 10 is a reflector of the measured radiation to the photoconverter 3. In this case, the output of the photoconverter 3 is connected to series-connected switch 9, a capacitor 5 for sampling and storing the signal and analog-to-digital converter 6. The output of the coupler 2 is optically connected to the input of the photoconverter 4, the output of which is connected to one of the inputs of the comparator 8, and the output of the source 7 of the reference voltage is connected to the other input of the comparator 8 and the output comparator 8 is connected to the control input of the switch 9.

Устройство полезной модели работает следующим образом. Оптическое излучение источника 1, модулированное по интенсивности, проходя ответвитель 2, направляется на контролируемый образец 10. Излучение, отраженное контролируемым образцом 10, падает на фотопреобразователь 3 и преобразуется в электрический сигнал, который поступает на коммутатор 9, закрытый в исходном состоянии. При этом сигнал на выходе коммутатора 9 равен нулю и нулю равен измерительный сигнал датчика. Модулированное излучение, ответвленное ответвителем 2, преобразуется фотопреобразователем 4 в электрический сигнал, который поступает на вход компаратора 8, где сравнивается с напряжением источника 7 опорного напряжения. Если величина электрического сигнала на выходе фотопреобразователя 4 меньше напряжения источника 7 опорного напряжения, то компаратор 8 не выдает управляющий сигнал на включение коммутатора 9. При этом электрический сигнал с выхода фотопреобразователя 3 не проходит через коммутатор 9 на конденсатор 5 и измерительный сигнал датчика равен нулю. При достижении электрическим сигналом фотопреобразователя 4 (вследствие временной модуляции) величины, равной величине напряжения источника 7 опорного напряжения, компаратор 8 формирует управляющий сигнал, включающий коммутатор 9. В этот момент времени электрический сигнал с выхода фотопреобразователя 3 проходит через коммутатор 9 на конденсатор 5. Конденсатор 5 накапливает электрический заряд, который преобразовывается аналого-цифровым преобразователем 6 в измерительный сигнал датчика. Формирование следующих измерительных сигналов датчика осуществляется аналогичным образом. При этом величина этих сигналов остается постоянной, поскольку через коммутатор могут проходить сигналы только тогда, когда величина напряжения на выходе фотопреобразователя 4 равняется величине напряжения источника 7 опорного напряжения.The device of the utility model operates as follows. The optical radiation of the source 1, modulated in intensity, passing through the coupler 2, is sent to the controlled sample 10. The radiation reflected by the controlled sample 10 is incident on the photoconverter 3 and converted into an electrical signal, which is fed to the switch 9, which is closed in the initial state. In this case, the signal at the output of the switch 9 is equal to zero and the measuring signal of the sensor is equal to zero. The modulated radiation branched by the coupler 2 is converted by the photoconverter 4 into an electrical signal, which is fed to the input of the comparator 8, where it is compared with the voltage of the reference voltage source 7. If the value of the electric signal at the output of the photoconverter 4 is less than the voltage of the reference voltage source 7, then the comparator 8 does not give a control signal to turn on the switch 9. Moreover, the electric signal from the output of the photoconverter 3 does not pass through the switch 9 to the capacitor 5 and the measuring signal of the sensor is zero. When the electric signal of the photoconverter 4 (due to time modulation) reaches a value equal to the voltage of the source 7 of the reference voltage, the comparator 8 generates a control signal that includes the switch 9. At this point in time, the electric signal from the output of the photoconverter 3 passes through the switch 9 to the capacitor 5. The capacitor 5 accumulates an electric charge, which is converted by an analog-to-digital converter 6 into a measuring signal of the sensor. The formation of the following measuring signals of the sensor is carried out in a similar way. At the same time, the magnitude of these signals remains constant, since signals can pass through the switch only when the voltage value at the output of the photoconverter 4 is equal to the voltage value of the reference voltage source 7.

