Способ определения оптических характеристик образца и устройство для его осуществления

(51 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ие Завод В,Рыбак,с харак- систему Для них й динаию являх харакщийся вбуем ого ровании ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБРАЗЦА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Способ определения оптических характеристик образца и фотометр для его осуществления. Использование: оптико- электронное 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,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, регистрируюуравнивая соответствующее предельное значение фототока с минимальным, а напряжение на выходе предварительного усилителя устанавливают пропорциональным отношению максимального предельного, значения фототока к минимальному. При этом последовательно с каждым светофильтром, за исключением светофильтра с наименьшим значением произведения интенсивности выделяемого пучка излучения на спектральную чувствительность фотоприемника, 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. щий по меньшей мере четыре луча терными длинами волн, усилитель и регистрации с микропроцессором. характерны низкая точность и узки мический диапазон измерений,Наиболее близким к изобретен ется способ определения оптически теристик образца, заключаю освещении образца, выделении тре спектрального интервала и форми20 25 30 35 50 55 фототока с последующим усилением и регистрации напряжения, пропорционального интенсивности прошедшего излучения, 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 устрой- ства являются узкий динамический диапазон, обусловленный большим разбросом предельных значений фототока в различных спектральных интервалах излучения и соответственно малым значением отношения наиболее низкого предела измерения к пороговой чувствительности схемы регистрации, Их низкая точность обуславливается малым соотношением сигнал-шум для минимального предела измерения, а также импульсными помехами во время аналого-цифрового преобразования, создаваемыми непрерывной работой микропроцессора,Например, при использовании в качестве источника света галогенной лампы, а в качестве фотоприемника фотоэлемента ф сигнал на его выходе на длине волны излучения 546 нм в 100 раз превышает сигнал на длине волны 300 нм. А поскольку динамический диапазон и точность устройства определяются отношением наиболее низкого предела измерения к величине порога чувствительности, большой разброс значений сигнала фотоприемника на разных длинах волн излучения сокращает на величину этого разброса используемый динамический диапазон регистрирующей схемы и снижает точность устройства.Величина порога чувствительности определяется значением напряжения шума и величиной наводок, обусловленных работой микропроцессора, на выходе калибровочного усилителя.Целью изобретения является расширение динамического диапазона и точности измерения.Поставленная цель достигается тем, что в способе определения оптических характеристик образца, заключающемся в освещении исследуемого образца потоком излучения, выделении требуемого спектрального интервала излучения, формировании фототока, пропорционального интенсивности прошедшего излучения, преобразовании фототока в напряженйе и регистрации напряжения, предварительно в отсутствии образца определяют спектральный диапазон освещающего потока излучения с минимальным значением фототока, затем ослабляют потоки излучения в остальных спектральных диапазонах до уравнивания соответствующего значения фототока с минимальныма напряжение на входе схемы регистрации устанавливают максимально допустимым.Поставленная цель достигается также тем, что в устройстве для определения оптических характеристик образца, содержащем последовательно установленные оптический блок, включающий 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 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 усилителя, выход АЦП соединен с первым входом схемы ввод-вывода, первый выход которой соединен со схемой установки светофильтров, 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 фототока, установлен сменный ослабитель, таймер снабжен дополнительными входом и двумя выходами, а схема авода-вывода - дополнительным выходом, оезистор в цепи обратной связи предварительного усилителя выполнен подстроечным, дополнительный вход таймера соединен с дополнительным выходом схемы ввода-вывода, а первый дополнительный выход таймера соединен с входом запуска АЦП, а второй - с входом захватамикропроцессора. 