RU200299U1

RU200299U1 - INSTRUMENT FOR MEASURING THE ENERGY OF PULSE LIGHT SIGNALS

Info

Publication number: RU200299U1
Application number: RU2020123438U
Authority: RU
Inventors: Борис Георгиевич Скуйбин; Арсений Владимирович Жуков; Сергей Павлович Барышников; Георгий Алексеевич Малышев; Евгений Александрович Шевченко; Максим Сергеевич Рябоконь; Алексей Павлович Титов; Андрей Павлович Морозов; Григорий Александрович Щетинин; Юрий Алексеевич Струков; Михаил Леонидович Поздышев
Original assignee: Акционерное Общество "Центр Прикладной Физики Мгту Им. Н.Э. Баумана"
Priority date: 2020-07-15
Filing date: 2020-07-15
Publication date: 2020-10-15

Abstract

Заявляемое техническое решение относится к разделу устройств для измерения импульсных характеристик инфракрасных, видимых или ультрафиолетовых лучей, в частности, для измерения энергии импульсного излучения лазера.Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в создании простого в использовании, удобного, безопасного и точного устройства, позволяющего производить измерения энергии светового излучения посылаемого лазером или другим световым импульсным источником.Данная задача решается благодаря наличию в приборе фотодиода для регистрации и преобразования энергии светового импульса в измеряемое напряжение на конденсаторе, и микроконтроллера, служащего для последующей обработки сигнала и выдачи результатов, что позволяет измерять энергию импульсного сигнала излучаемого лазером или другим световым источником и выводить на дисплей результаты в цифровом виде.Результатом, который обеспечивается приведенной совокупностью признаков, является удобство, простота, быстродействие, широкий диапазона длительностей световых сигналов и точность прибора. Также, что весьма важно, устройство безопасно при использовании в лабораторных работах, связанных с измерением энергии светового излучения в учебных заведениях, где в опытах участвуют как преподаватели, так и школьники (студенты).The claimed technical solution relates to the section of devices for measuring the pulse characteristics of infrared, visible or ultraviolet rays, in particular, for measuring the energy of pulsed laser radiation. The problem to be solved by the claimed technical solution is to create an easy to use, convenient, safe and accurate a device that makes it possible to measure the energy of light radiation sent by a laser or other light pulsed source. This problem is solved due to the presence in the device of a photodiode for recording and converting the energy of a light pulse into a measured voltage across a capacitor, and a microcontroller, which serves for subsequent processing of the signal and output of results, which allows you to measure the energy of a pulse signal emitted by a laser or other light source and display the results in digital form. The result, which is provided by the given set of features, is convenience, simplicity a, speed, wide range of light signal durations and instrument accuracy. Also, which is very important, the device is safe when used in laboratory work related to measuring the energy of light radiation in educational institutions, where both teachers and schoolchildren (students) participate in experiments.

Description

Область техникиTechnology area

Заявляемое техническое решение относится к разделу устройств для измерения импульсных характеристик инфракрасных, видимых или ультрафиолетовых лучей, в частности, для измерения энергии импульсного излучения лазера.The claimed technical solution relates to the section of devices for measuring the pulse characteristics of infrared, visible or ultraviolet rays, in particular, for measuring the energy of pulsed laser radiation.

Уровень техникиState of the art

Известно устройство для измерения энергии лазерного излучения, включающее в себя заполненную жидкостью герметичную емкость с подвижной стенкой в виде мембраны, элемент для приема светового импульса и регистратор энергии светового импульса, (а.с. СССР №797330, 07.06.84 г; Автор: Чередников Олег Руфович МПК: G01J 5/34). Это техническое решение позволяет измерять энергию импульса лазерного сигнала, однако оно имеет сложную конструкцию, неудобно в эксплуатации, обеспечивает недостаточную точность измерений, что обусловлено спецификой обработки информации и представлении результатов измерений в аналоговом виде при измерении энергии светового импульса.A device for measuring the energy of laser radiation is known, which includes a liquid-filled sealed container with a movable wall in the form of a membrane, an element for receiving a light pulse and a light pulse energy recorder, (USSR AS No. 797330, 07.06.84 g; Author: Cherednikov Oleg Rufovich MPK: G01J 5/34). This technical solution makes it possible to measure the pulse energy of a laser signal, however, it has a complex design, is inconvenient in operation, and provides insufficient measurement accuracy, which is due to the specifics of information processing and the presentation of measurement results in analog form when measuring the energy of a light pulse.

Раскрытие полезной моделиDisclosure of a utility model

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в создании простого в использовании, удобного, безопасного и точного устройства, позволяющего производить измерения энергии импульсного светового излучения.The problem to be solved by the claimed technical solution is to create an easy-to-use, convenient, safe and accurate device that makes it possible to measure the energy of pulsed light radiation.

Данная задача решается благодаря наличию в приборе фотодиода для регистрации и преобразования энергии светового импульса в измеряемое напряжение на конденсаторе, и микроконтроллера, служащего для последующей обработки сигнала и выдачи результатов, что позволяет измерять энергию импульсного сигнала излучаемого лазером или другим световым источником и выводить на дисплей результаты в цифровом виде.This problem is solved due to the presence in the device of a photodiode for recording and converting the energy of a light pulse into a measured voltage across a capacitor, and a microcontroller serving for subsequent processing of the signal and issuing results, which makes it possible to measure the energy of a pulse signal emitted by a laser or other light source and display the results in digital form.

