RU2694463C1 - Pulse photodetector - Google Patents

Pulse photodetector Download PDF

Info

Publication number
RU2694463C1
RU2694463C1 RU2018134220A RU2018134220A RU2694463C1 RU 2694463 C1 RU2694463 C1 RU 2694463C1 RU 2018134220 A RU2018134220 A RU 2018134220A RU 2018134220 A RU2018134220 A RU 2018134220A RU 2694463 C1 RU2694463 C1 RU 2694463C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
shutter
photosensitive element
spring
arc
photodetector
Prior art date
Application number
RU2018134220A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Григорьевич Вильнер
Михаил Михайлович Землянов
Евгений Викторович Кузнецов
Алексей Владимирович Мамин
Александр Ефремович Сафутин
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Priority to RU2018134220A priority Critical patent/RU2694463C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2694463C1 publication Critical patent/RU2694463C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
    • G01J1/0418—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings using attenuators
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/02—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light
    • G02B26/023—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light comprising movable attenuating elements, e.g. neutral density filters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L31/02325—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements not being integrated nor being directly associated with the device

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: optics.
SUBSTANCE: invention relates to receiving optical radiation and a pulse photodetector. Device includes a photosensitive element, a signal processing circuit and an optical gate mounted in front of the photosensitive element. Optical gate is made in the form of a shutter with two working positions. Device incorporates a shutter drive including a flat spring with its ends tightened by tensioning so that the spring forms an arc. One end of the spring is free, and the second one is fixed on the housing of the PDC. Chord of the arc is formed by an elongation creating a tightening force. Stretching is a current-conducting thread, to the ends of which an external source of control electric signal is supplied, at supply of which thermal expansion of the tension from its heating by flowing electric current is equal to value Δc, and arc arrow h is selected from condition of provision of specified gear ratio.
EFFECT: technical result consists in ensuring the device operability under active and passive laser counteracting conditions with minimum dimensions and maximum sensitivity for weak input signals.
5 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к технике приема импульсного оптического излучения, преимущественно к приемникам импульсных лазерных дальномеров и других светолокационных устройств.The invention relates to the technique of receiving pulsed optical radiation, mainly to receivers of pulsed laser range finders and other light-emitting devices.

Известны фотоприемные устройства [1] для систем импульсной лазерной локации, предназначенные для преобразования в электрические сигналы отраженных удаленными объектами зондирующих импульсов лазерного излучения и временной привязки электрических импульсов для определения их задержки τ относительно момента излучения лазерного зондирующего импульса. По этой задержке судят о дальности R до отражающего объекта по формуле R=сτ/2, где с - скорость света. Подобным образом построены фотоприемные устройства (ФПУ) [2-3], содержащие фоточувствительный элемент и схему обработки сигнала. Указанные устройства имеют ограниченный динамический диапазон, препятствующий применению таких приемников в измерителях дальности и другой аппаратуре с повышенными требованиями к точности. Существует ряд технических решений, имеющих целью расширение динамического диапазона и повышение точности временной фиксации принятых сигналов [4-5]. Однако эти решения не обеспечивают работоспособность ФПУ, если энергия входного излучения превышает уровень лучевой прочности фоточувствительного элемента.Photodetectors are known [1] for systems of pulsed laser location, designed to convert laser pulses reflected by distant objects into electrical signals and temporal assignment of electrical pulses to determine their delay τ relative to the moment of emission of the laser probing pulse. This delay is used to judge the distance R to a reflecting object using the formula R = сτ / 2, where c is the speed of light. Photodetectors (FPU) [2-3] are constructed in a similar way, containing a photosensitive element and a signal processing circuit. These devices have a limited dynamic range that prevents the use of such receivers in range meters and other equipment with increased accuracy requirements. There are a number of technical solutions aimed at expanding the dynamic range and improving the accuracy of temporal fixation of received signals [4-5]. However, these solutions do not ensure the efficiency of the FPU if the energy of the input radiation exceeds the level of radiation resistance of the photosensitive element.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является фотоприемное устройство, содержащее фоточувствительный элемент, схему обработки сигнала, светоделитель, фотодатчик, устройство задержки и оптический затвор, установленный перед фоточувствительным элементом [6]. В данном приемнике оптический затвор не открывается, если сигнал с фотодатчика превышает пороговое значение, соответствующее уровню входного излучения, превышающего порог лучевой прочности фоточувствительного элемента. В противном случае затвор открывается, и входное излучение поступает на фоточувствительный элемент. Время задержки сигнала в линии задержки должно превышать время реакции затвора на управляющий импульс от фотодатчика. Таким образом, обеспечивается функционирование устройства не только в рабочем динамическом диапазоне отраженных сигналов, но и за его пределами - в условиях активного или пассивного противодействия.The closest in technical essence of the present invention is a photodetector device containing a photosensitive element, a signal processing circuit, a beam splitter, a photosensor, a delay device and an optical shutter mounted in front of the photosensitive element [6]. In this receiver, the optical shutter does not open if the signal from the photo sensor exceeds the threshold value corresponding to the input radiation level exceeding the radiation resistance threshold of the photosensitive element. Otherwise, the shutter opens and the input radiation enters the photosensitive element. The delay time of the signal in the delay line must exceed the response time of the gate to the control pulse from the photo sensor. Thus, the operation of the device is ensured not only in the working dynamic range of the reflected signals, but also beyond its limits - in conditions of active or passive counteraction.

