Пристрій для визначення швидкості поширення світла в речовині

Пристрій для визначення швидкості поширення світла в речовині, що містить світлодіод, оптичний вихід якого через першу лінзу зв'язаний із входом світлоподільника, один вихід якого оптично зв'язаний з другою лінзою, інший вихід оптично зв'язаний через третю лінзу з фотодіодом, до виходу якого підключений підсилювач напруги, кювету, заповнену речовиною, що досліджується, на виході якої розташоване відбиваюче дзеркало, електронний ключ і мікро-ЕОМ, який відрізняється тим, що додатково містить оптичний ключ, логі 3 36415 Радио и связь, 1987, С.52-54], що містить кварцовий генератор, дільник частоти, модулятор, світлодіод, оптичний розгалужувач, керовану лінію затримки, фотоприймач, блок збігів, схему індикації збігів і електронні ключі. Завдяки рециркуляції зондуючих імпульсів у пристрої виміряється період рециркуляції, який визначається подвоєним значенням затримки світлових імпульсів у досліджуваній речовині. Однак через неминуче розширення відбитих імпульсів важко точно фіксувати збіг падаючих і відбитих імпульсів, що збільшує похибку у визначенні швидкості світла. Крім того, у цьому пристрої момент збігів фіксується оператором по світінню світлодіода в схемі індикації, що значно збільшує час на визначення швидкості світла. Відомий також пристрій для визначення швидкості поширення світла в речовині [див. Бусурин В.Н., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. -М: Энергоиздат, 1990. -С.236-237], що містить світлодіод, оптичний вихід якого через першу лінзу пов'язаний із входом світлодільника, один вихід якого оптично зв'язаний з другою лінзою інший вихід оптично зв'язаний через третю лінзу з фотодіодом, до виходу якого підключений підсилювач напруги, кювету, заповненою речовиною, що досліджується, на ви ході якої розташоване відбиваюче дзеркало, електронний ключ і мікроЕОМ. Крім того, пристрій включає генератор імпульсів, регульовану лінію затримки, осцилограф, обчислювач і блок синхронізації. Проте, цей пристрій має похибки плавно регульованих ліній затримки. Відсутність рециркуляції зондувальних імпульсів не дозволяє проводити усереднення періоду повторення імпульсів, що збільшує часову розподільчу здатність пристрою (більше 10-6с). Додаткові похибки виникають через неконтрольовані затримки в електронних блоках пристрою. В основу корисної моделі покладена задача створити такий пристрій для визначення швидкості поширення світла в речовині, в якому введення нових елементів і зв'язків дозволило б зменшити часову розподільчу здатність до одиниць пікосекунд, виключити вплив затримок в електронних блоках, повністю автоматизувати процес виміру, що забезпечить підвищення точності визначення швидкості поширення світла в речовині. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для визначення швидкості поширення світла в речовині, що містить світлодіод, оптичний вихід якого через першу лінзу пов'язаний із входом світлодільника, один вихід якого оптично зв'язаний з другою лінзою інший вихід оптично зв'язаний через третю лінзу з фотодіодом, до виходу якого підключений підсилювач напруги, кювету, заповненою речовиною, що досліджується, на виході якої розташоване відбиваюче дзеркало, електронний ключ і мікро-ЕОМ, згідно з корисною моделлю, в пристрій додатково введені оптичний ключ, логічну схему «або», одновібратор, підсилювач потужності, формувач імпульсів, часо-цифровий перетворювач і мікроконтролер, входом з'єднаний з послідовним портом мікро-ЕОМ, а першим логіч 4 ним виходом з'єднаний з керуючим входом оптичного ключа, встановленим між другою лінзою та входом кювети, другий логічний вихід мікроконтролера