лазерный дозиметр (варианты)

Формула изобретения

1. Лазерный дозиметр для измерения облученности, содержащий последовательно соединенные сменное фотоприемное устройство, блок обработки сигналов при измерении облученности, отличающийся тем, что дозиметр дополнительно содержит дисплей, клавиатуру и последовательно соединенные блок автоматического переключения диапазонов, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, блок управления и блок усилителя-формирователя, причем блок обработки сигналов своим выходом связан с блоком автоматического переключения диапазонов, блок автоматического переключения диапазонов вторым выходом - с микроконтроллером, а вторым входом - с блоком усилителя-формирователя, аналого-цифровой преобразователь вторым входом - с микроконтроллером, микроконтроллер третьим входом - с блоком усилителя-формирователя, третьим выходом - с дисплеем, а третьим входом - с клавиатурой, блок управления вторым выходом - с блоком обработки сигналов.

2. Лазерный дозиметр для измерения энергетической экспозиции, содержащий последовательно соединенные сменное фотоприемное устройство, блок обработки сигналов при измерении энергетической экспозиции, отличающийся тем, что дозиметр дополнительно содержит дисплей, клавиатуру и последовательно соединенные блок автоматического переключения диапазонов, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, блок управления и блок усилителя-формирователя, причем блок обработки сигналов своим входом и выходом связан с блоком автоматического переключения диапазонов, блок автоматического переключения диапазонов вторым выходом - с микроконтроллером, а вторым входом - с блоком усилителя-формирователя, аналого-цифровой преобразователь вторым входом - с микроконтроллером, микроконтроллер третьим входом - с блоком усилителя-формирователя, третьим выходом - с дисплеем, а третьим входом - с клавиатурой, блок управления вторым выходом - с блоком обработки сигналов, блок усилителя-формирователя входом и выходом - с блоком обработки сигналов.

3. Лазерный дозиметр по п.1 или 2, отличающийся тем, что блок автоматического переключения диапазонов содержит три усилителя, два пороговых устройства, два элемента памяти, два мультиплексора и усилитель-повторитель, причем три усилителя соединены параллельно, а первый мультиплексер, усилители, два пороговых устройства и второй мультиплексер - последовательно, выход первого мультиплексера подключен ко входам усилителей, три входа второго мультиплексера подключены к выходам трех усилителей, четвертый и пятый входы - к двум элементам памяти, выходы - к усилителю-повторителю.

4. Лазерный дозиметр по п.1 или 2, отличающийся тем, что блок усилителя-формирователя содержит усилитель переменного тока, три мультиплексера, пороговое устройство, схему ИЛИ, генератор, формирователь выдержки, формирователь импульса синхронизации и инвертор, причем первый мультиплексер, усилитель переменного тока, пороговое устройство, второй мультиплексер и два формирователя соединены последовательно, вход второго мультиплексера подсоединен к выходу генератора, второй вход формирователя выдержки - к третьему мультиплексеру, а выход инвертора - к выходу второго мультиплексера.

5. Лазерный дозиметр по п.1, отличающийся тем, что блок обработки сигналов содержит усилитель, два мультиплексера, причем выходы усилителя подключены к выходам мультиплексеров.

6. Лазерный дозиметр по п.2, отличающийся тем, что блок обработки сигналов содержит усилитель, устройство переключения входных нагрузок, интегратор и ключ, причем устройство переключения входных нагрузок, усилитель, интегратор соединены последовательно, а выход ключа подключен к интегратору.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к приборам, предназначенным для измерения энергетических параметров отраженного и рассеянного лазерного излучения при эксплуатации лазерных изделий в целях гигиены и санитарии службами техники безопасности, органами Государственного санитарного надзора, органами, проводящими испытания и сертификацию предприятий, организациями и медицинскими учреждениями.

Сущность дозиметрического контроля лазерного излучения заключается в измерении параметров излучения в заданной точке пространства и сравнении полученных значений плотности мощности непрерывного излучения, плотности энергии импульсного (импульсно-модулированного) излучения или энергетической яркости рассеянного излучения со значениями соответствующих предельно допустимых уровней (ПДУ), установленных "Санитарными правилами при работе с лазерами" (СНИП).