Недостаток приемника [6] - потери излучения в светоделителе, устройстве задержки и оптическом затворе, а также ограничения по быстродействию затвора, вынуждающие увеличивать задержку сигнала в устройстве задержки. Это, в свою очередь, приводит к потерям в приемном тракте, искажению формы принимаемого сигнала, увеличению габаритов устройства, особенно за счет светоделителя, устройства задержки и оптического затвора.The disadvantage of the receiver [6] is the radiation losses in the beam splitter, the delay device and the optical shutter, as well as the shutter speed limitations, which increase the signal delay in the delay device. This, in turn, leads to losses in the receiving path, distortion of the shape of the received signal, an increase in the dimensions of the device, especially due to the beam splitter, the delay device and the optical shutter.

Задачей изобретения является обеспечение работоспособности устройства в условиях активного и пассивного лазерного противодействия при минимальных габаритах и максимальной чувствительности фотоприемного устройства для слабых входных сигналов.The objective of the invention is to ensure the operability of the device in the conditions of active and passive laser counteraction with minimum dimensions and maximum sensitivity of the photodetector device for weak input signals.

Эта задача решается за счет того, что в известном импульсном фотоприемном устройстве, содержащем фоточувствительный элемент, схему обработки сигнала и оптический затвор, установленный перед фоточувствительным элементом, оптический затвор выполнен в виде шторки с двумя положениями, а в состав устройства введен привод шторки, включающий плоскую пружину, концы которой стянуты растяжкой так, что пружина образует дугу, один конец пружины свободен, а второй закреплен на корпусе ФПУ, хорда с дуги образована растяжкой, создающей стягивающее усилие величиной F, растяжка представляет собой токопроводящую нить, к концам которой подведен внешний источник управляющего электрического сигнала, при подаче которого температурное расширение растяжки от ее нагрева протекающим электрическим током составляет величину Δс а стрелка h дуги выбрана из условия обеспечения заданного передаточного отношения

Figure 00000001
, где Δh - относительное сокращение стрелки при увеличении хорды дуги на величину Δс, при этом шторка закреплена на боковой поверхности плоской пружины так, что в исходном положении шторка перекрывает фоточувствительный элемент, а в рабочем положении она выведена из апертурного угла фоточувствительного элемента, причем размер шторки в направлении ее перемещения
Figure 00000002
, где dфчэ - диаметр рабочей площадки фоточувствительного элемента; а - расстояние от шторки до поверхности фоточувствительного элемента; α - угол зрения фоточувствительного элемента; Δ - погрешность фиксации поперечного положения шторки при отсутствии управляющего сигнала на входе привода; поперечная сила упругости
Figure 00000003
, действующая в направлении перемещения шторки, удовлетворяет условию
Figure 00000004
, где mэ - эквивалентная масса шторки с учетом массы оправы и пружины, ts - заданное время выведения шторки в рабочее положение, а продольная сила F связана с поперечной силой
Figure 00000005
соотношением
Figure 00000006
.This problem is solved due to the fact that in a known pulsed photodetector device containing a photosensitive element, a signal processing circuit and an optical shutter installed in front of the photosensitive element, the optical shutter is made in the form of a curtain with two positions, and a curtain actuator that includes a flat a spring, the ends of which are tightened by a stretch so that the spring forms an arc, one end of the spring is free and the second is fixed on the body of the FPU, the chord from the arc is formed by a stretch that creates a tightening bar Leah value F, stretching is a conductive thread, the ends of which are connected to an external source of electric control signal, which feed thermal expansion by stretching its heating flowing electric current amounts Δs and the arrow h arc selected to provide a predetermined gear ratio
Figure 00000001
where Δh is the relative reduction of the arrow while increasing the arc chord by the amount Δс, while the shutter is fixed on the lateral surface of the flat spring so that in the initial position the shutter overlaps the photosensitive element, and in the working position it is derived from the aperture angle of the photosensitive element, and the size of the shutter in the direction of its movement
Figure 00000002
where d fche - diameter of the working area of the photosensitive element; a is the distance from the shutter to the surface of the photosensitive element; α is the angle of view of the photosensitive element; Δ is the error of fixing the lateral position of the shutter in the absence of a control signal at the drive input; shear force of elasticity
Figure 00000003
acting in the direction of movement of the shutter satisfies the condition
Figure 00000004
, where m e is the equivalent mass of the shutter taking into account the mass of the rim and the spring, t s is the specified time for opening the shutter to the working position, and the longitudinal force F is related to the transverse force
Figure 00000005
by ratio
Figure 00000006
.

Между свободным концом плоской пружины и корпусом может быть введена пружина растяжения, действующая в направлении, противоположном силе F, создаваемой растяжкой.Between the free end of the flat spring and the casing, a tension spring acting in the direction opposite to the force F created by the brace can be introduced.

Может быть введена вторая плоская пружина, расположенная с первой симметрично относительно растяжки, причем концы пружин связаны между собой.A second flat spring may be introduced, which is located symmetrically with the first one relative to the extension, with the ends of the springs being connected to each other.

Между свободным концом плоской пружины и корпусом может быть введено качающееся коромысло, расположенное по отношению к растяжке под углом 40-50°.A swinging arm may be inserted between the free end of the flat spring and the body, located in relation to the brace at an angle of 40-50 °.