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 в цепи обратной связи, схему 5 регистрации.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 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 усилителя 20 является входом схемы 5 регистрации. Вход управления программируемого усилителя 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 15ввода-вывода, второй дополнительный выход - с входом захвата микропроцессора 13.Первый выход генератора 16 соединен свходом микропроцессора 13, а второй - свходом таймера 14, Первый выход схемы 15ввода-вывода соединен со схемой 9 установки светофильтров.Пропускание каждого ослабителя 8,прикрепленного, например, склейкой, перед светофильтром 7 из набора 6 выбранотаким образом, чтобы значение фототока навыходе фотоприемника 2 при отсутствии исследуемого образца 11 для всех светофильтров с ослабителями было приблизиТельноравно значению фототока для светофильтрас его минимальным значением. Перед этимсветофильтром ослабитель не устанавливается,Резистор 4 в цепи обратной связи предварительного усилителя 3 установлен такойвеличины, что выходное напряжение усилителя при отсутствии исследуемого образцаблизко к максимально допустимому для схемы регистрации.Устройство 10 формирования пучкаможет быть выполнено в виде галогеннойлампы накаливания и объектива с диафрагмами, формирующим параллельный пучокизлучения,Программируемый усилитель 20 можетбыть выполнен в виде операционного уси 35 Сущность способа состоит в том, чтопоток излучения в каждом спектральном интервале ослабляют, например, установкой ослабителя из нейтрального стекла, до уровня фототока спектрального интервала с ми нимальным его значением. Для этого вприведенном примере последовательно со светофильтром, выделяющим излучение с длиной волны, например, 546 нм устанавливают ослабитель с коэффициентом пропу скания 0,01, Таким образом, устанавливаютравные 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 вК=ОвахОви55 где Оаах - мксимальное входное напряжение схемы регистрации, равное предельному напряжению спектрального интервала с наибольшим фототоком для фотометра без ослабления пучка. 5 10 15 20 25 30 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 источника света и фотоприемника. Максимальное напряжение на выходе калибровочного усилителя соответствует максимальному фото- току. Это напряжение путем установки соответствующего значения сопротивления в цепи обратной связи устанавливают равным максимальному входному напряжению схемы регистрации. При большом разбросе фототока предельное напряжение на длине волны излучения 300 нм может быть в 100 раз меньше, чем в диапазоне 500-600 нм. Динамический диапазон фотометра Д равенОвиОпоргде Оюп - минимальное предельное напряжение для данного примера, на длине волны излучения 300 нм;Опор пороговая чувствительность фотометра.При этом динамический диапазон фото- метра за счет увеличения в К раз минимального напряжения увеличивается. При неизменной пороговой чувствительности это увеличение составило бы также К раз. Однако реальный выигрыш в увеличении динамического диапазон 9 меньше ввиду увеличения чувствительности к импульсным помехам и возрастания напряжения шума резистора Вос в цепи обратной связи, пропорционального Кос,Импульсные помехи в измерительных цепях фотометра, содержащего микропроцессор, вызываются переключениями уровней сигналов шины интерфейса и постоянными обращениями микропроцессора к ЗУ и схеме ввода-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 /К раз, соотношение сигнал-шум увеличивается в УК раз. Таким образом, динамический диапазон и точность фотометра увеличивается в /К раз.Устройство работает следующим образом.В исходном состоянии в ЗУ 17 записаны программы, соответствующие выполняемым 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 импульсы 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 ввода-вывода, Второй дополнительный выход таймера запрограммирован на выдачуимпульса захвата микропроцессора с длительностью не менее длительности цикла5 преобразования АЦП по поступлению импульса на дополнительный вход таймера.