з'єднаний з керуючим входом електронного ключа, третій логічний вихід мікроконтролера з'єднаний з одним входом логічної схеми «або», інший вхід якої з'єднаний через електронний ключ і формувач імпульсів з виходом підсилювача напруги, ви хід логічної схеми «або» з'єднаний із запускаючим входом одновібратора, вихід якого через підсилювач потужності з'єднаний з електричним входом світлодіода, часо-цифровий перетворювач своїм аналоговим входом підключений до виходу одновібратора, а цифровим виходом з'єднаний із цифровим входом мікроконтролера. Введення в схему пристрою оптичного ключа, логічної схеми «або», одновібратора, підсилювача потужності, формувача імпульсів, часо-цифрового перетворювача і мікроконтролера, з'єднаних зазначеним чином, дозволяє сформувати рециркулюючу послідовність світлових імпульсів, період повторення яких визначається часом запізнювання відбитих імпульсів у досліджуваному середовищі. Керування мікроконтролером початку формування періодичної послідовності імпульсів і її кінцем, аналого-цифрове перетворення періоду повторення рециркулюючих імпульсів, усереднення їх у мікроконтролері і подання результатів на дисплеї мікро-ЕОМ дає можливість знизити часову розподільчу здатність схеми до одиниць пікосекунд, а обробка цифрової інформації в мікроконтролері і мікро-ЕОМ, отримати безпосередній відлік значення швидкості та інших параметрів світла в речовині залежно від складу та властивостей досліджуваного оптичного середовища. Використання оптичного ключа, яким управляє мікроконтролер, забезпечує додатковий вимір затримок в електронних блоках пристрою до попадання світлових імпульсів у досліджувану речовину, а визначення різниці в затримках при відкритому і закритому оптичному ключі в мікроконтролері забезпечує виключення похибки від неконтрольованих затримок у ланцюзі формування зондувальних оптичних імпульсів і в ланцюзі формувача електричних імпульсів запускаючого одновібратора. Зазначені відмінності забезпечують підвищення точності визначення швидкості поширення світла в речовині та повній автоматизації процесу вимірювання. На кресленні представлена функціональна схема пристрою для визначення швидкості поширення світла в речовині. Пристрій містить мікроконтролер 1, логічну схему «або» 2, одновібратор 3, підсилювач потужності 4, світлодіод 5, першу лінзу б, світлодільник 7, другу лінзу 8, оптичний ключ 9, кювету 10 з досліджуваною речовиною, відбиваюче дзеркало 11, третю лінзу 12, фотодіод 13, підсилювач напруги 14, формувач імпульсів 15, електронний ключ 16, часо-цифровий перетворювач 17 і мікро-ЕОМ 18. Перший логічний вихід мікроконтролера 1 з'єднаний з керуючим входом оптичного ключа 9, другий логічний вихід з'єднаний з керуючим входом електричного ключа 16, третій логічний вихід з'єднаний з одним входом логічної схеми «або» 2, інший вхід якої через електронний ключ 16 з'єдна 5 36415 ний з виходом формувача імпульсів 15. Вихід логічної схеми «або» 2 з'єднаний із запускаючим входом одновібратора 3, вихід якого через підсилювач потужності 4 з'єднаний з електричним входом світлодіода 5, оптичний вихід якого через першу лінзу 6 пов'язаний із входом світлодільника 7, через другу лінзу 8 і оптичний ключ 9 пов'язаний із входом кювети 10, заповненою досліджуваною речовиною, на виході якої розташоване відбиваюче дзеркало 11. Інший вихід світлодільника 7 оптично пов'язаний через третю лінзу 12 з фотодіодом 13, вихід якого через підсилювач напруги 14 з'єднаний із входом формувача імпульсів 15. До виходу одновібратора 3 підключений також аналоговим входом часо-цифровий перетворювач 17, цифровим виходом з'єднаний із цифровим входом мікроконтролера 1, який своїм виходом