Шторка может быть выполнена полупрозрачной с коэффициентом пропускания τ, отвечающим условию

Figure 00000007
где Eфпу - энергетическая чувствительность фотоприемного устройства; Emin - минимальная энергия высокоэнергетического сигнала поступающего на фоточувствительный элемент фотоприемного устройства; Emax - максимальная энергия высокоэнергетического сигнала; Епду - предельно допустимый уровень энергии сигнала, поступающего на фоточувствительный элемент фотоприемного устройства.The shutter can be made translucent with a transmittance τ that meets the condition
Figure 00000007
where E fpu is the energy sensitivity of the photodetector; E min - the minimum energy of the high-energy signal supplied to the photosensitive element of the photodetector; E max - the maximum energy of the high-energy signal; E remote control - the maximum permissible energy level of the signal supplied to the photosensitive element of the photodetector device.

На фиг. 1 представлена функциональная схема фотоприемного устройства. На фиг. 2 показаны варианты модели для расчета параметров привода шторки. На фиг. 3 приведены графики для двух расчетных моделей привода шторки. Фиг. 4 иллюстрирует возможные варианты конструктивного исполнения изобретения.FIG. 1 shows a functional diagram of the photodetector. FIG. Figure 2 shows the model variants for calculating the drive parameters of the shutter. FIG. 3 shows the graphs for the two calculated models of the drive curtain. FIG. 4 illustrates possible embodiments of the invention.

Импульсное фотоприемное устройство (фиг. 1) состоит из фоточувствительного элемента 1 (например, фотодиода) и схемы обработки сигнала 2, включающей предусилитель 3, усилитель 4 и формирователь выходного сигнала 5, выход которого является выходом устройства. Перед фоточувствительным элементом расположена шторка 6 с приводом 7, 8, управляемым с выхода формирователя импульса тока 9, включенного на выходе логического модуля 10, один из входов которого связан с выходом фотоприемного устройства, а второй является его управляющим входом. ФПУ размещено в герметичном корпусе 11, через оптическое окно которого принимаемое излучение поступает на фоточувствительный элемент 1. Привод шторки состоит из плоской пружины 7 и растяжки 8 в виде токопроводящей нити, на которую подается управляющий сигнал с формирователя 9. Одним из своих концов плоская пружина 7 и растяжка прикреплены к корпусу 11. Второй конец плоской пружины жестко, но без электрического контакта связан со вторым концом растяжки, подключенный к выходу формирователя импульса тока 9. Между этим концом пружины и корпусом может быть введена пружина растяжения 12 (фиг. 4а). Может быть введена вторая плоская пружина 13, соединенная с первой симметрично растяжке и упирающаяся вершиной своей дуги в корпус (фиг. 4б). Между вторым концом пружины и корпусом может быть ведено коромысло 14 под углом 40-50° к растяжке (фиг. 14в). Ход шторки между ее двумя фиксированными положениями (фиг. 1, 4) определяется из условия полностью закрытого и полностью открытого фоточувствительного элемента в исходном и рабочем положениях шторки.A pulsed photodetector (Fig. 1) consists of a photosensitive element 1 (for example, a photodiode) and a signal processing circuit 2, which includes a preamplifier 3, an amplifier 4, and an output signal shaper 5, the output of which is the output of the device. In front of the photosensitive element is a shutter 6 with a drive 7, 8 controlled from the output of a current pulse shaper 9 connected at the output of the logic module 10, one of the inputs of which is connected to the output of the photoreceiver and the second is its control input. The FPU is placed in a sealed enclosure 11, through the optical window of which the received radiation enters the photosensitive element 1. The shutter drive consists of a flat spring 7 and an extension 8 in the form of a conductive thread, to which a control signal is sent from the driver 9. One of its ends is a flat spring 7 and the extension is attached to the housing 11. The second end of the flat spring is rigidly, but without electrical contact, connected to the second end of the extension, connected to the output of the current pulse shaper 9. Between this end of the spring and the housing m Jet be introduced a tension spring 12 (FIG. 4a). A second flat spring 13 can be introduced, connected to the first symmetrically stretch and resting against the top of its arc into the body (Fig. 4b). Between the second end of the spring and the body, the beam 14 can be led at an angle of 40-50 ° to the stretch (Fig. 14c). The stroke of the shutter between its two fixed positions (Fig. 1, 4) is determined from the condition of a fully closed and fully open photosensitive element in the initial and working positions of the shutter.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

В исходном состоянии шторка 6 находится перед рабочей площадкой фоточувствительного элемента 1, ослабляя поступающие на нее сигналы в 1/τ раз. При подаче на растяжку управляющего сигнала под действием тока, протекающего от формирователя 9 растяжка нагревается, и ее исходная длина с увеличивается (фиг. 2 а) на величину Δс=с2-c1=αсΔТ, где α - коэффициент температурного расширения, ΔT -приращение температуры. В результате под действием силы

Figure 00000008
, создаваемой плоской пружиной, шторка перемещается на расстояние Δh=h1-h2, открывая рабочую площадку фоточувствительного элемента. При отключении управляющего сигнала длина растяжки принимает первоначальное значение с, и шторка возвращается в исходное положение, закрывая рабочую площадку фоточувствительного элемента. Если шторка выполнена полупрозрачной, в ее исходном положении фотоприемное устройство может принимать высокоэнергетические сигналы, превышающие уровень номинальной чувствительности ФПУ в 1/τ раз и более без ущерба для фоточувствительного элемента.In the initial state, the shutter 6 is located in front of the working platform of the photosensitive element 1, weakening the signals arriving at it by 1 / τ times. When applying a control signal to the stretch under the action of a current flowing from the shaper 9, the stretch heats up and its initial length increases with (Fig. 2 a) by Δс = с 2 -c 1 = αсΔT, where α is the coefficient of thermal expansion, ΔT is temperature increment. As a result, by force
Figure 00000008
created by a flat spring, the shutter moves a distance Δh = h 1 -h 2 , opening the working platform of the photosensitive element. When the control signal is turned off, the stretch length takes the initial value with, and the shutter returns to its original position, closing the working platform of the photosensitive element. If the shutter is made translucent, in its initial position the photodetector can receive high-energy signals exceeding the level of the FPU nominal sensitivity by 1 / τ times or more without damage to the photosensitive element.

