Устройство для измерения интенсивности линии в оптическом спектре

СОЮЗ СОВЕТСНИХ,СОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН д 5 р" О 3 3/4 ОПИСАНИЕ ИЭОБРЕТЕНИК А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ оваленк др. Скороометркая про 22-25. о СССР2, 1983. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР 1(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ЛИНИИ В ОПТИЧЕСКОМ СПЕКТРЕ (57) Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению. Цель изобретения является повышение временного разрешения. Основой. устройства является монохроматор с электромагнитным приводом 5, выходной щелью 7 и вспомогательными выходными щелями 8 и 9. Эти вспомогательные щели размещены так, что выделяют участки спектра, опережаю3 1509625 щие и запаздывающие относительно щели 7. За каждой щелью установлены фотоприемники 10-12, Фотоприемники 11 и 12 подключены к блоку 14 формирования команд, который позволяет осуществить поиск внутри спектрального интервала, задаваемого блоком.19 установки границ измерений.Электромагнитным приводом 5 управ ляется блок 21 . На регистраторе 23 одновременно записываются интенсивность линии и информация о текущей длине волны, поступающая с устройства 22 градуировки, Временная разрешающая способность устройства регламентируется постоянной времени фотоприемника и регистратора, а также быстродействием схемы слежения за центром линни при максимальных скоростях смещения (10 нм/с.Ф Прибор настраивается на линию даже если в спектральный диапазон, охватываемый вспомогательными щелями, попадает только крыло линии, 4 ил, Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению,Целью изобретения является повышение временного разрешения.На фиг. 1 представлена блок-схемаустройства, на фиг. 2 - схема формирование команд точной настройки; нафиг. 3 - схема блока установки границ измерений; на фиг, 4 - схемаблока управления сканирующим устройс твом,Устройство содержит (фиг. 1) входную щель 1, коллиматор 2, диспергирующий элемент 3, плоское сканирую-щее зеркало 4 с электромагнитным 35приводом 5 сканирования, фокусирующий объектив 6, основную щель 7 (измерительного канала) и две вспомогательные щели 8 и 9 с фотоприемниками 10-12, двумя светоделителями 13, 40причем светоделители 13 вспомогательных щелей 8 и 9 установлены с возможностью выделения на них изображений участков спектра, смещенных всторону опережения (на щели 8) и 45запаздывания (на щели 9) по отношению к изображению на основной оптической щели 7 на равные спектральныеинтервалы, формирователь 14 командточной настройки, генератор 15, два 50логических элементв 2 И-ЗИ-ИЛИ 16 и17, реверсивный счетчик 18, блок 19установки границ измерений, КБ-триггер 20, блок 21 управления сканирующим устройством, устройство 22 для 55градуировки и регистратор 23, приэтом электрические выходы фотоприемников 11 и 12 соединены соответственно с первым и вторым входами формирователя 14 команд точной настройки, первый и второй выходы которого подключены к первым входам соответствующих логических элементов 2 И-ЗИ-ИЛИ 16 и 17, а третий - к пятым входам этих логических элементов, вторые и четвертые входы которых соединены с выходами генератора 15, и выходы - с соответствующими счетными входами реверсивного счетчика 18, выходы которого подключены к соответствующим входам блока 21 управления сканирующим устройством, подключенного выходом к электрическому входу электромагнитного привода 9 сканирования, и блока 19 установки границ измерений, первый и второй выходы которого соединены соответственно с К-и Я-входами КЯ-триггера 20, прямой вход которого подключен к третьему входу первого логического элемента 2 И-ЗИ-ИЛИ 16, а инверсный - к третьему входу второго логического элемента 2 И-ЗИ-ИЛИ 17. Электрический выход фотоприемника 10 соединен с первым входом регистратора 23, а электрический выход устройства 22 для градуировки - со вторым входом регистратора 23.