Спосіб визначення оптичних характеристик образчика і пристрій для його реалізації

Способ определения оптических характеристик образца и фотометр для его осуществления. Использование: оптикоэтектронное приборостроение, фотометрические измерения в медицине, химической, пищевой и других отраслях промышленности Сущность изобретения: поток излучения в каждом спектральном интервале, кроме интервала с минимальным предельным значением фототока, перед измерением в отсутствие образца ослабляют, уравнивая соответствующее предельное значение фототока с минимальные, а напряжение на выходе предварительного усилителя устанавливают пропорциональным отношению максимального предельного -s значения фототока к минимальному. При этом последовательно с каждым светофильтром, за исключением светофильтра с наименьшим значением произведения интенсивности выделяемого пучка излучения на спектральную чувствительность фотоприемнмка, установлен ослабитель с пропусканием, обратно пропорциональным значению этого произведения, резистор в цепи обратной связи увеличен кратно отношению максимального из значений указанного произведения 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 преобразователя, а второй - со входом захвата микропроцессора 2 с.п.ф-лы, 1 ил. Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использовано при фотометрических измерениях в медицине, химической, пищевой и других отраслях промышленности. Известны спектрофотометр и способ спектрофотометрий. Спектрофотометр содержит источник излучения, световоды, направляющие свет к исследуемому органу и от него, детектор излучения, регистрирую щий по меньшей мере четыре луча с характеоными длинами волн, усилитель и систему регистрации с микропроцессором. Для них характерны низкая точность и узкий динамический диапазон измерений. Наиболее близким к изобретению является способ определения оптических характеристик образца, заключающийся в освещении образца, выделении требуемого спектрального интервала и формировании 1723455 фототока с последующим усилением и регистрации напряжения, пропорционального интенсивности прошедшего излучения, устройство содержит последовательно установленные оптический блок, включающий 5 набор светофильтров, фотоприемник, предварительный усилитель и схему регистрации, включающую аналого-цифровой преобразователь (АЦП) микропроцессор, таймер и схему ввода-вызодз. 10 Недостатками этих способа и устройства являются узкий динамический диапазон, обусловленный большим разбросом предельных значений фототока в различных спектральных интервалах излучения и соот- 15 ветственно малым значением отношения наиболее низкого предела измерения к пороговой чувствительности схемы регистрации Их низкая точность обуславливается малым соотношением сигнал-шум для ми- 20 нимального предела измерения, а также импульсными помехами во время аналого-цифрового преобразования, создаваемыми непрерывной работой микропроцессора. 25 Например, при использовании в качестве источника света галогенной лампы, а в качестве фотоприемника фотоэлемента Ф25 сигнал на его выходе на длине волны излучения 546 нм в 100 раз превышает сиг- 30 нал на длине волны 300 нм. А поскольку динамический диапазон и точность устройства определяются отношением наиболее низкого предела измерения к величине порога чувствительности, большой разброс 35 значений сигнала фотоприемника на разных длинах волн излучения сокращает на величину этого разброса используемый динамический диапазон регистрирующей схемы и снижает точность устройства. 40 Величина порога чувствительности определяется значением напряжения шума и величиной наводок, обусловленных работой микропроцессора, на выходе калибровочного усилителя, 45 Целью изобретения является расширение динамического диапазона и точности измерения. Поставленная цель достигается тем, что в способе определения оптических характе- 50 ристик образца, заключающемся в освещении исследуемого образцз потоком излучения, выделении требуемого спектрального интервала излучения, формировании фототока, пропорционального 55 интенсивности прошедшего излучения, преобразовании фототока в напряжение и регистрации напряжения, предварительно в отсутствии образца определяют спектральный диапазон освещающего потока из лучения с минимальным значением фототока, затем ослабляют потоки