Оценка степени опасности лазерного излучения осуществляется путем его дозиметрического контроля в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.031.

Известен лазерный дозиметр с автоматической компенсацией фонового света, сущность которого заключается в следующем. Лазерный дозиметр содержит фотоприемник, источник напряжения смещения, интегрирующую RC-цепь, усилитель напряжения, блок памяти, содержащий первый компаратор, ключ памяти, запоминающий конденсатор, первый повторитель напряжения, регистратор и вновь введенные первый ключ сброса, источник компенсирующего напряжения, ключ компенсации, третью RC-цепь, второй повторитель напряжения, второй ключ сброса, вторую RC-цепь, второй компаратор, дифференцирующую RC-цепь, ждущий мультивибратор, а в блок памяти введена первая RC-цепь с соответствующими связями (1).

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является лазерный дозиметр ИЛД-2. Схему прибора составляют сменные фотоприемные устройства с рабочими спектральными диапазонами 0,49...1,15, 2...11 мкм соответственно, электронный блок преобразования и регистрации (БПР), состоящий из блока обработки сигнала, в который входят интегратор, усилитель и схема фиксации нулевого уровня, блока усилителя-формирователя, в который входят блок импульса, преобразователь временного интервала, измеритель амплитуды. Фотоприемное устройство составляют ослабитель излучения, кремниевый фотодиод, блок сменных ослабителей и фотоприемник (2).

Однако, указанный дозиметр достаточно громоздкий, выполнен на устаревшей элементарной базе, неудобен в повседневной эксплуатации из-за сложности управления. Прибор индицирует текущее значение облученности или энергетической экспозиции на рабочем месте, не проводя их сравнение с нормами ПДУ, не измеряя суммарную дозу облучения в течение всего рабочего времени.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности и скорости измерений следующих параметров лазерного излучения: энергетической экспозиции от импульсного излучения; облученность от непрерывного и высокочастотного импульсно-модулированного излучения; частоты импульсов излучения; времени воздействия, а также создание малогабаритного прибора, работающего в реальном масштабе времени.

Для решения поставленной задачи предлагается следующее.

В лазерном дозиметре для измерения облученности, содержащем последовательно соединенные сменное фотоприемное устройство, блок обработки сигналов при измерении облученности, а также блок усилитель-формирователь, дополнительно предусмотрен дисплей, клавиатуру и последовательно соединенные блок автоматического переключения диапазонов, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, блок управления и блок усилителя-формирователя, причем блок обработки сигналов своим выходом связан с блоком автоматического переключения диапазонов, блок автоматического переключения диапазонов вторым выходом - с микроконтроллером, а вторым входом - с блоком усилителя-формирователя, аналого-цифровой преобразователь вторым входом - с микроконтроллером, микроконтроллер третьим входом - с блоком усилителя-формирователя, третьим выходом - с дисплеем, а третьим входом - с клавиатурой, блок управления вторым выходом - с блоком обработки сигналов.

В лазерном дозиметре для измерения энергетической экспозиции, содержащий последовательно соединенные сменное фотоприемное устройство, блок обработки сигналов при измерении энергетической экспозиции, а также блок усилитель-формирователь, дополнительно предусмотрен дисплей, клавиатуру и последовательно соединенные блок автоматического переключения диапазонов, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, блок управления и блок усилителя-формирователя, причем блок обработки сигналов своим входом и выходом связан с блоком автоматического переключения диапазонов, блок автоматического переключения диапазонов вторым выходом - с микроконтроллером, а вторым входом - с блоком усилителя-формирователя, аналого-цифровой преобразователь вторым входом - с микроконтроллером, микроконтроллер третьим входом - с блоком усилителя-формирователя, третьим выходом - с дисплеем, а третьим входом - с клавиатурой, блок управления вторым выходом - с блоком обработки сигналов, блок усилителя-формирователя входом и выходом - с блоком обработки сигналов.

Дополнительно предусмотренные блоки автоматического переключения диапазонов и усилителя-формирователя в дозиметрах для измерения облученности и энергетической экспозиции выполнены следующим образом.

