UA13485U

UA13485U - Optoelectronic detector

Info

Publication number: UA13485U
Application number: UAU200504997U
Authority: UA
Inventors: Ihor Danylovych Voitovych; Oleh Ihorovych Kytaiev; Petro Stepanovych Klochan; Volodymyr Oleksandrovy Romanov; Volodymyr Semenovych Fedak; Volodymyr Moiseiovy Korsunskyi; Tetiana Vasylivna Bednenko
Original assignee: V M Hlushkov Inst Of Cyberneti
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2005-05-26
Publication date: 2006-04-17

Abstract

The proposed optoelectronic detector contains a holder, a photodetector, a light-emitting diode with red radiation, a light-emitting diode with infrared radiation, a scatter filter, which is arranged between the light-emitting diodes and the plate of the holder, two adjusting potentiometers, and a switch. The optical axes of the light-emitting diodes intersect on the light-sensitive surface of the photodetector. The input of the detector is connected to the input of the switch. The first terminals of the light-emitting diodes are connected to the corresponding inputs of the switch via the potentiometers. The second terminals of the light-emitting diodes are connected to the common point of the detector.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Запропонований пристрій належить до області дослідження речовини шляхом визначення фізичних 2 властивостей, зокрема поглинання нативного хлорофіла. Запропонований пристрій можна визначити як біосенсор, де чутливим елементом є нативний хлорофіл у випадках коли концентрація хлорофіла є діагностичною ознакою стану рослини.The proposed device belongs to the field of substance research by determining physical 2 properties, in particular absorption of native chlorophyll. The proposed device can be defined as a biosensor, where the sensitive element is native chlorophyll in cases where the concentration of chlorophyll is a diagnostic sign of the plant's condition.

Хлорофіл є основою фотосинтеза, а його концентрація є визначальною ознакою стану рослин. Хлорофіл зконцеитровано у хлоропластах клітин, а у міжклітинному просторі розташовані судини. Вимірюють концентрацію 70 хлорофіла з допомогою колориметрів, шляхом визначення поглинання світла ефірними або спиртовими витяжками гомогенатів листяних висічок. Максимальне поглинання світла хлорофілом спостерігають на хвилях 460-650нм. Поглинання світла хлоропластами і судинами різне, тому при вимірювані концентрації нативного хлорофіла, тобто безпосередньо в живому листку, виникає неоднозначність. Вона залежить від співвідношення судин і хлоропластів в межах перетину оптичного каналу з площиною листа. 12 Відомо "Способ определения концентрации хлорофила и устройства для его осуществления" СССР,Chlorophyll is the basis of photosynthesis, and its concentration is a defining feature of the condition of plants. Chlorophyll is concentrated in the chloroplasts of cells, and vessels are located in the intercellular space. The concentration of chlorophyll 70 is measured using colorimeters, by determining the absorption of light by ether or alcohol extracts of homogenates of leaf cuttings. The maximum absorption of light by chlorophyll is observed at 460-650 nm. The absorption of light by chloroplasts and vessels is different, therefore, when measuring the concentration of native chlorophyll, i.e. directly in a living leaf, ambiguity arises. It depends on the ratio of vessels and chloroplasts within the intersection of the optical channel with the leaf plane. 12 It is known "Method of determining the concentration of chlorophyll and the device for ego implementation" of the USSR,

Мо1659797, 001 М 21/64. Спільними рисами аналогу та запропонованого пристрою є опорний канал вимірювання прозорості середовища. Причиною, що заважає одержаню очікуваного технічного результата є те, що пристрій-аналог не дозволяє вимірювати об'ємну концентрацію нативного хлорофіла в твердих середовищах, зокрема в листях рослин.Mo1659797, 001 M 21/64. Common features of the analogue and the proposed device are the reference channel for measuring the transparency of the medium. The reason that interferes with obtaining the expected technical result is that the analogue device does not allow measuring the volumetric concentration of native chlorophyll in solid environments, in particular in plant leaves.

Найближчим по суті до запропонованого сенсора є "вьіносной оптический датчик" приладу "Флоратест" (флуориметр переносной ИФК-1). Техническое описание и инструкция по зксплуатации, ИБВЦ.201113.001 ТО,The closest in essence to the proposed sensor is the "vinous optical sensor" of the "Floratest" device (portable IFK-1 fluorimeter). Technical description and operating instructions, IBVC.201113.001 TO,

Киев 1999,Kyiv 1999,

Сенсор - прототип містить затискач, який включає верхню пластину з освітлювачем, нижню пластину з фотоприймачем, вісь, затискачну приужину, розжимний ричаг, досліджуваний лист рослини, чорну ворсисту 22 прокладку, мініатюрну лампу розжарення, синьо-зелений світлофільтр, шторку оптичного затвора, перемикач -о затвора, фотоприймач, червоний світлофільтр.The sensor - the prototype contains a clamp, which includes an upper plate with an illuminator, a lower plate with a photoreceptor, an axis, a clamping pin, an expansion lever, a researched plant leaf, a black pile 22 gasket, a miniature incandescent lamp, a blue-green light filter, an optical shutter curtain, a switch - o shutter, photo receiver, red light filter.