излучения в остальных спектральных диапазонах до уравнивания соответствующего значения фототока с минимальным, а напряжение на входе схемы регистрации устанавливают максимально допустимым. Поставленная цель достигается также тем, что в устройстве для определения оптическых характеристик образца, содержащем последовательно установленные оптический блок, включающей устройство формирования пучка излучения, по ходу лучей которого последовательно установлены кювета для исследуемого образца и блок светофильтров со схемой их установки, фотоприемник, соединенный с входом предварительного усилителя с резистором в цепи обратной связи и схему регистрации, содержащую программируемый усилитель, АЦП, генератор, а также микропроцессор, запоминающее устройство, таймер, схему вводавывода 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 усилителя, выход АЦП соединен с первым входом схемы ввод-вывода, первый выход которой соединен со схемой установки езетофильтров, а второй - с первым входом программируемого усилителя, второй вход которого соединен с выходом предварительного усилителя, последовательно с каждым светофильтром, за исключением одного, спектральный диапазон которого соответствует минимальному значению фототека, установлен сменный ослабитель, таймер снабжен дополнительными входом и двумя выходами, а схема ввода-вывода - дополнительным выходом, резистор в цепи обратной связи предварительного усилителя выполнен подстроеччым, 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 для определения оптических характеристик образца. Устройство содержит последовательно установленные оптический блок 1, фотоприемник 2, предварительный усилитель 3 с резистором 4 е цепи обратной связи, схему 5 регистрации. 1723455 Оптический блок 1 включает последовательно установленные набор 6, например, из восьми светофильтров 7 с ослабителями 8 со схемой 9 установки светофильтров, устройство 10 формирования пучка и исследу- 5 емый образец 11. Схема 5 регистрации включает АЦП 12, микропроцессор 13, таймер 14, схему 15 ввода-вывода, генератор 16, запоминающее устройство (ЗУ) 17, внешний интерфейс 10 18, шину интерфейса 19 и программируемый усилитель 20. лителя с ЦАП с регистром, в цепи обратной связи. Набор длин волн излучения устройства определяется его областью использования. Например, фотометры для биохимических исследований предназначены для работы в спектральном диапазоне от 300 до 650 нм. Характеристики устройства выделения спектральных интервалов, например набора интерференционных светофильтров, мало зависят от длины волны излучения (коэффициент пропускания, полуширина). Поэтому разброс фототока определяется спектральными характеристиками источниСигнальный вход программируемого усилителя 20 является входом схемы 5 реги- 15 ка света и фотоприемника. Максимальное страции. Вход управления программируенапряжение на выходе калибровочного усимого усилителя 20 соединен с вторым лителя соответствует максимальному фотовыходом схемы 15 ввода-вывода, выход с току. Это напряжение путем установки входом АЦП 12. Выход АЦП 12 соединен с соответствующего значения сопротивления первым входом схемы 15, вход запуска с 20 в цепи обратной связи устанавливают равпервым дополнительным выходом таймера ным максимальному входному напряжению 14, Вход тактовых импульсов АЦП 12 соедисхемы регистрации. При большом разбросе нен с первым выходом таймера 14. фототока предельное напряжение на длине волны излучения 300 нм может быть в 100 Схема 15 ввода-вывода, микропроцессор 13, таймер 14, ЗУ 17, внешний интер- 25 раз меньше, чем в диапазоне 500-600 нм. фейс 18 соединены с шиной интерфейса 19. Динамическийдиапазон фотометра Д равен n - Umln Дополнительный вход таймера 14 соединен с дополнительным выходом схемы 15 ввода-вывода, второй дополнительный вых о д - 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 ослабителя 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 для всех светофильтров с ослабителями было приблизительно равно значению фототока для светофильтра с его минимальным значением. Перед этим светофильтром ослабитель не устанавливается Резистор 4 в цепи обратной связи предварительного усилителя 3 установлен такой величины, что выходное напряжение усилителя при отсутствии исследуемого образца близко к максимально допустимому для схемы регистрации. Устройство 10 формирования пучка может быть выполнено в виде галогенной лампы накаливания и объектива с диафрагмами, формирующим параллельный пучок излучения. Программируемый усилитель 20 может быть выполнен в виде операционного уси ипор где Umin - минимальное предельное напря30 жение для данного примера, на длине волны излучения 300 нм; Unop - пороговая чувствительность фотометра. 