Формирователь 14 команд точной настройки содержит (фиг.2) разностный сумматор 24, компараторы .25 и 26, 27 и 28 с источниками 29-32 опорного напряжения и два логических элемента 2 И 33 и 34, причем первый вход блока 14 соединен с первым (суммирующим)входом раэностного сумматора 24 и с неинвертирующим входом компаратора 25, инвертирующий вход которого соединен с выходом источника 29 опорного напряжения, второй вход35 5 150962 блока 24 соединен со вторым (вычитающим) входом разностного сумматора 24 и с неинвертирующим входом компаратора 26, инвертирующий вход5 которого соединен с выходом источника 30 опорного напряжения, выход разностного сумматора 24 соединен с неинвертирующим входом компаратора 27, инвертирующий вход которого соединен с выходом источника 31 опорного напряжения, и С инвертирующим входом компаратора 28, неинвертирующий вход которого соединен с выходом источника 32 опорного напряжения, выходы компараторов 27 и 28 соединены со вторыми входами соответствующих логических элементов 2 И 33 и 34, первый вход логического элемента 2 И 33 соединен с выходом компаратора 25 и первым входом элемента 2 ИЛИ-НЕ 35, выход которого является третьим выходом блока 14, первый вход логического элемента 2 И 34 соединен с выходом компаратора 26 и вторым входом 25 логического элемента 2 И 33 является ,первым выходом блока 14, а выход логического элемента 2 И элемента 34 является вторым выходом блока 14.Блок 18 установки границ измерений (фиг.3) состоит из преобразователя 36 кодов,.содержащего дешифратор 37 и логические элементы ИЛИ 38 и ИЛИ-НЕ 39, при этом входы дешифратора 37 являются входами блока 19, а выходы подключены к соответствующим входам логических элементов ИЛИ 38 и ИЛИ-НЕ 39, выходы логических элементов ИЛИ 38 соединены с входами переключателя 40, а выходы логических элементов ИЛИ-НЕ 39 - со входами переключателя 41, выходы пере 1ключателей 40 и 41 являются соответственно первым и вторым выходом блока 19.45Блок 21 управления сканирующим устройством (фиг,4) содержит цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 42, цифровые управляющие входы которого являются входами блока 21, источник 43 опорного напряжения, выход которого подключен к информационномувходу ЦАП 42, операционный усилитель 44, в обратную цепь которого включены аналоговый вход и выход ЦАП 42, усилитель 45 мощности, вход которого соединен с выходом операционного усилителя 44, а выход явля-.ется выходом блока 21. Совокупность 5 6элементов, состоящая цз ПАП 43 цоперационного усилителя 44, образует управляемый цифровой аттенюатор 46.Устройство 22 для градуировкн(фиг,1) состоит из источника 47излучения, конденсора 48, щелевойдиафрагмы 49, проекционного объектива 50, плоского сканирующего зеркала 51, жестко связанного со сканирующим зеркалом 4, плоского неподвижного зеркала 52, расположенногопротив сканирующего зеркала 51, коллиматора 53, матричного фотоприемника 54, подключенного выходом черезформирователь 55 к входам шифратора56, соединенного выходом со вторымвходом регистратора 23,Устройство работает следующим образом.Поток излучения через входнующель 1 поступает на коллиматор 2 ичерез диспергирующий элемент 3, плоское сканирующее зеркало 4, объектив6, светоделители 13 и выходную щель7 поступает на оптический вход фотоприемника 10 основного канала. Одновременно, отражаясь от светделителей13, поток излучения попадает на вспомогательные выходные щели 8 и 9 ифотоприемники 11 и 12, причем изображения на вспомогательных щелях 8и 9 смещены по длинам волн в сторону опережения (на щели 8) и в сторону отставания (на щели 9) по отношению к изображению спектра на основной щели 7 на равные спектральные интервалы Д Ъ,Процесс настройки устройства налинию разделяется на два этапа (режима) работы.На первом этапе осуществляетсяпоиск в автоматическом режиме линиивнутри спектрального интервала, границы которого устанавливаются оператором перед экспериментом при помощи переключателей 40 и 41 блока 19,на втором этапе - точная настройкаустройства на центр линии с последующим отслеживанием центра линиипри возникновении сдвигов положениямаксимума линии в процессе эксперимента. При этом возможен вариант,когда суперпозиция сигналов фотоприемников 11 и 12 такова, что устройство начинает работать сразу со второго этапа.