Для перекрытия шторкой рабочей площадки фоточувствительного элемента должно выполняться условие

Figure 00000009
где dшт - рабочий диаметр полупрозрачного участка шторки;dфчэ - диаметр рабочей площадки фоточувствительного элемента; α -расстояние от шторки до поверхности фоточувствительного элемента; а - угол зрения фоточувствительного элемента; Δ - погрешность фиксации поперечного положения шторки при отсутствии управляющего сигнала на входе привода. В величину Δ входят как погрешности юстировки, так и температурный уход в диапазоне окружающих температур.To cover the working platform of the photosensitive element with a shutter, the following condition must be met
Figure 00000009
where d pcs is the working diameter of the translucent section of the curtain; d fcce is the diameter of the working area of the photosensitive element; α is the distance from the shutter to the surface of the photosensitive element; a is the angle of view of the photosensitive element; Δ is the error of fixing the lateral position of the shutter in the absence of a control signal at the input of the drive. The value of Δ includes both the alignment errors and the temperature drift in the ambient temperature range.

Коэффициент ослабления шторки τ определяется ожидаемым уровнем высокоэнергетической лазерной засветки от внешнего источника. Шторка может быть выполнена в виде прозрачной плоскопараллельной пластины с полупрозрачным покрытием, нанесенным, например, путем металлизации. Толщина этого покрытия определяет величину τ при сохранении габаритно-присоединительных параметров.The shutter attenuation coefficient τ is determined by the expected level of high-energy laser illumination from an external source. The shutter can be made in the form of a transparent plane-parallel plate with a translucent coating applied, for example, by metallization. The thickness of this coating determines the value of τ while maintaining the overall-connecting parameters.

Плоская пружина, стянутая растяжкой, представляет собой упругую балку с продольной нагрузкой, такая балка синусоиды [7, 8]. С достаточной точностью можно представить ее в виде параболы (фиг. 2а) или ломаной прямой (фиг. 2б). Длина дуги параболы 1 связана с хордой с и стрелкой h (фиг. 2а) соотношением [9]A flat spring, pulled by a stretch, is an elastic beam with a longitudinal load, such a sinusoid beam [7, 8]. With sufficient accuracy, it can be presented in the form of a parabola (Fig. 2a) or a broken line (Fig. 2b). The length of the arc of a parabola 1 is related to the chord with and arrow h (Fig. 2a) by the relation [9]

Figure 00000010
Figure 00000010

При фиксированной длине 1 можно вычислить зависимость h(c) и коэффициент передачи привода шторки ξ=Δh/Δc при заданных с и h.For a fixed length of 1, the dependence h (c) and the transfer coefficient of the shutter drive ξ = Δh / Δc can be calculated for given c and h.

Для кусочно-линейного приближения аналогичные зависимости могут быть получены в простом видеFor the piecewise linear approximation, similar dependencies can be obtained in a simple form

Figure 00000011
Figure 00000011

где λ - поправочный коэффициент.where λ is the correction factor.

Пример 1.Example 1

l=20 мм; λ=0,6.l = 20 mm; λ = 0.6.

Результаты вычислений ξ(h) для двух указанных приближений приведены на фиг. 3.The results of the calculations of ξ (h) for the two indicated approximations are shown in FIG. 3

Из построения фиг. 2б) видно, что в указанных обозначенияхFrom the construction of FIG. 2b) it can be seen that in the above notation

Figure 00000012
, где
Figure 00000013
. Отсюда
Figure 00000012
where
Figure 00000013
. From here

Figure 00000014
Figure 00000014

При малых углах αAt small angles α

Figure 00000015
Figure 00000015

Сила

Figure 00000005
определяется требованиями по быстродействию привода, то есть, из условияStrength
Figure 00000005
determined by the speed requirements of the drive, that is, from the condition

Figure 00000016
Figure 00000016

где mэ - эквивалентная масса шторки с оправой;where m e - the equivalent mass of the curtain with the frame;

Δh - требуемый ход шторки из исходного положения в рабочее;Δh - the required stroke of the curtain from the starting position to the working position;

ts - время приведения шторки в рабочее положение.t s - time to bring the shutter into position.

Пример 2.Example 2

mэ=2⋅10-4 кг; Δh=300 мкм = 3⋅10-4 м; ξ=2; ts=5⋅10-4 с; c=20 мм. Тогда из формулы (6)

Figure 00000017
а из формулы (3) h=1,5 мм. Согласно (5), F=1,6 Н.m e = 2⋅10 -4 kg; Δh = 300 μm = 3⋅10 -4 m; ξ = 2; t s = 5⋅10 -4 s; c = 20 mm. Then from formula (6)
Figure 00000017
and from formula (3) h = 1.5 mm. According to (5), F = 1.6 N.

К растяжке предъявляются требования высокой механической прочности, высокой температурной устойчивости и большого коэффициента линейного расширения. Этим требованиям удовлетворяет ряд материалов, например, нихром.The requirements of high mechanical strength, high temperature stability and a large linear expansion coefficient are imposed on the stretch. These requirements are satisfied by a number of materials, for example, nichrome.

Пример 3. Нихром Х20Н80 ГОСТ 8803-89 сплав твердый.Example 3. Nichrome X20H80 GOST 8803-89 solid alloy.