35 Сущность способа состоит в том, что поток излучения в каждом спектральном интервале ослабляют, например, установкой ослабителя из нейтрального стекла, до уровня фототока спектрального интервала с ми40 нимальным его значением. Для этого в приведенном примере последовательно со светофильтром, выделяющим излучение с длиной волны, например, 546 нм устанавливают ослабитель с коэффициентом пропу45 екания 0,01. Таким образом, устанавливают равные предельные значения фототоков во всем спектральном диапазоне фотометра. Предельное напряжение на выходе калибровочного усилителя устанавливают снова 50 равным максимальному входному напряжению схемы регистрации, для чего резистор обратной связи увеличивают в Y —Mmax II umin 55 где Umax - мкеимальное входное напряжение схемы регистрации, равное предельному напряжению спектрального интервала с наибольшим фототоком для фотометра без ослабления пучка. 1723455 При этом динамический диапазон фогометра зз счет увеличения в К раз минимгльного напряжения увеличивается. При неизменной пороговой чувствительности это увеличение составило бы также К раз. Однако реальный выигрыш в увеличении динамического диапазону меньше ввиду увеличения чувствительности к импульсным помехам и возрастания напряжения шума резистора Roc в цепи обратной СВАЗИ, пролорционального Roc Импульсные помехи в измерительных цепях фотометра, содержащего микропроцессор, вызываются переключениями уровней сигналов шины интерфейса и постоянными обращениями микропроцессора к ЗУ и схеме аводз-вывода. По цепям общих проводов, питания, а также в виде электромагнитных наводок эти помехи проникают на вход предварительного усилителя. Для блокирования импульсных помех на время аналого-цифрового преобразования в предлагаемом фотометре реализована схема блокирования в виде дополнительного входа и выходов таймера, переводящего микропроцессор на время преобразования в состояние захвата, при котором его выводы переходят в высокоимпеденсное состояние и не производятся переключения уровней сигналов. Поскольку напряжение полезного сигнала увеличивается в К раз, а уровень шума в VK раз, соотношение сигнал-шум увеличивается в VKpas,Таким образом, динамический диапазон и точность фотометра увеличивается в ч/К~раз. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии в ЗУ 17 записаны программы, соответствующие выполнявмым функциям прибора: "Установка светофильтра", "Измерение сигнала", "Обработка результатов измерений". С помощью внешнего интерфейса 18 в .ЗУ 17 занесен код устанавливаемого светофильтра, Работа микропроцессора 13 синхронизируется сигналами с первого выхода генератора 16. На вход тактовых импульсов АЦП 12 с выхода таймера 14 поступают им- ' пульсы с второго выхода генератора 16 с частотой, определяемой коэффициентом деления 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 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ввода-вывода. Второй дополнительный выход таймера запрограммирован на выдачу импульса захвата микропроцессора с длительностью не менее длительности цикла преобразования АЦП по поступлению имлульсз на дополнительный вход таймера. Устройством 10 формирования пучка формируется световой поток, поступающий на исследуемый образец 11 и далее через один из светофильтров 7 с ослабителем 8 из набора 6 на фотопр^емкик 2. где преобразуется в фототок. Протекая через резистор 4 в цепи обратной связи предварительного усилителя 3, фототок преобразуется а напряжение, поступающее на вход схемы регистрации 5 и вход программируемого усилителя 20. который через схему 15 вводавывода, іііину 19 интерфейса запрограммирован микропроцессором 13 на исходный коэффициент усиления, например, единичный. Усиленный сигнал с выхода программируемого усилителя 20 поступает на сигнальный вход АЦП 12, где по команде запуска с третьего дополнительного выхода таймера 14 и тактовым сигналам с его первого выхода прообразуется