При включении устройства начальное положение сканирующего элемен 1509625та - зеркала 4 определяется состоянием счетчика 18, произвольно устанагпивающимся при включении напряжения питания элементов схемы устройства. Цифровая комбинация с выходом счетчика 18 поступает на цифровой вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 42, включенного аналоговыми входом и выходом в цепь обратной связи операционного усилителя 44 и величина выходного сигнала операционного усилителя 44 однозначно определяется цифровым кодом, Выходной сигнал операционного усилителя 44 через усилитель 46 мощности поступает на электромагнитный привод 5 сканирования, который устанавливается в положение, соответствующее цифровому коду счетчика 18. Выбор режима, т,е, первый или второй этап работы устройства осуществляется блоком 14 по суперпозиции электрических сигналов фотоприемников 11 и 12, зависящей от распределения энергии на вспомогательных щелях 8 и 9, расположенных также как и щель 7 основного фотоприемника 10 в плоскости изображения спектра. В случае отсутствия линии или ее фрагментов внутри спектрального интервала 2 ЬЪ = Ъ- Ъ соответствующего расположению вспомогательных щелей 8 и 9, выходы компараторов 25 и 26 находятся в состоянии логического нуля, выход логического элемента 2 ИЛИ-НЕ 35 - в состоянии логической единицы, выходы логических элементов 2 И 33 и 34 в состоянии.логического нуля и импульсы с выхода генератора 15 поступают на соответствующийвход счетчика 18 (суммирующий иливычитающий) через один из логическихэлементов 2 И-ЗИ-ИЛИ 16 или 17 в зависимости от состояния выходов КБтриггера 20, Направление вращениясканирующего зеркала 4 определяетсяначальным состоянием выходов КБ-триггера 20, при этом импульсы с выходагенератора 15 поступают на суммирующий или вычитающий вход счетчика 18.Импульсы с выходов счетчика 18 поступают в блок 21 управления сканирующим устройством. Изменение выходного напряжения блока 21 вызываетсоответствующее изменение положениясканирующего зеркала 4. Одновременновыходные импульсы счетчика 18 поступают на преобразователь 36 кодов, на 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 выходах которого формируется позиционный код, соответствующий положению сканирующего зеркала 4 в текущий момент времени. При совпадениипозиционного кода на выходах преобразователя 36 кодов с положениемсоответствующего переключателя 40или 41 на К- или Б-вход КБ-триггера 20 поступает сигнал, изменяющийего состояние, что вызывает переключение счетных входов (суммирующего,или вычитающего) счетчика 18 исоответствующее изменение приращения выходных цифровых значений наего выходы. Последнее вызывает реверс движения сканирующего устройства 5. Процесс сканирования во всемдиапазоне, заданном оператором, вслучае отсутствия линии или ее фрагментов продолжается непрерывно вплотьдо появления линии в интервале длинволн заданном оператором,Появление линии (или ее фрагментов)в заданном спектральном интервале вызывает переход одного из компараторов 25 и 26 или обоих этих компараторов (если изображение линии появилось вблизи щелей вспомогательныхфотоприемников 11 и 12) в единичноесостояние. При этом выход логического элемента ИЛИ-НЕ 35 устанавливается в состояние логического нуля иподсхемы.ЗИ обоих логических элементов 2 И-ЗИ-ИЛИ 16 и 17 блокируются,т.е, выходные импульсы генератора 15не могут проходить на счетные входысчетчика 18 независимо от состоянияКЯ-триггера 20, Дальнейшее управление направлением движения сканирующего устройства осуществляется только блоком 14, В зависимости от соотношения сигналов фотоприемников 11 и12 выходной сигнал разностного сумматора 24 может иметь положительнуюили отрицательную полярность, Приэтом срабатывает один из компараторов27 или 28 и выходной сигнал этогокомпаратора через соответствующий логический элемент 2 И 33 или 34 поступает на первый вход соответствующего логического элемента ЗИИ-ИЛИ16 или 17 и выходные импульсы генератора 15 направляются на соответствующий счетный (суммирующий иливычитающий) вход счетчика 18. Изменяющаяся выходная цифровая комбинация счетчика 18 преобразуется блоком21 и вызывает изменение положениясканирующего зеркала 4 до тех пар,пока сигналы с выходов фотоприемников 11 и 2 не станут равны по величинеВ этом случае сигнал с выхода5разностного сумматора 24 становитсяменьше напряжения срабатывания компараторов 27 и 28, а выходы обоихкомпараторав устанавливаются в сос -таяние логического нуля, на первыевходы логических элементов ЗИИ-ИЛИ16 и 17 поступает уровень логическогонуля, блокирующий прохождение импульсов генератора 15 на счетныевходы счетчика 18. Установка линии 15на центр закончена,В случае последующего рассогласования в процессе эксперимента централинии с центром настройки щели 7 соответствующий компаратар 27 