Результатом, который обеспечивается приведенной совокупностью признаков, является удобство, простота и быстродействие и точность прибора. Также, что весьма важно, устройство безопасно при использовании в лабораторных работах, связанных с измерением энергии светового излучения в учебных заведениях, где в опытах участвуют как преподаватели, так и школьники (студенты).The result, which is provided by the given set of features, is the convenience, simplicity and speed and accuracy of the device. Also, which is very important, the device is safe when used in laboratory work related to measuring the energy of light radiation in educational institutions, where both teachers and schoolchildren (students) participate in experiments.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

Полезная модель поясняется чертежами. Чертежи представлены в объеме, достаточном для понимания полезной модели специалистами, и ни в какой мере не ограничивают объема полезной модели. На чертежах одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.The utility model is illustrated by drawings. The drawings are presented in a volume sufficient for specialists to understand the utility model and in no way limit the scope of the utility model. In the drawings, like elements are designated with like reference numbers.

На фиг. 1 показана блок схема основных элементов прибора.FIG. 1 shows a block diagram of the main elements of the device.

Осуществление полезной моделиImplementation of the utility model

Прибор для измерения энергии импульсных световых сигналов включает в себя фотодиод 5, преобразующий световой импульсный сигнал в фототок и подключенный к конденсатору 6. Конденсатор электрически соединен с согласующим усилителем 4, передающим сигнал на микроконтроллер 3, который выполняет вычисление энергии импульса и выводит результаты на дисплей 2 для их графического отображения в цифровом виде. Конденсатор 6, согласующий усилитель 4, микроконтроллер 3 и дисплей 2 размещаются внутри корпуса 1, выполненного из диэлектрического материала.The device for measuring the energy of pulsed light signals includes a photodiode 5, which converts a light pulse signal into a photocurrent and connected to a capacitor 6. The capacitor is electrically connected to a matching amplifier 4, which transmits a signal to a microcontroller 3, which calculates the pulse energy and displays the results on display 2 for their graphic display in digital form. Capacitor 6, matching amplifier 4, microcontroller 3 and display 2 are placed inside the housing 1 made of dielectric material.

Устройство работает следующим образом: на фотодиод 5 направляется световой импульсный сигнал, который вызывает фототок, заряд от которого накапливается на конденсаторе 6.The device works as follows: a light pulse signal is sent to the photodiode 5, which causes a photocurrent, the charge from which is accumulated on the capacitor 6.

Ток на выходе фотодиода I(t) можно выразить через чувствительность фотодиода S, А/Вт, которую можно откалибровать или взять из справочной литературы, и мощность светового сигнала P(t), Вт:The current at the output of the photodiode I (t) can be expressed through the sensitivity of the photodiode S, A / W, which can be calibrated or taken from the reference literature, and the power of the light signal P (t), W:

Изменение напряжения ΔU на конденсаторе выражается по формуле:The change in voltage ΔU across the capacitor is expressed by the formula:

где

- изменение заряда на обкладках конденсатора, Кл; С - емкость конденсатора, Ф.Where

- change in the charge on the capacitor plates, C; C is the capacitance of the capacitor, F.

Следовательно, изменение напряжения на конденсаторе 6 ΔU оказывается пропорционально энергии лазерного импульса

Consequently, the change in voltage across capacitor 6 ΔU turns out to be proportional to the laser pulse energy

Таким образом, измерение напряжения па конденсаторе 6, позволяет определять энергию светового импульсного излучения. Согласующий усилитель 4 служит для согласования напряжения на конденсаторе 6 с уровнем опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя, встроенного в микроконтроллер 3 (выполняет операцию умножения уровня сигнала на конденсаторе 6 на некоторый коэффициент). В микроконтроллере 3 производится аналого-цифровое преобразование сигнала и его обработка, расчет величины энергии импульса светового излучения производится в соответствии с формулой (3). Результаты расчетов выводятся на дисплей 2.Thus, measuring the voltage across the capacitor 6 allows you to determine the energy of the light pulse radiation. Matching amplifier 4 serves to match the voltage across the capacitor 6 with the reference voltage level of the analog-to-digital converter built into the microcontroller 3 (performs the operation of multiplying the signal level on the capacitor 6 by a factor). In the microcontroller 3, analog-to-digital conversion of the signal and its processing are carried out, the calculation of the value of the energy of the pulse of light radiation is carried out in accordance with the formula (3). The calculation results are shown on display 2.

Достоинством предлагаемого прибора является: возможность измерения импульсных световых сигналов в широком временном диапазоне, повышение точности определения энергии светового импульсного сигнала в сравнении с существующими аналогами, прибор имеет простую конструкцию и удобен в использовании. Предлагаемое техническое решение может использоваться при проведении лабораторных работ связанных со световым лазерным излучением, для построения кривых зарядки и разрядки конденсатора.The advantage of the proposed device is: the ability to measure pulsed light signals in a wide time range, increase the accuracy of determining the energy of a light pulse signal in comparison with existing analogues, the device has a simple design and is easy to use. The proposed technical solution can be used in laboratory work related to light laser radiation, to plot the curves of charging and discharging a capacitor.

Claims

The instrument for measuring the energy of a light pulse includes a photodiode for converting the pulsed light signal into a photocurrent, which is connected to a capacitor electrically connected to a matching amplifier that transmits the signal to a microcontroller that calculates the pulse energy and outputs the results in digital form to a display; the capacitor, the matching amplifier, the microcontroller, and the display are placed inside a housing made of a dielectric material.