Спільними ознаками прототипу та запропонованого сенсора є наявність затискача, що складається з двох, з'єднаних рухомо пластин з отворами, фотоприймача та світлозахисного кожуха.Common features of the prototype and the proposed sensor are the presence of a clamp consisting of two movably connected plates with holes, a photoreceptor and a light protective cover.

Причиною, що заважає одержанню очікуваного технічного результата є те, що джерело освітлення, яке о складається з лампи розжарення і синього світлофільтра, опромінює лист рослини тільки синім світлом. Крім с того, таке джерело освітлення не дає рівномірного опромінення листа в межах плями освітлення, що особливо важливо при складній поверхневій та об'ємній структурі листа. Інтенсивність світла, яке проходить крізь лист З залежить від багатьох чинників, зокрема: коефіцієнта поглинання світла хлорофілом, його концентрації, со коефіцієнта поглинання і розсіювання світла іншими елементами листа, коефіцієнта відбиття від поверхні листа, наявності сигналу флуоресенції, товщини листа, інтенсивності падаючого світла і т. ін. Ці показники -- змінюються від культури, рослини, листа і навіть зони листа. Тому вимірювання сумарного світлового потоку, Що проходить крізь листок не дозволяє однозначно визначити об'ємну концентрацію нативного хлорофіла.The reason that interferes with obtaining the expected technical result is that the light source, which consists of an incandescent lamp and a blue light filter, irradiates the plant leaf only with blue light. In addition, such a light source does not provide uniform irradiation of the sheet within the illumination spot, which is especially important with a complex surface and volume structure of the sheet. The intensity of light that passes through leaf Z depends on many factors, in particular: the coefficient of light absorption by chlorophyll, its concentration, the coefficient of absorption and scattering of light by other elements of the leaf, the reflection coefficient from the surface of the leaf, the presence of a fluorescence signal, the thickness of the leaf, the intensity of incident light and etc. These indicators vary from crop to crop, plant, leaf, and even leaf zone. Therefore, measuring the total light flux that passes through the leaf does not allow us to unambiguously determine the volumetric concentration of native chlorophyll.

В основу пристрою поставлена задача створення такого оптоелектронного сенсора для дослідження « нативного хлорофіла, в якому завдяки введенню нових вузлів та зміни функцій відомих стало б можливим З 740 визначення об'ємної концентрації нативного хлорофіла. с Вирішення поставленої задачі досягається тим, що сенсор містить затискач, який складається з двох з» з'єднаних рухомо пластин з отворами та фотоприймач, розміщений під світлозахистним кожухом на одній з пластин, а також додатково містить Червоний та інфрачервоний світлодіоди і розсіючий світлофільтр, розташований між світлодіодами та пластиною затискачу і розміщені у світлозахистному кожузі на другій пластині так, що оптичні вісі червоного та інфрачервоного світлодіодів перетинаються на фотоприймачі, причому - вхід інфрачервоного світлодіода з'єднаний через перший потенціометр, перемикач і другий потенціометр з со входом пристрою, а вхід червоного світлодіода під'єднаний через перемикач та другий потенціометр до входу пристрою, другі входи червоного та інфрачервоного світлодіодів з'єднані між собою і з другим входом пристрою, е виходи фотоприймача є виходами пристрою. о 20 Відмінними ознаками запропонованого сенсора є червоний та інфрачервоний світлодіоди і розсіючий світлофільтр, розташований між світлодіодами та пластиною затискачу і розміщені у світлозахистному кожузі на сл другій пластині так, що оптичні вісі червоного та інфрачервоного світлодіодів перетинаються на фотоприймачі, причому вхід інфрачервоного світлодіода з'єднаний Через перший потенціометр, перемикач і другий потенціометр з входом пристрою, а вхід червоного світлодіода під'єднаний Через перемикач та другий 29 потенціометр до входу пристрою, другі входи червоного та інфрачервоного світлодіодів з'єднані між собою і з с другим входом пристрою, виходи фотоприймача є виходами пристрою.The device is based on the task of creating such an optoelectronic sensor for the study of native chlorophyll, in which, thanks to the introduction of new nodes and changes in the functions of known ones, it would become possible to determine the volumetric concentration of native chlorophyll. c The solution to the given problem is achieved by the fact that the sensor contains a clamp consisting of two movably connected plates with holes and a photodetector placed under a light protective cover on one of the plates, and additionally contains Red and infrared LEDs and a scattering light filter located between the LEDs and the clamp plate and are placed in a light-protective casing on the second plate so that the optical axes of the red and infrared LEDs intersect at the photoreceptor, and - the input of the infrared LED is connected through the first potentiometer, the switch and the second potentiometer to the input of the device, and the input of the red of the LED is connected through a switch and a second potentiometer to the input of the device, the second inputs of the red and infrared LEDs are connected to each other and to the second input of the device, and the outputs of the photodetector are the outputs of the device. o 20 Distinctive features of the proposed sensor are the red and infrared LEDs and the scattering light filter located between the LEDs and the clamp plate and placed in the light protective housing on the second plate so that the optical axes of the red and infrared LEDs cross on the photoreceiver, and the input of the infrared LED is connected Through the first potentiometer, the switch and the second potentiometer to the input of the device, and the input of the red LED is connected Through the switch and the second 29 potentiometer to the input of the device, the second inputs of the red and infrared LEDs are connected to each other and to the second input of the device, the outputs of the photodetector are device outputs.

