SU1723455A1 - Способ определени оптических характеристик образца и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Способ определени  оптических характеристик образца и фотометр дл  его осуществлени . Использование: оптико- электронное приборостроение, фотометрические измерени  в медицине, химической, пищевой и других отрасл х промышленности . Сущность изобретени : поток излучени  в каждом спектральном интервале, кроме интервала с минимальным предельным значением фототока, перед измерением в отсутствие образца ослабл ют, уравнива  соответствующее предельное значение фототока с минимальным, а напр жение на выходе предварительного усилител  устанавливают пропорциональным отношению максимального предельного значени  фототока к минимальному. При этом последовательно с каждым светофильтром , за исключением светофильтра с наименьшим значением произведени  интенсивности выдел емого пучка излучени  на спектральную чувствительность фотоприемника , установлен ослабитель с пропусканием, обратно пропорциональным значению этого произведени , резистор в цепи обратной св зи увеличен кратно отношению максимального из значений указанного произведени  к минимальному, схема регистрации включает аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, таймер и схему ввода-вывода, причем дополнительный вход таймера соединен с выходом схемы ввода-вывода, первый дополнительный выход таймера соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразовател , а второй - со входом захвата микропроцессора. 2 с.п.ф-лы, 1 ил. СО С го GJ 4 О1 СП

Description

Изобретение относитс  к оптико-электронному приборостроению и может быть использовано при фотометрических измерени х в медицине, химической, пищевой и других отрасл х промышленности.

Известны спектрофотометр и способ спектрофотометрий. Спектрофотометр содержит источник излучени , световоды, направл ющие свет к исследуемому органу и от него, детектор излучени , регистрирующий по меньшей мере четыре луча с характерными длинами волн, усилитель и систему регистрации с микропроцессором. Дл  них характерны низка  точность и узкий динамический диапазон измерений.

Наиболее близким к изобретению  вл етс  способ определени  оптических характеристик образца, заключающийс  в освещении образца, выделении требуемого спектрального интервала и формировании

фототока с последующим усилением и регистрации напр жени , пропорционального интенсивности прошедшего излучени , устройство содержит последовательно установленные оптический блок, включающий набор светофильтров, фотоприемник, предварительный усилитель и схему регистрации , включающую аналого-цифровой преобразователь (АЦП) микропроцессор, таймер и схему ввода-вывода.

Недостатками этих способа и устройства  вл ютс  узкий динамический диапазон , обусловленный большим разбросом предельных значений фототока в различных спектральных интервалах излучени  и соответственно малым значением отношени  наиболее низкого предела измерени  к пороговой чувствительности схемы регистрации . Их низка  точность обуславливаетс  малым соотношением сигнал-шум дл  минимального предела измерени , а также им- пульсными помехами во врем  аналого-цифрового преобразовани , создаваемыми непрерывной работой микропроцессора .

Например, при использовании в качестве источника света галогенной лампы, а в качестве фотоприемника фотоэлемента Ф- 25 сигнал на его выходе на длине волны излучени  546 нм в 100 раз превышает сигнал на длине волны 300 нм. А поскольку динамический диапазон и точность устройства определ ютс  отношением наиболее низкого предела измерени  к величине порога чувствительности, большой разброс значений сигнала фотоприемника на разных длинах волн излучени  сокращает на величину этого разброса используемый динамический диапазон регистрирующей схемы и снижает точность устройства.

Величина порога чувствительности определ етс  значением напр жени  шума и величиной наводок, обусловленных работой микропроцессора, на выходе калибровочного усилител .

Целью изобретени   вл етс  расширение динамического диапазона и точности измерени .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе определени  оптических характеристик образца, заключающемс  в освеще- нии исследуемого образца потоком излучени , выделении требуемого спектрального интервала излучени , формировании фототока, пропорционального интенсивности прошедшего излучени , преобразовании фототока в напр жение и регистрации напр жени , предварительно в отсутствии образца определ ют спектральный диапазон освещающего потока излучени  с минимальным значением фототока , затем ослабл ют потоки излучени  в остальных спектральных диапазонах до уравнивани  соответствующего значени 

фототока с минимальным, а напр жение на входе схемы регистрации устанавливают максимально допустимым.