На фиг.2а иллюстрируется уменьшение амплитуды модулированного сигнала U₂(t) на выходе фотопреобразователя 4, вызванное случайным изменением модулированной интенсивности излучения оптического источника 1. Уменьшение амплитуды модулированного сигнала U₂(t) на выходе фотопреобразователя 3, вызванное тем же случайным изменением модулированной интенсивности излучения оптического источника 1, иллюстрируется на фиг.2б. На фиг.2а также показана постоянная величина напряжения U₀ источника 7 опорного напряжения. В момент совпадения величины напряжения U₁(t) на выходе фотопреобразователя 4 с напряжением U₀ источника 7 опорного напряжения компаратор 8 формирует сигнал U_S(t) (фиг.2в), который открывает коммутатор 9, подключающий фотопреобразователь 3 к конденсатору 5 выборки и хранения сигнала. Таким образом, величина заряда U_C(t₁), U_C(t₂) и U_C(t₃) (фиг.2г) конденсатора 5, накопленного в моменты времени t₁, t2 и t₃ и преобразованного аналого-цифровым преобразователем 6 в измерительный сигнал датчика, является постоянной величиной, соответствующей одной и той же величине интенсивности источника излучения.Figure 2a illustrates a decrease in the amplitude of the modulated signal U ₂ (t) at the output of the photoconverter 4 caused by a random change in the modulated radiation intensity of the optical source 1. A decrease in the amplitude of the modulated signal U ₂ (t) at the output of the photoconverter 3 caused by the same random change in the modulated intensity radiation of the optical source 1 is illustrated in figb. On figa also shows a constant voltage U _{0 the} source 7 of the reference voltage. At the moment of coincidence of the voltage U ₁ (t) at the output of the photoconverter 4 with the voltage U _{0 of the} reference voltage source 7, the comparator 8 generates a signal U _S (t) (Fig.2c), which opens the switch 9, connecting the photoconverter 3 to the sample capacitor 5 and signal storage. Thus, the amount of charge U _C (t ₁ ), U _C (t ₂ ) and U _C (t ₃ ) (FIG. 2 g) of the capacitor 5 accumulated at time t ₁ , t2 and t ₃ and converted by an analog-to-digital converter 6 into the measuring signal of the sensor is a constant value corresponding to the same value of the intensity of the radiation source.

Заявленное техническое решение исключает зависимость стабильности измерительного сигнала оптического датчика от степени идентичности фотопреобразователей датчика и по сравнению с прототипом позволяет уменьшить нестабильность измерительного сигнала более чем в два раза.The claimed technical solution eliminates the dependence of the stability of the measuring signal of the optical sensor on the degree of identity of the photoconverters of the sensor and in comparison with the prototype allows to reduce the instability of the measuring signal by more than half.

В оптическом датчике, схема которого приведена на фиг.3, источник 1 оптического излучения содержит полупроводниковый лазерный диод 11 с модулятором 12 тока, модулирующим интенсивность излучения лазерного диода. Ответвитель 2 модулированного излучения выполнен в виде светоделительного кубика. Фотопреобразователи 3 и 4 содержат соответственно кремниевые фотодиоды 13 и 14 и операционные усилители 15 и 16. Аналого-цифровой преобразователь 8 выполнен в виде 16-ти разрядного аналого-цифрового преобразователя последовательного приближения, источник 7 опорного напряжения выполнен в виде микросхемы прецизионно стабилизированного напряжения, компаратор 8 выполнен в виде микросхемы, изготовленной по металлооксидной полупроводниковой технологии, коммутатор 9 выполнен в виде электронно-управляемого ключа.In the optical sensor, the circuit of which is shown in FIG. 3, the optical radiation source 1 comprises a semiconductor laser diode 11 with a current modulator 12 modulating the radiation intensity of the laser diode. The modulated radiation coupler 2 is made in the form of a beam splitter cube. Photoconverters 3 and 4 contain, respectively, silicon photodiodes 13 and 14 and operational amplifiers 15 and 16. The analog-to-digital converter 8 is made in the form of a 16-bit analog-to-digital converter of successive approximation, the reference voltage source 7 is made in the form of a precision-stabilized voltage microcircuit, a comparator 8 is made in the form of a chip manufactured by metal oxide semiconductor technology, the switch 9 is made in the form of an electronically controlled key.

Оптический датчик, выполненный по схеме, приведенной на фиг.3, исследовался экспериментально. Длина волны излучения лазерного диода, частота модуляции интенсивности излучения и температурный коэффициент источника опорного напряжения составляли соответственно 635 нм, 285 Гц и 1 ppm/°C. Нестабильность измерительного сигнала датчика, полученная экспериментально, составила 0.0045% за 1 час работы, что в 2.2 раза меньше, чем нестабильность, полученная с использованием прототипа.The optical sensor, made according to the scheme shown in figure 3, was investigated experimentally. The radiation wavelength of the laser diode, the frequency modulation of the radiation intensity, and the temperature coefficient of the reference voltage source were 635 nm, 285 Hz, and 1 ppm / ° C, respectively. The instability of the measuring sensor signal obtained experimentally was 0.0045% for 1 hour of operation, which is 2.2 times less than the instability obtained using the prototype.

Claims

An optical sensor for reducing the instability of the measuring signal, comprising an intensity-modulated optical radiation source, a modulated-radiation coupler, two photoconverters, the first of which is a measured-radiation receiver, a signal sampling and storage capacitor, and an analog-to-digital converter, the sampling and storage capacitor output the signal is connected to the input of the analog-to-digital converter, and the output of the coupler of the modulated radiation part is optically coupled to the course of the second photoconverter, characterized in that it is additionally equipped with a reference voltage source, a comparator and a switch, the output of the first photoconverter connected to the signal input of the switch, the output of which is connected to the input of the capacitor sampling and storing the signal, while the output of the second photoconverter is connected to one of the inputs comparator, and the output of the reference voltage source is connected to another input of the comparator and the output of the comparator is connected to the control input of the switch.