Предел прочности αпред = 0,77 ГПа. Принимаем максимальную удельную нагрузку σmax = 0,25 ГПа.The tensile strength α before = 0.77 GPA. Take the maximum specific load σ max = 0,25 GPA.

Проволока диаметр 0,1 мм, длина 20 мм. Площадь сечения Sнихр = 0,00785 мм2 = 7,85⋅10-9 м2. Предел прочности Рпред = σпред ⋅ Sнихр=6 Н.Wire diameter 0.1 mm, length 20 mm. The cross-sectional area S nichr = 0.00785 mm 2 = 7.85⋅10 -9 m 2 . The limit of strength P before = σ before ⋅ S nichr = 6 N.

Рабочая нагрузка Р = σmax ⋅ Sнихр = 0,25⋅7,85=2 Н.Workload P = σ max ⋅ S nhir = 0.25⋅7.85 = 2 N.

Рпред>Р>F.P prev >P> F.

Рабочая температура растяжки должна существенно превышать эксплуатационный температурный диапазон, чтобы температурные условия внешней среды не оказывали заметного влияния на положение шторки. С другой стороны, температура растяжки не должна быть слишком высокой, чтобы не подвергать растяжку пластическим деформациям при рабочей нагрузке.The working temperature of the stretch must significantly exceed the operating temperature range so that the ambient temperature conditions do not have a noticeable effect on the position of the shutter. On the other hand, the stretching temperature should not be too high so as not to subject the stretching to plastic deformations under working load.

Пример 4. Растяжка - нихромовая проволока длиной с=20 мм. α=18⋅10-6 1/град. Эксплуатационный температурный диапазон Тэксп = 0 ± ΔТэксп - ΔТэксп = 40°С.Example 4. Stretching - nichrome wire with length = 20 mm. α = 18⋅10 -6 1 / deg. Operating temperature range T exp = 0 ± ΔT exp - ΔT exp = 40 ° C.

Δс=Δh/ξ=0,3/2=0,15 мм (см. Пример 2).Δc = Δh / ξ = 0.3 / 2 = 0.15 mm (see Example 2).

Температурное приращение растяжкиTemperature increment stretching

ΔТ=Δс/αс = 0,15/(18⋅10-6⋅20) ~ 420° >> ΔТэксп.ΔТ = Δс / αс = 0.15 / (18⋅10 -6 ⋅20) ~ 420 ° >> ΔT exp .

Температура плавления сплава Х20Н80 - Тпл = 1200°С >> ΔT.The melting point of the alloy X20H80 - T pl = 1200 ° C >> ΔT.

Энергия, необходимая для повышения температуры растяжки, ЕΔT = βmΔТ, где β -теплоемкость материала растяжки; m - масса прогреваемого объема.The energy required to increase the temperature of the stretch, E ΔT = βmΔT, where β is the heat capacity of the stretch material; m is the mass of the heated volume.

Пример 5. Габариты токопроводящей нити 0,01×0,01×2 см. Объем VT = 2⋅10-4 см3. Плотность сплава Х20Н80 ρT = 7,94 г/см3; m=ρT VT = 1,6⋅10-6 кг; теплоемкость нихрома β=0,57 Дж/кгК.Example 5. The dimensions of the conductive filament are 0.01 × 0.01 × 2 cm. Volume V T = 2⋅10 -4 cm 3 . The density of the alloy X20H80 ρ T = 7.94 g / cm 3 ; m = ρ T V T = 1,6⋅10 -6 kg; heat capacity of nichrome β = 0.57 J / kgK.

ET = βmΔТ = 0,57⋅1,6⋅10-6⋅420 = 0,00038 Дж = 0,38 мДж.E T = βmΔТ = 0.57⋅1.6⋅10 -6⋅ 420 = 0.00038 J = 0.38 mJ.

Пример конструктивного исполнения.An example of a design.

Упругий элемент - стандартная пружина растяжения 2×10.The spring is a standard 2 × 10 tension spring.

Dt - Диаметр проволоки: 0,20 мм.D t - Wire diameter: 0.20 mm.

Dy - Наружный диаметр: 2,00 мм.D y - Outer diameter: 2.00 mm.

Lo - Свободная длина: 10,00 мм.L o - Free length: 10.00 mm.

nv - Количество рабочих витков: 30,00n v - Number of working turns: 30.00

Ln - Допустимая (максимально) длина расширения для динамической нагрузки: 19.00Ln - Allowable (maximum) extension length for dynamic load: 19.00

с - Жесткость: 0.09 Н/мм.with - Stiffness: 0.09 N / mm.

При исходной длине L=15 мм сила натяжения F=c(L2-L1)=0,09(15-10)=0,45Н.With the initial length L = 15 mm, the tension force F = c (L 2 -L 1 ) = 0.09 (15-10) = 0.45H.

Масса пружины Мп = 0,005 г.Spring weight М п = 0,005 g.

Масса шторки ~ 0,1 г; С оправой ~0,2 г = 2⋅10-4 кг.Curtain weight ~ 0.1 g; With a frame of ~ 0.2 g = 2⋅10 -4 kg.

Ускорение а=F/m=0.45/2⋅10-4 ~ 2000 м/с2.Acceleration a = F / m = 0.45 / 2⋅10 -4 ~ 2000 m / s 2 .

Смещение ΔL=0,3 мм=3⋅10-7 м.Offset ΔL = 0.3 mm = 3⋅10 -7 m.