Введення у сенсор нових вузлів, елементів та зв'язків між ними дозволяє почергово опромінювати об'єкт розсіяним червоним та інфрачервоним світлом однакової інтенсивності, шляхом перемикання живлення світлодіодів та змінювати інтенсивності освітлення однорідного в межах освітленої плями на поверхні листка. 60 Опромінення листа рослини світлом викликає відбиття, розсіювання та поглинання світла структурами листа, зокрема: судинами, оболонками клітин, міжклітинною рідиною та хлорофілом хлоропластів. Опромінення здійснюють на двох довжинах хвиль в червоній області спектра, де хлорофіл має сильну смугу поглинання і в інфрачервоній області, поблизу від червоної, де поглинання хлорофілу незначне. В той же час коефіцієнти "фонового" поглинання і розсіювання світла на обох довжинах хвиль приблизно однакові. Якщо при цьому бо забезпечити однакові інтенсивності падаючого червоного та інфрачервоного світла, то концентрацію хлорофіла визначають за формулою:The introduction of new nodes, elements and connections between them into the sensor makes it possible to alternately irradiate the object with diffused red and infrared light of the same intensity, by switching the power supply of the LEDs and changing the intensity of uniform illumination within the illuminated spot on the surface of the leaf. 60 Irradiation of a plant leaf with light causes reflection, scattering and absorption of light by leaf structures, in particular: vessels, cell membranes, intercellular fluid and chlorophyll of chloroplasts. Irradiation is carried out at two wavelengths in the red region of the spectrum, where chlorophyll has a strong absorption band, and in the near-red infrared region, where chlorophyll absorption is negligible. At the same time, the coefficients of "background" absorption and scattering of light at both wavelengths are approximately the same. If at the same time the same intensities of incident red and infrared light are ensured, then the concentration of chlorophyll is determined by the formula:

СА Іп(0,91/ЧИ-0,911Ч) де А - константа приладу. І" та ШІЧ - відповідно інтенсивності червоного та інфрачервоного освітлення на фотоприймачі.SA Ip(0.91/ЧИ-0.911Ч) where A is the constant of the device. І" and ІІЧ - according to the intensity of red and infrared illumination on the photoreceiver.

На Фіг. схематично зображено розріз оптоелектронного сенсора та електрична схема. Він містить фотоприймач 1, червоний світлодіод 2, інфрачервоний світлодіод 3, розсіювальний світлофільтр 4, верхню пластину затискача 5, нижню пластину затискача б, верхній світлозахистний кожух 7, та нижній світлозахистний кожух 8. Сенсор має вигляд затискача типу "прищепка" і складається з двох пластин 5 та б, з'єднаних рухомо, 70 між пластинами 5 і 6 розміщують листок рослини. На верхній пластині 5 під світлозахистним кожухом 7 розміщені червоний 2 та інфрочервоний З світлодіоди. Між світлодіодами 2, З і пластиною 5 розміщено розсіючий світлофільтр 4. Цей розсіювальний світлофільтр 4 перетворює направлене нерівномірне вилромінення світлодіодів в розсіяне опромінення, рівномірне в межах отвору пластини 5 на поверхні об'єкту. Фотоприймач 1 розташовано в отворі нижньої пластини б соосно з отвором верхньої пластини 5 так, що оптичні вісі 75 світлодіодів 2 і З перетинаються на фотоприймачі.In Fig. schematically shows the section of the optoelectronic sensor and the electrical circuit. It contains a photodetector 1, a red LED 2, an infrared LED 3, a diffuse light filter 4, an upper clamp plate 5, a lower clamp plate b, an upper light protection cover 7, and a lower light protection cover 8. The sensor has the appearance of a clip type "clip" and consists of two plates 5 and b, connected movably, 70 between plates 5 and 6 place a plant leaf. Red 2 and infrared Z LEDs are placed on the upper plate 5 under the light protective cover 7. A diffusing light filter 4 is placed between LEDs 2, C and plate 5. This diffusing light filter 4 transforms the directional uneven radiation of the LEDs into diffuse radiation that is uniform within the opening of the plate 5 on the surface of the object. The photoreceptor 1 is located in the opening of the lower plate b coaxially with the opening of the upper plate 5 so that the optical axes 75 of the LEDs 2 and C intersect at the photoreceptor.