Блок автоматического переключения диапазонов дозиметров содержит три усилителя, два пороговых устройства, два элемента памяти, два мультиплексора и усилитель-повторитель, причем три усилителя соединены параллельно, а первый мультиплексор, усилители, два пороговых устройства и второй мультиплексор - последовательно, выход первого мультиплексора подключен ко входам усилителей, три входа второго мультиплексора подключены к выходам трех усилителей, четвертый и пятый входы - к двум элементам памяти, выход - к усилителю-повторителю.

Блок усилителя-формирователя дозиметров содержит усилитель переменного тока, три мультиплексора, пороговое устройство, схему ИЛИ, генератор, формирователь выдержки, формирователь импульса синхронизации и инвертор, причем первый мультиплексор, усилитель переменного тока, пороговое устройство, второй мультиплексор и два формирователя соединены последовательно, вход второго мультиплексора подсоединен к выходу генератора, второй вход первого формирователя - к третьему мультиплексору, а вход инвертора - к выходу второго мультиплексора.

Кроме того, дозиметры отличаются выполнением блока обработки сигналов.

Блок обработки сигналов дозиметра для измерения облученности содержит усилитель, два мультиплексора, причем входы усилителя подключены к выходам мультиплексоров.

Блок обработки сигналов дозиметра для измерения энергетической экспозиции содержит усилитель, устройство переключения входных нагрузок, интегратор и ключ, причем устройство переключения входных нагрузок, усилитель, интегратор соединены последовательно, а выход ключа - к интегратору.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена блок-схема дозиметра для измерения облученности; на фиг. 2 - блок-схема дозиметра для измерения энергетической экспозиции; на фиг. 3 - пример выполнения узла преобразования и регистрации сигналов, где - сигнал переключения длины волны; ФПУ E - разъем для подключения ФПУ (фотоприемного устройства) при измерении облученности; ФПУ H - разъем для подключения ФПУ при измерении энергетической экспозиции; H-E - сигнал переключения типа излучения; _и - сигнал переключения длительности импульса; РЕГ - значение облученности или энергетической экспозиции; ДИАП - код диапазона измерения; СИНХ - готовность данных; C - синхронизация; D - код управления.

Предлагаемый лазерный дозиметр для измерения облученности (фиг. 1) содержит узел преобразования и регистрации сигналов (УПР), который образуют последовательно соединенные блок обработки сигналов при измерении облученности (БОС E) 1, блок автоматического переключения диапазонов 2 (БАП), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, микроконтроллер (МК) 4, блок управления (БУ) 5 и блок усилителя-формирователя (БУФ) 6; сменное фотоприемное устройство (ФПУ) 7 для работы в спектральном диапазоне с различными длинами волн (0,49-1,15 мкм, 1,15-1,8 мкм и 2-11 мкм); и связанные с микроконтроллером 4 своим входом дисплей 8 и своим выходом клавиатура 9.

Предлагаемый дозиметр для измерения энергетической экспозиции (фиг. 2) содержит узел преобразования и регистрации сигналов (УПР), который образуют последовательно соединенные блок обработки сигналов при измерении энергетической экспозиции (БОС Н) 1, блок автоматического переключения диапазонов 2 (БАП), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, микроконтроллер (МК) 4, блок управления (БУ) 5 и блок усилителя-формирователя (БУФ) 6; сменное фотоприемное устройство (ФПУ) 7 для работы в спектральном диапазоне с различными длинами волн (0,49-1,15 мкм, 1,15-1,8 мкм и 2-11 мкм); и связанные с микроконтроллером 4 своим входом дисплей 8 и своим выходом клавиатура 9.

Узел преобразования и регистрации УПР (фиг. 3) конструктивно выполнен в виде портативного блока, на лицевой панели которого расположен дисплей 8 для отображения информации и клавиатура 9 для управления работой дозиметра.

Блок обработки сигналов при измерении облученности (БОС E) 1 своим выходом связан с блоком автоматического переключения диапазонов 2, блок автоматического переключения диапазонов 2 своим вторым входом - с блоком усилителем - формирователем 6, а вторым выходом - с микроконтроллером 4, аналого-цифровой преобразователь 3 - своим вторым входом с микроконтроллером 4, микроконтроллер - третьим входом с блоком усилителя-формирователя 6, блок управления 5 - своим вторым выходом с блоком обработки сигналов 1.