в код П, По оконмании цикла п р е о б р а з о в а н и я код измерительного сигнала с выхода АЦП 12 через схему 15 ввода-вывода и шину 19 интерфейса поступает в микропроцессор 13. Работа фотометра начинается с установки микропроцессором 13 через шину 19 интерфейса, схему 15 ввода-вывода и схему 9 установки светофильтра, светофильтра необходимого для выполняемых измерений, из состава набора 6. После этого микропроцессор 13 через шины 19-интерфейса, схему 15 ввода-вывода подбирают необходимый для выполмяемого измерения косффициентусиления, при котором обеспечивается оптимальный для АЦП 12 уровень входного сигнала, например не менее поіовиньї максимального напряжения. 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 поступает на вход запуска АЦП 12, по которому АЦП начинает цикл преобразования. Одновременно с второго дополнительного выхода таймера 14 из вход захвата микропроцессора 13 поступает сигнал захвата, переводящий микропроцессор в состояние захвата на врег/я аналого-цифрового преобразования. По окончании импульса захвата микропроцессор 13 через шину 19 интерфейса и схему 15 ввода-вывода принимает с выхода 1723455 10 цепи обратной связи и схему регистрации, АЦП, завершившего преобразование, код содержащую программируемый усилитель, измеренного сигнала. После набора задананалого-цифровой преобразователь, гененого программой числа измерении микроратор, а также микропроцессор, запоминапроцессор обрабатывает их и через шину 19 интерфейса и внешний интерфейс 18 выда- 5 ющее устройство, таймер, схему ввода-вывода и внешний интерфейс, соедиет результат измерений. ненные посредством шины интерфейса, причем первый и второй выходы генератора Формула изобретения соединены с первыми входами соответст1. Способ определения оптических характеристик образца, заключающийся в ос- 10 венно микропроцессора и таймера, первый выход которого соединен с первым входом вещении исследуемого образца потоком аналого-цифрового преобразователя, втоизлучения, выделении требуемого спектрой вход которого соединен с выходом прорального диапазона прошедшего излучения, граммируемого усилителя, выход формирования фототока, пропорционального интенсивности прошедшего излуче- 15 аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом схемы ввода-вывода, ния, преобразования фототока в напряжепервый выход которой соединен со схемой ние и регистрации напряжения, от л ичаюустановки светофильтров, а второй - с перщ и й с я тем, что, с целью расширения вым входом программируемого усилителя, динамического диапазона и повышения точности измерений, предварительно в отсут- 20 второй вход котороіо соединен с выходом предварительного усилителя, о т л и ч а ю ствии образца определяют спектральный щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазон освещающего потока излучения с динамического диапазона и повышения точминимальным значением фототокз, затем ности измерений, последовательно с кажослабляют потоки излучения в остальных дым светофильтром, за исключением спектральных диапазонах до уравнивания 25 одного, спектральный диапазон которого соответствующего значения фототока с мисоответствует минимальному значению фонимальным, а напряжение па входе схемы тотокз, установлен сменный ослабитель, регистрации устанавливают максимально таймер снабжен дополнительными входом допустимым. и двумя выходами, а схема ввода-вывоца 2. Устройство для определения оптиче- 30 дополнительным выходом, резистор в цепи ских характеристик образца, содержащее обратной связи предварительного усилитепоследовательно установленные оптичеля выполнен подстроенным, дополнительский блок, включающий устройство форминый вход таймера соединен с рования пучка излучения, по ходу лучей дополнительным выходом схемы ввода-выкоторого последовательно установлены кю- 35 вода, а первый дополнительный выход тайвета для исследуемого образца и блок свемера соединен с входом запуска тофильтров со схемой их установки, аналого-цифрового преобразователя, а втофотоприемник, соединенный с входом рой - с входом захвата микропроцессора. предварительного усилителя с резистором в 40 45 50 55 1723455 /0 r, - • Д . .* •I \2O ?$>{ 1Z 40 50 Редактор О. Спесивых Составитель А. Ястребов Техред М.Моргентал Корректор Н. Король Заказ 1059 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101