Поставленна  цель достигаетс  также тем, что в устройстве дл  определени  оптических характеристик образца, содержащем последовательно установленные оптический блок, включающий устройство формировани  пучка излучени , по ходу лучей которого последовательно установлены

кювета дл  исследуемого образца и блок светофильтров со схемой их установки, фотоприемник , соединенный с входом предварительного усилител  с резистором в цепи обратной св зи и схему регистрации, содержащую программируемый усилитель, АЦП, генератор, а также микропроцессор, запоминающее устройство, таймер, схему ввода- вывода и внешний интерфейс, соединенные посредством шины интерфейса, причем

первый и второй выходы генератора соединены с первыми входами соответственно микропроцессора и таймера, первый выход которого соединен с первым входом АЦП, второй вход которого соединен с выходом

программируемого усилител , выход АЦП соединен с первым входом схемы ввод-вывода , первый выход которой соединен со схемой установки светофильтров, а второй - с первым входом программируемого усилител , второй вход которого соединен с выходом предварительного усилител , последовательно с каждым светофильтром, за исключением одного, спектральный диапазон которого соответствует минимальному

значению фототока, установлен сменный ослабитель, таймер снабжен дополнительными входом и двум  выходами, а схема ввода-вывода - дополнительным выходом, резистор в цепи обратной св зи предварительного усилител  выполнен подстроеч- ным, дополнительный вход таймера соединен с дополнительным выходом схемы ввода-вывода, а первый дополнительный выход таймера соединен с входом

запуска АЦП, а второй - с входом захвата микропроцессора.

На чертеже изображена блок-схема устройства дл  определени  оптических ха- рактеристик образца.

Устройство содержит последовательно установленные оптический блок 1, фотоприемник 2, предварительный усилитель 3 с резистором 4 в цепи обратной св зи, схему 5 регистрации.

Оптический блок 1 включает последовательно установленные набор 6, например, из восьми светофильтров 7 с ослабител ми 8 со схемой 9 установки светофильтров, устройство 10 формировани  пучка и исследуемый образец 11.

Схема 5 регистрации включает АЦП 12, микропроцессор 13, таймер 14, схему 15 ввода-вывода, генератор 16, запоминающее устройство (ЗУ) 17, внешний интерфейс 18, шину интерфейса 19 и программируемый усилитель 20.

Сигнальный вход программируемого усилител  20  вл етс  входом схемы 5 регистрации . Вход управлени  программируемого усилител  20 соединен с вторым выходом схемы 15 ввода-вывода, выход с входом АЦП 12. Выход АЦП 12 соединен с первым входом схемы 15, вход запуска с первым дополнительным выходом таймера 14. Вход тактовых импульсов АЦП 12 соединен с первым выходом таймера 14.

Схема 15 ввода-вывода, микропроцессор 13, таймер 14, ЗУ 17, внешний интерфейс 18 соединены с шиной интерфейса 19.

Дополнительный вход таймера 14 соединен с дополнительным выходом схемы 15 ввода-вывода, второй дополнительный выход-с входом захвата микропроцессора 13. Первый выход генератора 16 соединен с входом микропроцессора 13, а второй - с входом таймера 14. Первый выход схемы 15 ввода-вывода соединен со схемой 9 установки светофильтров.

Пропускание каждого ослабител  8, прикрепленного, например, склейкой, перед светофильтром 7 из набора 6 выбрано таким образом, чтобы значение фототока на выходе фотоприемника 2 при отсутствии исследуемого образца 11 дл  всех светофильтров с ослабител ми было приблизительно равно значению фототока дл  светофильтра с его минимальным значением. Перед этим светофильтром ослабитель не устанавливаетс .

Резистор 4 в цепи обратной св зи предварительного усилител  3 установлен такой величины, что выходное напр жение усилител  при отсутствии исследуемого образца близко к максимально допустимому дл  схемы регистрации.

Устройство 10 формировани  пучка может быть выполнено в виде галогенной лампы накаливани  и объектива с диафрагмами , формирующим параллельный пучок излучени .

Программируемый усилитель 20 может быть выполнен в виде операционного усилител  с ЦАП с регистром, в цепи обратной св зи.

Набор длин волн излучени  устройства определ етс  его областью использовани .