Блок обработки сигналов при измерении энергетической экспозиции (БОС H) 1 своим входом и выходом связан с блоком автоматического переключения диапазонов 2, блок автоматического переключения диапазонов 2 своим вторым входом - с блоком усилителем - формирователем 6, а вторым выходом - с микроконтроллером 4, аналого-цифровой преобразователь 3 - своим вторым входом с микроконтроллером 4, микроконтроллер - третьим входом с блоком усилителя-формирователя 6, блок управления 5 - своим вторым выходом с блоком обработки сигналов 1, блок управления-формирователя - своим входом и выходом с блоком обработки сигналов 1.

При работе в различных поддиапазонах применяются сменные фотоприемные устройства.

Фотоприемное устройство ФПУ-1 предназначается для работы в спектральном диапазоне 0,49-1,15 мкм. При работе в поддиапазонах 10^-6-10^-4 Вт/см² и 10^-8-10^-6 Дж/см² ФПУ-1 комплектуется входной блендой Б.

При работе в поддиапазонах 10^-4-10^-2 Вт/см² и 10^-6-10^-4 Дж/см² ФПУ-1 комплектуется преобразователем масштабным сетчатым ПМС, коэффициент ослабления которого равен 10010.

Фотоприемное устройство ФПУ-2 предназначается для работы в спектральном диапазоне 1,15 - 1,8 мкм. При работе в поддиапазонах 10^-5-10^-3 Вт/см² и 10^-8-10^-6 Дж/см² ФПУ-2 комплектуется входной блендой Б. При работе в поддиапазонах 10^-3-10^-1 Вт/см² и 10^-6-10^-4 Дж/см² ФПУ-2 комплектуется преобразователем масштабным сетчатым ПМС.

Фотоприемное устройство ФПУ-3 предназначается для работы в спектральном диапазоне 2-11 мкм. При работе в поддиапазонах 10^-1-1 Вт/см² и 10^-3-10^-1 Дж/см² ФПУ-3 комплектуется преобразователем масштабным диафрагмирующим ПМД с коэффициентом ослабления 10010.

При измерении облученности от непрерывного излучения фотоприемные устройства подключаются к разъему ФПУ E, а при измерении энергетической экспозиции от импульсного излучения к разъему ФПУ H. Разъемы расположены на боковой поверхности УПР.

Блок обработки сигналов (БОС H) 1 позволяет при импульсном излучении проводить автоматическую коррекцию сигнала на величину шумового фонового излучения (автоматическая коррекция фона) и детектировать импульсный сигнал в постоянное напряжение, пропорциональное энергии излучения.

БОС H содержит усилитель 10 устройство переключения входных нагрузок 12, интегратор 16 и ключ 17. Причем устройство переключения входных нагрузок 12, усилитель 10, интегратор 16 соединены последовательно, а выход ключа 17 к интегратору.

БОС E содержит усилитель 11 и мультиплексоры 13, 14. Причем входы усилителя 11 подключены к мультиплексорам 13 и 14.

Блок автоматического переключения диапазонов (БАП) 2 содержит мультиплексор 15, усилители 18, 19 и 20, пороговые устройства 21 и 22; элементы памяти (триггеры) 23 и 24; мультиплексор 25 и усилитель-повторитель 26. Причем усилители 18, 19 и 20 соединены параллельно, а с пороговыми устройствами 21, 22 и мультиплексором 25 соответственно последовательно, причем выход мультиплексора 15 соединен с входами усилителей 18, 19, 20. Кроме того, входы мультиплексора 25 подключены к усилителям 18, 19 и 20 и элементам памяти 23, 24, а выход - к усилителю-повторителем 26.

Блок усилителя-формирователя (БУФ) 6 выполнен в виде многокаскадного усилителя постоянного тока со специально подобранными коэффициентами усиления так, что при насыщении оконечного каскада усиления сигнал может сниматься с предыдущего каскада, что увеличивает динамический диапазон прибора.