При исходной длине L1=15 мм сила натяжения F=c(L1-L0)=0,09(15-10)=0,45Н.With the initial length L 1 = 15 mm, the tension force F = c (L 1 -L 0 ) = 0.09 (15-10) = 0.45H.

Масса пружины Мп=0,005 г.Spring weight М п = 0,005 g.

Масса шторки ~ 0,1 г; с оправой m ~ 0,2 г = 2⋅10-4 кг.Curtain weight ~ 0.1 g; with frame m ~ 0.2 g = 2⋅10 -4 kg.

Ускорение а=F/m=0.45/2⋅10-4 ~ 2000 м/с2.Acceleration a = F / m = 0.45 / 2⋅10 -4 ~ 2000 m / s 2 .

Смещение S=0,3 мм = 3⋅10-4 м.Offset S = 0.3 mm = 3⋅10 -4 m.

Время выведения шторки

Figure 00000018
с=500 мкс.Curtain opening time
Figure 00000018
c = 500 µs.

Нить - нихромовая проволока длиной 30 мм. α=18⋅10-6 1/град (нить из нихрома);Thread - nichrome wire 30 mm long. α = 18⋅10 -6 1 / degree (thread of nichrome);

L=30 мм; ΔL=0,3 мм.L = 30 mm; ΔL = 0.3 mm.

ΔT=ΔL/αL = 0,3/(18⋅10-6⋅30) = 10000/18 ~~ 555°.ΔT = ΔL / αL = 0.3 / (18⋅10 -6⋅ 30) = 10000/18 ~~ 555 °.

Пусть габариты токопроводящей нити 0,01×0,01×3 см. Объем VT = 3⋅10-4 см3.Let the dimensions of the conductive filament be 0.01 × 0.01 × 3 cm. Volume V T = 3⋅10 -4 cm 3 .

У нихрома ρT = 7,94 г/см3; масса 0,0024 г=2,4⋅10-6 кг; теплоемкость β=0,57 Дж/кгК.In nichrome ρ T = 7.94 g / cm 3 ; weight 0.0024 g = 2.4⋅10 -6 kg; heat capacity β = 0.57 J / kgK.

ET = βmΔТ=0,57⋅2,4⋅10-6⋅555=0,00076 Дж = 0,76 мДж.E T = βmΔТ = 0.57⋅2.4⋅10 -6⋅ 555 = 0.00076 J = 0.76 mJ.

Характеристики источника питания.Characteristics of the power source.

Потребляемая токопроводящей нитью мощностьConsumed power

PT=ET/t.P T = E T / t.

Для рассматриваемого примераFor the example in question

PT=Ет/t=0,76 мДж/0,5 мс = 1,5 Вт.P T = E t / t = 0.76 mJ / 0.5 ms = 1.5 W.

Сопротивление нити RT = ρRLT/ST ~ 10-6⋅3⋅10-2/(0,1-0,1)⋅10-6=3 Ом,Thread resistance R T = ρ R L T / S T ~ 10 -6⋅ 3⋅10 -2 / (0.1-0.1) 10 -6 = 3 Ω,

где ρR ~ 1 мкОм⋅м - удельное сопротивление нихрома, L=0,03 м - длина токопроводящей нити; ST - поперечное сечение нити.where ρ R ~ 1 µO⋅m is the specific resistance of nichrome, L = 0.03 m is the length of the conductive filament; S T is the cross section of the thread.

Мощность, выделяемая в проводнике сопротивлением RT The power released in the conductor resistance R T

PT = It2⋅RT, откуда потребляемый токP T = It 2 ⋅R T , from where the consumed current

IT = (PT/RT)0,5 = (1,5/3)0,5 = 0,71 А.I T = (P T / R T ) 0.5 = (1.5 / 3) 0.5 = 0.71 A.

Напряжение источникаSource voltage

UT = PT/IT = 1,5/0,71 ~ 2,1 В.U T = P T / I T = 1.5 / 0.71 ~ 2.1 V.

Описанное техническое решение обеспечивает безопасное применение фотоприемного устройства в составе любой аппаратуры и в любых условиях эксплуатации. При этом габариты и масса шторки с приводом, а также объем логического модуля позволяют встраивать эти узлы в существующие миниатюрные приемники без изменения их типоразмеров. Размещение элементов защиты приемника в составе его герметизированного корпуса обеспечивает их надежность, долговечность и максимальный ресурс работы.The described technical solution ensures the safe use of a photo-receiver device as part of any equipment and in any operating conditions. At the same time, the dimensions and mass of the curtain with a drive, as well as the volume of the logic module, allow these nodes to be embedded into existing miniature receivers without changing their sizes. The placement of the protection elements of the receiver as part of its sealed enclosure ensures their reliability, durability and maximum service life.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает работоспособность устройства в условиях активного и пассивного лазерного противодействия при минимальных габаритах и максимальной чувствительности приемника импульсных оптических сигналов при малом уровне сигналов.Thus, the proposed technical solution ensures the operability of the device in the conditions of active and passive laser counteraction with minimum dimensions and maximum sensitivity of the receiver of pulsed optical signals with a low signal level.

Источники информацииInformation sources

1. В.А. Волохатюк и др. "Вопросы оптической локации". - М.: Советское радио, М., 1971. - с. 213.1. V.A. Volokhatyuk and others. "Questions of optical location." - M .: Soviet Radio, Moscow, 1971. - p. 213.

2. В.Г. Вильнер и др. Анализ входной цепи фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом и противошумовой коррекцией. «Оптико-механическая промышленность». №9,1981 г. - с. 593.2. V.G. Vilner et al. Analysis of the input circuit of a photodetector with an avalanche photodiode and noise-reduction correction. "Optical-mechanical industry". №9.1981 g. - with. 593.