или 28 20подключает генератор 15 к соответствующему счетному входу счетчика 18и происходит подстройка на центрлинии,Дпя регистрации текущего значения 25длины волны световой поток источ-ника 47 излучения через конденсар38, щелевую диафрагму 49 и проекционный объектив 50 направляется наплоское сканирующее зеркало 51. После многократных отражений междуплоским сканирующим зеркалом 51 инеподвижным зеркалом 52 поток направляется коллиматором 53 на матричныйфотоприемник 54. Электрический сигнал матричного фотоприемника 54 через формирователь 55 и шифратор 56подается на второй вход регистратора23, на первый вход которого поступает сигнал фотоприемника 10. Такимобразом, в процессе экспериментарегистратором записывается интенсивность излучения в максимуме линии итекущее значение длины волны максимума, Следует отметить, что прибор 45автоматически настраивается на спектральную линию даже если первоначальноее максимум находится вне заданногооператором интервала, при условии,когда в указанный спектральный интервал попадает хотя бы крыло этойлинии.Временная разрешающая способностьустройства регламентируется постоян - бной времени фотоприемника (10 с)-би регистратора 10 с при использовании в качестве регистратора аналогово-цифрового преобразователя сцифровым оперативным запоминающим устройством или скоростного аналогового накалтеля на магнитной ленте с.амплитудна-модулированным каналам записи) и быстродействие системы слежения за центрам линии (10 с) при максимальных скоростях смещения центра линии (вследствие эффек гав Штарка или Допплера) относительно выходной щели в процессе псследова+ ний нестацианарных объектов =.1 О нм/с. ф о р м у л а и з а б р е т е н и я Устройство для измерения интенсивности линии в оптическом спектре, содержащее оптически связанные монохраматор, снабженнь 1 й электромагнитным приводом сканирования, устройством градуиравки, основной выходной щелью и первой и второй вспомогательными выходными щелями, установленными с возможностью выделения, участков спектра, смещенных в сторону опережения и запаздывания на равные спектральные интервалы па отношению к участку спектра, выделяемому основной выходной щелью, основной фотоприемник, установленный за основной выходной щелью, и первый и второй вспомогательные фотоприемники установленные за первой и второй вспомогательными выходными щелями соответственно, а также регистратор, соединенный с основным фотоприемником и устройством Градуировки а тл и ч а ю щ е е с я тем, чта, с целью повышения временного разрешения, устройство дополнительно содержит блок формирования команд точной настройки, снабженнь 1 й первым и вторым входами и первым, вторым и третьим выходами, генератор, первый и второй логические элементы 2 И-ЗИ-ИЛИ, ре. версивный счетчик, блок управления сканирующим элементом, снабженный кодовыми входами и выходом, блок установки границ измерений, снабженный кодовыми входами и первым и вторым выходами, и КБ-триггер, при этом первый и второй вспомогательные фотоприемники соединены с первым и вторым входами блока формирования команд точной настройки, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами первого и второго логических элементов 2 И-ЗИ-ИЛИ соответственно, генератор соединен с вторым и четвертым входами первого и второго логических элементов 2 И-ЗИ-ИЛИ1509 б 25 12 третий выход блока формирования команд точной настройки соединен с пяты; входом первого и второго логических элементов 2 И-ЗИ-ИЛИ, выходы которых соединены со счетными входамиреверсивного счетчика, выход реверсивного счетчика соединен с кодовыми входами блока управления скани -рующим элементом и блока установкиграниц измерений, первый и второй Фие, У С. ИвановКравчук ставител Техред Редакт Корректо ьева Тираж 46 б Подписное митета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С сква, Я, Раушская наб д, 4/5 инат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101 одственно-издательский к Пр аказ 5792/33НИИПИ Государственного к113035, М выходы блока установки границ измерений соединены соответственно с Ки Б-входом КБ-триггера, прямой выходкоторого соединен с третьим входомпервого логического элемента 2 И - ЗИ-ИЛИа инверсный - с третьим входом второго логического элемента 2 И-ЗИ-ИЛИ, выход блока управления сканирующим элементом соединен с электромагнитнымприводом сканирования.