БУФ содержит усилитель переменного тока 27, мультиплексоры 28,29 и 30, пороговое устройство 31, схему ИЛИ 32, генератор 33, формирователи выдержки 34 и формирователь импульса синхронизации 35, инвертор 36. Причем мультиплексор 28, усилитель переменного тока 27, пороговое устройство 31, мультиплексор 29, формирователь выдержки 34 и формирователь импульса синхронизации 35 соединены последовательно. Кроме того, вход мультиплексора 29 подключен к генератору 33, второй вход формирователя выдержки 34 - к мультиплексору 30, а вход инвертора 36 - к входу мультиплексора 29.

БОС E, БОС H и БУФ представляют собой блоки с электронным управлением режимами работ (выбор времени интегрирования, коэффициентов усиления и т.п. ), что делает возможным их управление от встроенного микроконтроллера.

Программа микроконтроллера (МК) 4 содержит в своем составе специальный алгоритм вычисления табличных уровней ПДУ, основанный на степенной апроксимации функций, что позволяет проводить вычисления в реальном масштабе времени и автоматическое сравнение результатов измерений с данными стандарта.

Вывод результатов осуществляется на двухстрочный графический дисплей 8 с управлением от микропроцессора, что позволяет выдавать текстовую информацию о длинах волн, измеренных допустимых уровнях и данных стандарта.

БОС H работает следующим образом.

В режиме измерения энергетической экспозиции импульс тока с ФПУ 7 поступает на вход усилителя 10. Входная цепь усилителя представляет собой RC цепочку. Постоянная времени заряда выбирается равной 310^-4 с. Сопротивления входной цепи переключаются в зависимости от диапазона длины волны излучения устройством 12. Усилитель 10 собран по неинвертирующей схеме на операционном усилителе. Коэффициент усиления усилителя равен 10. С выхода усилителя сигнал поступает на интегратор 16 и на усилитель 27 блока БУФ. С выхода интегратора 16 сигнал, соответствующий энергии импульса излучения, поступает на мультиплексор 15 БАП переключения режима измерения параметров импульсного или непрерывного излучения.

При измерении энергетической экспозиции интегратор 16 интегрирует только импульсный сигнал.

При действии на ФПУ 7 постоянной фоновой засветки интегратор устанавливается в нулевое состояние по выходу. Это достигается подключением цепи обратной связи через ключ 17 по цепи: выход интегратора 16, мультиплексор 15, инвертирующий усилитель 20. Управление ключом 17 в импульсном режиме происходит от БУФ. В режиме измерения облученности цепь обратной связи отключается ключом 17.

БОС E работает следующим образом.

Сигнал, соответствующий облученности от непрерывного излучения, поступает на мультиплексор 15 БАП с усилителя 11. На вход усилителя 11 поступает ток от ФПУ 7 при измерении облученности от непрерывного излучения. Усилитель 11 собран на операционном усилителе по инвертирующей схеме. Сопротивления входной цепи переключаются в зависимости от диапазона длин волн излучения мультиплексором 14. Мультиплексор 13 переключает сопротивления цепи балансировки усилителя 11 в зависимости от диапазона длин волн излучения.

БАП работает следующим образом. С выхода блока БОС H импульсный сигнал (при измерении энергетической экспозиции) или постоянный (при измерении облученности) с выхода блока БОС E поступают на мультиплексор 15 и выбираются сигналом H-E, а затем поступают одновременно на входы инвертирующих усилителей: 18 с коэффициентом усиления 1; 19 с коэффициентом усиления 10; 20 с коэффициентом усиления 100. Снятие выходного сигнала с усилителя 20 соответствует одному диапазону измерения, с усилителя 19 - второму диапазону, с усилителя 18 - третьему диапазону. С выхода усилителя 19 сигнал поступает на пороговое устройство 22, соответствующее нижнему порогу второго диапазона. С выхода усилителя 18 сигнал поступает на пороговое устройство 21, соответствующее нижнему порогу третьего диапазона. Пороговые устройства стробируются импульсом, вырабатываемым БУФ. С порогового устройства 21 сигнал управления поступает на элемент памяти 23. А с порогового устройства 22 на элемент памяти 24. В качестве элементов памяти используется RS триггер. Сброс в исходное состояние триггеров 23 и 24 происходит по импульсу, вырабатываемому БУФ. Триггеры 23 и 24 управляют мультиплексором 25, с выхода которого по команде управления с БУФ сигнал снимется либо с усилителя 18, либо с усилителя 19, либо - 20 в зависимости от состояния триггеров 23 и 24. С выхода мультиплексора 25 сигнал, соответствующий энергетической экспозиции или облученности поступает на усилитель-повторитель 26.