Например, фотометры дл  биохимических исследований предназначены дл  работы в спектральном диапазоне от 300 до 650 нм. Характеристики устройства выделени  спектральных интервалов, например набора интерференционных светофильтров, мало завис т от длины волны излучени  (коэффициент пропускани , полуширина). Поэтому разброс фототока определ етс  спектральными характеристиками источника света и фотоприемника. Максимальное напр жение на выходе калибровочного усилител  соответствует максимальному фототоку . Это напр жение путем установки соответствующего значени  сопротивлени 

в цепи обратной св зи устанавливают равным максимальному входному напр жению схемы регистрации. При большом разбросе фототока предельное напр жение на длине волны излучени  300 нм может быть в 100

раз меньше, чем в диапазоне 500-600 нм. Динамический диапазон фотометра Д равен

AUmln и

Unop

где Umin - минимальное предельное напр - жение дл  данного примера, на длине волны излучени  300 нм;

Unop - порогова  чувствительность фотометра .

Сущность способа состоит в том, что поток излучени  в каждом спектральном интервале ослабл ют, например, установкой ослабител  из нейтрального стекла, до уровн  фототока спектрального интервала с минимальным его значением. Дл  этого в приведенном примере последовательно со светофильтром, выдел ющим излучение с длиной волны, например, 546 нм устанавливают ослабитель с коэффициентом пропуекани  0,01. Таким образом, устанавливают равные предельные значени  фототоков во всем спектральном диапазоне фотометра. Предельное напр жение на выходе калибровочного усилител  устанавливают снова

равным максимальному входному напр жению схемы регистрации, дл  чего резистор обратной св зи увеличивают в

l Umax Umin

где Umax - мксимальное входное напр жение схемы регистрации, равное предельному напр жению спектрального интервала с наибольшим фототоком дл  фотометра без ослаблени  пучка.

При этом динамический диапазон фотометра за счет увеличени  в К раз минимального напр жени  увеличиваетс . При неизменной пороговой чувствительности это увеличение составило бы также К раз. Однако реальный выигрыш в увеличении динамического диапазон меньше ввиду увеличени  чувствительности к импульсным помехам и возрастани  напр жени  шума резистора Roc в цепи обратной св зи, пропорционального Roc.

Импульсные помехи в измерительных цеп х фотометра, содержащего микропроцессор , вызываютс  переключени миуровней сигналов шины интерфейса и посто нными обращени ми микропроцессора к ЗУ и схеме ввода-вывода. По цеп м общих проводов , питани , а также в виде электромагнитных наводок эти помехи проникают на вход предварительного усилител . Дл  блокировани  импульсных помех на врем  аналого-цифрового преобразовани  в предлагаемом фотометре реализована схема блокировани  в виде дополнительного входа и выходов таймера, перевод щего микропроцессор на врем  преобразовани  в состо ние захвата, при котором его выводы переход т в высокоимпеденсное состо ние и не производ тс  переключени  уровней сигналов.

Поскольку напр жение полезного сигнала увеличиваетс  в К раз, а уровень шума в VK раз, соотношение сигнал-шум увеличиваетс  в А/КГраз. Таким образом, динамический диапазон и точность фотометра увеличиваетс  в раз.

Устройство работает следующим образом .

В исходном состо нии в ЗУ 17 записаны программы, соответствующие выполн емым функци м прибора: Установка светофильтра , Измерение сигнала, Обработка результатов измерений. С помощью внешнего интерфейса 18 в ЗУ 17 занесен код устанавливаемого светофильтра .

Работа микропроцессора 13 синхронизируетс  сигналами с первого выхода генератора 16. На вход тактовых импульсов АЦП 12 с выхода таймера 14 поступают им- ч пульсы с второго выхода генератора 16 с частотой, определ емой коэффициентом делени  частоты, записанным в таймер 14 микропроцессором 13 через шину 19 интерфейса . Первый дополнительный выход таймера 14 запрограммирован на выдачу импульса запуска АЦП заданной длительности по поступлению импульса.на дополнительный вход таймера от схемы 15

ввода-вывода. Второй дополнительный выход таймера запрограммирован на выдачу импульса захвата микропроцессора с длительностью не менее длительности цикла

преобразовани  АЦП по поступлению импульса на дополнительный вход таймера.