з'єднаний з послідовним портом мікро-ЕОМ 18. Пристрій працює таким чином. За командою мікроконтролера 1 генеруємий імпульс з його третього логічного виходу надходить через логічну схему «або» 2 на запускаючий вхід одновібратора 3. Сформований одновібратором 3 прямокутний імпульс підсилюється за потужністю в підсилювачі 4 і збуджує світлодіод 5. Світловий імпульс через першу лінзу 6 надходить на вхід світлодільника 7, де ділиться на два (прямий та відбитий) імпульси. Прямий імпульс через другу лінзу 8 і замкнутий оптичний ключ 9 потрапляє на вхід кювети 10, яка заповнена досліджуваною речовиною. Зондувальний імпульс проходить кювету 10 і відбивається від дзеркала 11, яке розташовано на виході кювети 10. Відбитий від виходу кювети 10 світловий імпульс через замкнутий оптичний ключ 9 і лінзу 8 надходить на світлодільник 7. Відбитий від світлодільника 7 світловий імпульс через лінзу 12 впливає на фотодіод 13, де перетворюється в електричний імпульс. Електричний імпульс підсилюється підсилювачем напруги 14 і далі надходить на формувач імпульсів 15. З посиленого відбитого імпульсу, який розширився із-за проходження через досліджувану речовину, формувачем 15 формується короткий імпульс. Через закритий електронний ключ 16 і логічну схему «або» 2 короткий імпульс впливає на запускаючий вхід одновібратора 3 і знову його збуджує. У результаті цього на виході одновібратора 3 формується послідовність рециркулюючих імпульсів із тривалістю t і паузою tn1=t 1+t 2+t3 , (1) де t1 - сумарна електрична і оптична затримка при формуванні зондуючих імпульсів, t2 - сумарна затримка зондуючих і відбити х імпульсів усередині кювети 10, t3 - сумарна електрична і оптична затримка у зворотному ланцюзі формування рециркулюючих імпульсів. Завдяки затримкам t1 і t3 в ланцюгах прямої і зворотної передачі пристрій працює стабільно, тому що виключається накладення падаючих і відбитих імпульсів. У той же час затримки t1 і t 3 є джерелами похибок, тому що на їх фоні виявити і виміряти малу затримку t3, пов'язану з досліджуваною речовиною, важко. Період повторення зондуючих імпульсів 6 Т1=t+t n1 (2) перетворюється за допомогою часоцифрового перетворювача 17 у цифровий код (3) N1 = T1 Dt , де Dt - часовий крок квантування. Цифровий код (3) надходить по цифровому входу в мікроконтролер 1, де усереднюється за задане число періодів проходження зондувальних імпульсів: (4) N1 = gT1 Dt , де q - число періодів повторення рециркулюючих імпульсів. Далі за командою мікроконтролера 1 подається сигнал на керуючий вхід оптичного ключа 9 і він розмикається. У цьому режимі зондувальні імпульси відбиваються від входу кювети 10 з досліджуваною речовиною. Період повторення зондувальних імпульсів зменшується до значення Т2=t+t n2 . (5) У виразі (5) пауза між повторюючими імпульсами із-за виключення затримки в кюветі 10 стає рівною tn2=t 1+t 3. (6) Період повторення Т2 знову перетворюється часо-цифровим перетворювачем 17 у код (7) N2 = T2 D t , який вводиться в мікроконтролер 1. Після усереднення в мікроконтролері 1 формується другий результуючий код (8) N'2 = gT2 Dt . Після закінчення формування коду N'2 по команді мікроконтролера 1 електронний ключ 16 розмикається і процес формування рециркулюючої послідовності імпульсів припиняється. ' Коди N1 і N'2 з мікроконтролера 1 пересилаються в мікро-ЕОМ 18, де з них формується різницевий код ' (9) N3 = N1 - N'2 = gt 2 Dt . Затримка оптичних імпульсів у кюветі 10 з досліджуваною речовиною при довжині кювети L визначається виразом (10) t2 = 2L , u де u - швидкість світла в речовині. Згідно (10) швидкість світла в речовині однозначно визначається вимірюваною затримкою, тобто (11) u = 2L . u Показник заломлення досліджуваної речовини (12) n = t2c 2L , де с - швидкість світла у вакуумі. Підставивши у вирази (11) і (12) значення t2 з (9), остаточно отримаємо: u = 2Lg N Dt , (13) 3 7 n = N3D tC 2Lg . 