БУФ работает следующим образом.

Сигнал с выхода входного усилителя 10 БОС поступает на усилитель переменного тока 27. Параметры переходной цепи (дифференцирующая RC цепочка) изменяются переключением элементов при помощи мультиплексора 28. Мультиплексор управляется кодом _и (диапазон длительности входного импульса излучения). Коэффициент усиления усилителя 27 равен 100. С выхода усилителя 27 сигнал поступает на пороговое устройство 31. Порог срабатывания устанавливается равным 1/3 амплитуды сигнала при максимальной длительности и минимальной энергии импульса лазерного излучения. Далее с выхода порогового устройства 31 сигнал поступает на мультиплексор 29. На другой вход мультиплексора 29 поступает сигнал в виде импульсов длительностью 2 мс и скважностью 2. Мультиплексор управляется сигналом H-E (импульсный или непрерывный режимы), вырабатываемым БУ 5. Таким образом на входе мультиплексора формируется сигнал, соответствующий длительности и частоте повторения импульсов лазерного излучения в режиме H, либо сигнал с генератора 33 в режиме E. С выхода мультиплексора сигнал поступает на формирователь выдержки 34. Время выдержки устанавливается переключением времязадающих элементов формирователя 34 в зависимости от диапазона длительности импульсов лазерного излучения. Переключение происходит при помощи мультиплексора 30. В непрерывном режиме время выдержки устанавливается равным 100 мкс.

Для формирования импульса управления интегратором 16 служит инвертор 36, схема ИЛИ 32.

Для формирования импульса выборки для блока автоматического переключения диапазона БАП служит формирователь 35.

Блок управления БУ 5 служит для приема последовательных кодов управления и преобразования их в параллельные. БУ 5 принимает последовательное слово управления, в котором первый бит соответствует режиму H или E; второй, третий и четвертый биты соответствуют коду длины волны лазерного излучения; 5 и 6 биты соответствуют коду диапазона длительности импульсов лазерного излучения. Последовательный код слова управления и импульсы синхронизации поступают в БУ через элементы гальванической развязки, выполненных на оптопарах. Преобразование последовательного кода слова управления в параллельный происходит при помощи регистра сдвига.

Выходной сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Последовательность импульсов с выхода АЦП 3 поступает на микроконтроллер 4. На управляющие входы микроконтроллера 4 поступают потенциалы с клавиш управления 9, расположенных на лицевой панели дозиметра. К выходам микропроцессора подключен дисплей 8, предназначенный для отображения информации о режимах измерения, результатах измерения и результатах вычисления ПДУ. Микроконтоллер 4 запрограммирован таким образом, что с помощью клавиатуры на лицевой панели можно выполнить следующие функции:

1) индикацию текущего значения измеряемого параметра;

2) индикацию максимального значения измеряемого параметра;

3) индикацию значения измеренной дозы излучения;

4) индикацию вида контролируемого излучения: импульсное или непрерывное;

5) индикацию параметров контролируемого излучения: длины волны, длительность импульсов;

6) индикацию значения времени воздействия излучения;

7) индикацию измеренного значения частоты повторения импульсов;

8) индикацию вычисленного значения ПДУ либо в соответствии со СНИП N 5804-91, либо в соответствии со стандартом МЭК.

Микроконтроллер запрограммирован на определение результатов измерений с учетом значений относительной спектральной чувствительности фотодиодов на рабочих длинах волн излучения и с учетом коэффициента ослабления ПМС и ПМД. Микроконтроллер позволяет производить калибровку дозиметра путем введения в память необходимого калибровочного множителя.

Источники информации

1. Патент РФ N2051340, МКИ G 01 J 5/14, приоритет от 21.04.92.

2. Кириллов А.И., Морозов В.Ф., Устинов Н.Д. "Дозиметрия лазерного излучения", 1983 г., стр.70-72.