3. В.А. Афанасьев и др. Порог чувствительности приемника импульсного оптического излучения с большим входным импедансом. Электронная техника. Серия 11. «Лазерная техника и оптоэлектроника». 1988, в. 3. - с. 78-83.3. V.A. Afanasyev et al. Sensitivity threshold of a pulsed optical radiation receiver with high input impedance. Electronic equipment. Series 11. "Laser technology and optoelectronics." 1988, c. 3. - s. 78-83.

4. В.Г. Вильнер и др. Приемник импульсных оптических сигналов. Патент РФ №2506547.4. V.G. Vilner et al. Receiver of pulsed optical signals. The patent of the Russian Federation №2506547.

5. П.М. Боровков и др. Особенности схемотехники импульсных пороговых ФПУ с малым временем восстановления чувствительности после воздействия импульса перегрузки. «Прикладная физика», №1, 2015 г. - с. 61-65.5. P.M. Borovkov et al. Peculiarities of circuit design of pulsed threshold FPU with a short sensitivity recovery time after exposure to an overload pulse. Applied Physics, No. 1, 2015 - p. 61-65.

6. Radiation receiver with active optical protection system. US patent No 6,548,807 - прототип.6. Radiation receiver with active optical protection system. US patent No 6,548,807 - prototype.

7. A.M. Лукьянов, M.A. Лукьянов, А.И. Марасанов. Расчет стержней на устойчивость и продольно-поперечный изгиб. Методические указания. - М.: МИИТ, 2012.-48 с.7. A.M. Lukyanov, M.A. Lukyanov, A.I. Marasanov. Calculation of rods for stability and longitudinal-transverse bending. Methodical instructions. - M .: MIIT, 2012.-48 p.

8. Савченко А.В., Иоскевич А.В., Хазиева Л.Ф., Нестеров А.А., Иоскевич В.В. Продольно-поперечный изгиб балки. Решение в различных программных комплексах/Строительство уникальных зданий и сооружений, 2015, №11 (38), - С. 89-1048. Savchenko A.V., Ioskevich A.V., Khaziyeva L.F., Nesterov A.A., Ioskevich V.V. Longitudinal-transverse bending of the beam. Solution in various software complexes / Construction of unique buildings and structures, 2015, №11 (38), - P. 89-104

9. В.И.Смирнов Курс высшей математики, Т. 1.: Изд-во "Наука". 1974. - 479 с.9. V.I. Smirnov. The course of higher mathematics, T. 1 .: Publishing house "Science". 1974. 479 p.

Claims (5)

1. Импульсное фотоприемное устройство, содержащее фоточувствительный элемент, схему обработки сигнала и оптический затвор, установленный перед фоточувствительным элементом, отличающееся тем, что оптический затвор выполнен в виде шторки с двумя положениями, а в состав устройства введен привод шторки, включающий плоскую пружину, концы которой стянуты растяжкой так, что пружина образует дугу, один конец пружины свободен, а второй закреплен на корпусе ФПУ, хорда с дуги образована растяжкой, создающей стягивающее усилие величиной F, растяжка представляет собой токопроводящую нить, к концам которой подведен внешний источник управляющего электрического сигнала, при подаче которого температурное расширение растяжки от ее нагрева протекающим электрическим током составляет величину Δс, а стрелка h дуги выбрана из условия обеспечения заданного передаточного отношения
Figure 00000019
где Δh - относительное сокращение стрелки при увеличении хорды дуги на величину Δс, при этом шторка закреплена на боковой поверхности плоской пружины так, что в исходном положении шторка перекрывает фоточувствительный элемент, а в рабочем положении она выведена из апертурного угла фоточувствительного элемента, причем размер шторки в направлении ее перемещения
Figure 00000020
где dфчэ - диаметр рабочей площадки фоточувствительного элемента; а - расстояние от шторки до поверхности фоточувствительного элемента; α - угол зрения фоточувствительного элемента; Δ - погрешность фиксации поперечного положения шторки при отсутствии управляющего сигнала на входе привода; поперечная сила упругости
Figure 00000021
, действующая в направлении перемещения шторки, удовлетворяет условию
Figure 00000022
где mэ - эквивалентная масса шторки с учетом массы оправы и пружины, ts - заданное время выведения шторки в рабочее положение, а продольная сила F связана с поперечной силой
Figure 00000023
соотношением
Figure 00000024
1. A pulsed photodetector containing a photosensitive element, a signal processing circuit and an optical shutter mounted in front of the photosensitive element, characterized in that the optical shutter is designed as a curtain with two positions, and a curtain actuator is included in the device, including a flat spring, the ends of which stretched by a stretch so that the spring forms an arc, one end of the spring is free, and the other is fixed on the frame of the FPU, the chord from the arc is formed by a stretch that creates a tension force of F, stretch is a conductive thread, to the ends of which an external source of the control electrical signal is supplied, when it is supplied the thermal expansion of the stretching from its heating by the flowing electric current is Δс, and the arrow h of the arc is chosen from the condition of providing the specified gear ratio
Figure 00000019
where Δh is the relative reduction of the arrow while increasing the arc chord by the amount Δс, while the shutter is fixed on the lateral surface of the flat spring so that in the initial position the shutter overlaps the photosensitive element, and in the working position it is derived from the aperture angle of the photosensitive element, and the size of the shutter is the direction of its movement
Figure 00000020
where d fche is the diameter of the working area of the photosensitive element; a is the distance from the shutter to the surface of the photosensitive element; α is the angle of view of the photosensitive element; Δ is the error of fixing the lateral position of the shutter in the absence of a control signal at the drive input; shear force of elasticity
Figure 00000021
acting in the direction of movement of the shutter satisfies the condition
Figure 00000022
where m e is the equivalent mass of the shutter taking into account the mass of the rim and the spring, t s is the specified time for opening the shutter to the working position, and the longitudinal force F is related to the transverse force
Figure 00000023
by ratio
Figure 00000024
 2. Импульсное фотоприемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что между свободным концом плоской пружины и корпусом введена пружина растяжения, действующая в направлении, противоположном силе F, создаваемой растяжкой.2. The pulsed photodetector according to claim 1, characterized in that a tension spring is inserted between the free end of the flat spring and the body, acting in the direction opposite to the force F generated by the brace. 3. Импульсное фотоприемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что введена вторая плоская пружина, расположенная с первой симметрично относительно растяжки, причем концы пружин связаны между собой.3. The pulsed photodetector according to claim 1, characterized in that a second flat spring is inserted, which is located symmetrically with the first relative to the stretch, with the ends of the springs being connected together. 4. Импульсное фотоприемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что между свободным концом плоской пружины и корпусом введено качающееся коромысло, расположенное по отношению к растяжке под углом 40-50°.4. The pulsed photodetector according to claim 1, characterized in that a swinging beam is inserted between the free end of the flat spring and the body, which is positioned relative to the stretch at an angle of 40-50 °. 5. Импульсное фотоприемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что шторка выполнена полупрозрачной с коэффициентом пропускания τ, отвечающим условию
Figure 00000025
Figure 00000026
где Eфпу - энергетическая чувствительность фотоприемного устройства; Emin - минимальная энергия высокоэнергетического сигнала, поступающего на фоточувствительный элемент фотоприемного устройства; Еmах - максимальная энергия высокоэнергетического сигнала; Епду - предельно допустимый уровень энергии сигнала, поступающего на фоточувствительный элемент фотоприемного устройства.5. The pulsed photodetector according to claim 1, characterized in that the shutter is made translucent with a transmittance τ that meets the condition
Figure 00000025
Figure 00000026
where E fpu is the energy sensitivity of the photodetector; E min - the minimum energy of the high-energy signal applied to the photosensitive element of the photodetector; E max - the maximum energy of the high-energy signal; E remote control - the maximum permissible energy level of the signal supplied to the photosensitive element of the photodetector device.
RU2018134220A 2018-09-28 2018-09-28 Pulse photodetector RU2694463C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018134220A RU2694463C1 (en) 2018-09-28 2018-09-28 Pulse photodetector