Устройством 10 формировани  пучка формируетс  световой поток, поступающий на исследуемый образец 11 и далее через

0 один из светофильтров 7 с ослабителем 8 из набора 6 на фотоприемник 2, где преобразуетс  в фототок. Протека  через резистор 4 в цепи обратной св зи предварительного усилител  3, фототок преобразуетс  в на5 пр жение, поступающее на вход схемы регистрации 5 и вход программируемого усилител  20, который через схему 15 ввода- вывода, шину 19 интерфейса запрограммирован микропроцессором 13 на исходный

0 коэффициент усилени , например, единичный . Усиленный сигнал с выхода программируемого усилител  20 поступает на сигнальный вход АЦП 12, где по команде запуска с третьего дополнительного выхода

5 таймера 14 и тактовым сигналам с его первого выхода преобразуетс  в код П, По окон- чании цикла преобразовани  код измерительного сигнала с выхода АЦП 12 через схему 15 ввода-вывода и шину 19 ин0 терфейса поступает в микропроцессор 13.

Работа фотометра начинаетс  с установки микропроцессором 13 через шину 19 интерфейса, схему 15 ввода-вывода и схему 9 установки светофильтра, светофильтра не5 обходимого дл  выполн емых измерений, из состава набора 6.

После, этого микропроцессор 13 через шины 19-интерфейса, схему 15 ввода-вывода подбирают необходимый дл  выполн е0 мого измерени  коэффициентусилени , при котором обеспечиваетс  оптимальный дл  АЦП 12 уровень входного сигнала, например не менее половины максимального напр жени .

5 Через шину 19 интерфейса, схему 15 ввода-вывода на дополнительный вход таймера 14 микропроцессор 13 подает команду запуска АЦП, С первого дополнительного выхода таймера 14 сигнал запуска поступа0 етна вход запуска АЦП 12, по которому АЦП начинает цикл преобразовани . Одновременно с второго дополнительного выхода таймера 14 на вход захвата микропроцессора 13 поступает сигнал захвата, перевод 5 щий микропроцессор в состо ние захвата на врем  аналого-цифрового преобразовани .

По окончании импульса захвата микропроцессор 13 через шину 19 интерфейса и схему 15 ввода-вывода принимаете выхода

АЦП, завершившего преобразование, код измеренного сигнала. После набора заданного программой числа измерений микропроцессор обрабатывает их и через шину 19 интерфейса и внешний интерфейс 18 выдает результат измерений.

Claims (2)

1.Способ определени  оптических характеристик образца, заключающийс  в освещении исследуемого образца потоком излучени , выделении требуемого спектрального диапазона прошедшего излучени , формировани  фототока, пропорционального интенсивности прошедшего излучени , преобразовани  фототока в напр женней регистрации напр жени , отличающийс  тем, что, с целью расширени  динамического диапазона и повышени  точности измерений, предварительно в отсутствии образца определ ют спектральный диапазон освещающего потока излучени  с

. минимальным значением фототока, затем ослабл ют потоки излучени  в остальных спектральных диапазонах до уравнивани  соответствующего значени  фототока с минимальным , а напр жение на входе схемы регистрации устанавливают максимально допустимым.

2.Устройство дл  определени  оптических характеристик образца, содержащее последовательно установленные оптический блок, включающий устройство формировани  пучка излучени , по ходу лучей которого последовательно установлены кювета дл  исследуемого образца и блок светофильтров со схемой их установки, фотопрйемник, соединенный с входом предварительного усилител  с резистором в

цепи обратной св зи и схему регистрации, содержащую программируемый усилитель, аналого-цифровой преобразователь, генератор , а также микропроцессор, запоминающее устройство, таймер, схему ввода-вывода и внешний интерфейс, соединенные посредством шины интерфейса, причем первый и второй выходы генератора соединены с первыми входами соответственно микропроцессора и таймера, первый выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразовател , второй вход которого соединен с выходом про- граммируемого усилител , выход

аналого-цифрового преобразовател  соединен с первым входом схемы ввода-вывода, первый выход которой соединен со схемой установки светофильтров, а второй - с первым входом программируемого усилител ,

второй вход которого соединен с выходом предварительного усилител , отличающеес  тем, что, с целью расширени  динамического диапазона и повышени  точности измерений, последовательно с каждым светофильтром, за исключением одного, спектральный диапазон которого соответствует минимальному значению фототока , установлен сменный ослабитель, таймер снабжен дополнительными входом

и двум  выходами, а схема ввода-вывода - дополнительным выходом, резистор в цепи обратной св зи предварительного усилител  выполнен подстроечным, дополнительный вход таймера соединен с

дополнительным выходом схемы ввода-вывода , а первый дополнительный выход таймера соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразовател , а второй - с входом захвата микропроцессора.