36415 (14) У процесорі мікро-ЕОМ 19 обчислюються значення швидкості u і показник заломлення n. При цьому за допомогою клавіатури попередньо вводиться довжина кювети L, крок квантування Dt, число повторювань періодів q і швидкість світла у вакуумі с. Результат виводиться на дисплей комп'ютера 18. Завдяки виключенню систематичної похибки вимірювань оптичної затримки t2 від неконтрольованих електричних і оптичних затримок t1 у тракті формування зондуючих імпульсів і t3 в тракті формування повторних запускаючих імпульсів із прийнятих і відбитих імпульсів відносна похибка вимірювань швидкості поширення світла в речовині не перевищує 0,2...0,5%. Усереднення по тисячі періодів рециркуляції імпульсів дозволяє зменшити випадкову похибку до 0,05...0,1% і зменшити часову розподільчу здатність до 10-10...10-11с. Для забезпечення зазначених параметрів доцільно в якості часо-цифрових перетворювачів використовува ти швидкодіючі інтегральні мікросхеми типу PICOTURN або РІСОСАР, які виконані за CMOS технологією (компанія Acam mess electronic Gmbh). Так, інтегральна мікросхема TDC-GP2 з розподільчою здатністю 50 пікосекунд забезпечує діапазон вимірювань часового інтервалу від 3,5 не до 1,8мс зі швидкістю передачі цифрових даних 1 Мгц. При цьому напруга живлення мікросхеми від 1,8В до 3,6В при струмі споживання 5мкА. Результат перетворення представляється 16-ти розрядним кодом. Для обробки цифрової інформації доцільно застосовувати 32-розрядну обчислювальну платформу, наприклад, з ядром AR M7 ведучи х світови х виробників, наприклад, 32розрядний мікроконтролер LPC2148 компанії NXP (Philips). Обмін даними між мікроконтролером і мікро-ЕОМ можна здійснювати інтерфейсом RS232. 8 Основна вимога до фотодетектора полягає в забезпеченні малого часу наростання/спаду (не більше 1,5...2нc). Цій вимозі відповідають фотодіоди моделей, наприклад, SFH2332 і SFH2701 фірми OSRAM. Аналогічним вимогам повинні відповідати і швидкодіючі світло діоди, наприклад, TSFF 5200 фірми Vishay, TSAL 5100 фірми Kingbright. Таким чином, запропоноване пристрій, реалізований на сучасній мікроелектронній базі, дозволяє підвищити точність визначення швидкості світла в досліджуваній речовині за рахунок виключення систематичних похибок, зменшити часову розподільчу здатність за рахунок швидкодіючого часо-цифрового перетворення і зменшувати випадкові похибки за рахунок багаторазової рециркуляції імпульсів і їх усереднення. При цьому в порівнянні із пристроєм-прототипом не потрібна високоточна фіксація збігів зондуючих і відбитих світлових імпульсів, і отже, високостабільні регульовані лінії затримки, візуальні підстроювання і високостабільні генератори коротких імпульсів. Сферою застосування запропонованого пристрою також можуть бути: - системи позиціонування, основані на вимірах часу проходження оптичних імпульсів у різних середовищах; - датчики складу і властивостей речовин, засновані на залежності заломлюючих властивостей середовища поширення оптичних імпульсів від процентного і гранулометричного вмісту домішок або зовнішніх впливів; - експериментальні лабораторні установки в ядерній фізиці і фізиці високих ентропій; - лазерні сканери і спектрометри, у яких повинні сполучатися підвищена розподільча здатність вимірювань тривалості події або підвищена розподільча здатність між подіями і широкий діапазон вимірювань часових інтервалів. 9 Комп’ютерна в ерстка Л. Купенко 36415 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601