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018134220A RU2694463C1 (en) 2018-09-28 2018-09-28 Pulse photodetector

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2694463C1 true RU2694463C1 (en) 2019-07-15

Family

ID=67309080

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018134220A RU2694463C1 (en) 2018-09-28 2018-09-28 Pulse photodetector

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2694463C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2791186C1 (en) * 2022-06-15 2023-03-03 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Laser pulse rangefinder

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3444794A (en) * 1966-04-01 1969-05-20 Agfa Gevaert Ag Impeller shutter for photographic camera
RU2135954C1 (en) * 1998-07-02 1999-08-27 ГП Научно-исследовательский институт "Полюс" Laser range finder
US6548807B2 (en) * 2000-12-21 2003-04-15 Zeiss Optronik Gmbh Radiation receiver with active optical protection system
WO2006091791A2 (en) * 2005-02-23 2006-08-31 Pixtronix, Inc. Methods and apparatus for actuating displays

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3444794A (en) * 1966-04-01 1969-05-20 Agfa Gevaert Ag Impeller shutter for photographic camera
RU2135954C1 (en) * 1998-07-02 1999-08-27 ГП Научно-исследовательский институт "Полюс" Laser range finder
US6548807B2 (en) * 2000-12-21 2003-04-15 Zeiss Optronik Gmbh Radiation receiver with active optical protection system
WO2006091791A2 (en) * 2005-02-23 2006-08-31 Pixtronix, Inc. Methods and apparatus for actuating displays

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2791186C1 (en) * 2022-06-15 2023-03-03 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Laser pulse rangefinder

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2632214T3 (en) Load sensor arrangement for wind turbine blades
US4362057A (en) Optical fiber temperature sensor
US4306805A (en) Refractometric device
JP2005530533A5 (en)
US6548807B2 (en) Radiation receiver with active optical protection system
CN107003392A (en) Distance measuring equipment and the method for determining distance
RU2694463C1 (en) Pulse photodetector
RU2686386C1 (en) Optical receiver
RU2690718C1 (en) Optical radiation receiver
RU2686406C1 (en) Laser radiation receiver
RU2692830C1 (en) Laser pulse receiver
CN103090908A (en) Converting station tubular busbar on-line monitoring system
RU2688906C1 (en) Optical pulse receiver
RU2688904C1 (en) Optical signal receiver
RU2688907C1 (en) Photodetector
Niclass et al. Development of automotive LIDAR
RU2688947C1 (en) Photodetector with gate
JP2004521500A5 (en)
GB2267963A (en) Obscuration sensor
US6369386B1 (en) IR sensor with reflective calibration
JP2004345545A (en) Collision object identifying device
JP2007114067A (en) Radiation detection system and radiation detection method
Kajanto et al. A silicon-based fibre-optic temperature sensor
US6041150A (en) Multipass cavity sensor for measuring a tissue-equivalent radiation dose
JP6915905B2 (en) Hyperthermia device