Інфрачервоний світлодіод З через перший потенціометр 11 підключено до перемикача 10. На другий вхід перемикача 10 підключено червоний світлодіод 2, а третій вхід перемикача 10 через другий потенціометр 9 з'єднано з входом пристрою, другі входи світлодіодів 2 і З з'єднані між собою і під'єднані до другого входу пристрою. 20 Сенсор працює наступним чином: без закріплення сенсора на листі рослини, подається живлення через другий потенціометр 9 та перемикач 10 на червоний світлодіод. Його випромінення через світлофільтр 4 поступає на фотоприймач 1. Результат освітленості червоним світлом запам'ятовують. Переводячи перемикач в друге положення, подають живлення через перший потенціометр 11 на інфрачервоний світлодіод 3.The infrared LED C is connected to the switch 10 through the first potentiometer 11. A red LED 2 is connected to the second input of the switch 10, and the third input of the switch 10 is connected to the input of the device through the second potentiometer 9, the second inputs of LEDs 2 and C are connected to each other and connected to the second input of the device. 20 The sensor works as follows: without fixing the sensor on the plant leaf, power is supplied through the second potentiometer 9 and switch 10 to the red LED. Its radiation passes through the light filter 4 to the photoreceptor 1. The result of illumination with red light is memorized. Moving the switch to the second position, power is supplied through the first potentiometer 11 to the infrared LED 3.

Змінюючи струм через інфрачервоний світлодіод З з допомогою першого потенціометра 11, зрівнюють значення освітленості фотоприймача 1 інфрачервоним світлом з освітленістю червоним. Таким чином забезпечується З рівномірне в межах плями, однакове по інтенсивності освітлення червоним та інфрачервоним світлом. Далі сенсор закріплюють на листі рослини, вмикають червоний світлодіод 2 і вимірюють з допомогою фотоприймача 1 інтенсивність червоного освітлення І" , яке пройшло через лист рослини. Перемикачем 10 підключають живлення на інфрачервоний світлодіод З і вимірюють інтенсивність інфрачервоного освітлення І", яке пройшло о через лист рослини. Концентрацію хлорофіла визначають за наведеною вище формулою. Схема дозволяє со почергово освітлювати об'єкт червоним та інфрачервоним світлом та змінювати інтенсивність освітлення в межах освітленої плями на поверхні листа рослини. -By changing the current through the infrared LED C with the help of the first potentiometer 11, the value of the illumination of the photoreceptor 1 with infrared light is equalized with the illumination of red. In this way, uniform C is provided within the spot, the same intensity of illumination with red and infrared light. Next, the sensor is fixed on a plant leaf, the red LED 2 is turned on, and the intensity of red light I" that passed through the plant leaf is measured with the help of photo receiver 1. The infrared LED C is powered with the switch 10 and the intensity of infrared light I" that passed through the leaf is measured. plants Chlorophyll concentration is determined by the above formula. The scheme allows you to alternately illuminate the object with red and infrared light and change the intensity of illumination within the limits of the illuminated spot on the surface of the plant leaf. -

Запропонований сенсор, як видно з його опису може бути реалізований у виробничих умовах, такякдля його се реалізації використовується технічна база широкого призначення. ч-The proposed sensor, as can be seen from its description, can be implemented in production conditions, since a wide-purpose technical base is used for its implementation. h-

Claims

Formulation of the invention Optoelectronic sensor, which contains a clamp consisting of two movably connected plates with h holes, and a photoreceptor placed under a light protective cover on one of the clamp plates, which is distinguished by the fact that it additionally contains red and infrared LEDs and the scattering "» light filter located between the LEDs and the clamp plate, and placed in the light protective casing on the " second plate so that the optical axes of the red and infrared LEDs intersect on the photoreceptor, and the input of the infrared LED is connected through the first potentiometer, the switch and the second potentiometer - with the input of the device, and the input of the red LED is connected through a switch and the second - a potentiometer to the input of the device, the second inputs of the red and infrared LEDs are connected to each other and to the second input of the device, the outputs of the photodetector are the outputs of the device. sh" at 50 sl p

60 b5