Устройством 10 формирования пучкаформируется световой поток, поступающийна исследуемый образец 11 и далее через10 один из светофильтров 7 с ослабителем 8 изнабора 6 на фотоприемник 2, где преобразуется в фототок. Протекая через резистор4 в цепи обратной связи предварительногоусилителя 3, фототок преобразуется в на 15 пряжение, поступающее на вход схемы регистрации 5 и вход программируемогоусилителя 20, который через схему 15 вводавывода, шину 19 интерфейса запрограммирован микропроцессором 13 на исходный20 коэффициент усиления, например, единичньй, Усиленный сигнал с выхода программируемого усилителя 20 поступает насигнальный вход АЦП 12, где по командезапуска с третьего дополнительного выхода25 таймера 14 и тактовым сигналам с его первого выхода преобразуется в код П, По окончании цикла преобразования кодизмерительного сигнала с выхода АЦП 12через схему 15 ввода-вывода и шину 19 ин 30 терфейса поступает в микропроцессор 13.Работа фотометра начинается с установки микропроцессором 13 через шину 19интерфейса, схему 15 ввода-вывода и схему9 установки светофильтра, светофильтра не 35 обходимого для выполняемых измерений,из состава набора 6.После. этого микропроцессор 13 черезшины 19 интерфейса, схему 15 ввода-.вывода подбирают необходимый для выполняе 40 мого измерения коэффициентусиления, прикотором обеспечивается оптимальный дляАЦП 12 уровень входного сигнала, например не менее половины максимального напряжения,45 Через шину 19 интерфейса, схему 15ввода-вывода на дополнительный вход таймера 14 микропроцессор 13 подает командузапуска АЦП. С первого дополнительноговыхода таймера 14 сигнал запуска поступа 50 ет на вход запуска АЦП 12, по которому АЦПначинает цикл преобразования, Одновременно с второго дополнительного выходатаймера 14 на вход захвата микропроцессора 13 поступает сигнал захвата, переводя 55 щий микропроцессор в состояние захватана время аналого-цифрового преобразования,По окончании импульса захвата микропроцессор 13 через шину 19 интерфейса исхему 15 ввода-вывода принимает с выхода10 1723455 45 50 55 АЦП, завершившего преобразование, код измеренного сигнала. После набора заданного программой числа измерений микропроцессор обрабатывает их и через шину 19 интерфейса и внешний интерфейс 18 выда ет результат измерений,Формула изобретения1. Способ определения оптических характеристик образца, заключающийся в ос вещении исследуемого образца потоком излучения, выделении требуемого спектрального диапазона прошедшего излучения, формирования фототока, пропорционального интенсивности прошедшего излуче ния, преобразования фототока в напряжение и регистрации напряжения, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью расширениядинамического диапазона и повышения точности измерений, предварительно в отсут ствии образца определяют спектральный диапазон освещающего потока излучения с . минимальным значением фототока, затем ослабляют потоки излучения в остальных спектральных диапазонах до уравнивания 25 соответствующего значения фототока с минимальным, а напряжение на входе схемы регистрации устанавливают максимально допустимым.2. Устройство для определения оптиче ских характеристик образца, содержащее последовательно установленные оптический блок, включающий устройство формирования пучка излучения, по ходу лучей которого последовательно установлены кю вета для исследуемого образца и блок светофильтров со схемой их установки, фотоприемник, соединенный с входом предварительногоусилителя с резистором в40 цепи обратной связи 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 преобразователя, второй вход которого соединен с выходом программируемого усилителя, выход аналого-циФрового преобразователя соединен с первым входом схемы ввода-вывода, первый выход которой соединен со схемой установки светофильтров, а второй - с первым входом программируемого усилителя, второй вход которого соединен с выходом предварительного усилителя, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с. целью расширения динамического диапазона и повышения точности измерений, последовательно с каждым светофильтром, за исключением одного, спектральный диапазон которого соответствует минимальному значению фототока, установлен сменный ослабитель, таймер снабжен дополнительными входом и двумя выходами, а схема ввода-вывода - дополнительным выходом, резистор в цепи обратной связи предварительного усилителя выполнен подстроечным, дополнительный вход таймера соединен с дополнительным выходом схемы ввода-вывода, а первый дополнительный выход таймера соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, а второй - с входом захвата микропроцессора.17234555Составитель А. Ястребоведактор О. Спесивых Техред М.Моргентал Коррероаказ 1059 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 10