专利名称:数字式光强分布测量仪的制作方法
本实用新型涉及一种测量光强及其分布的、特别是用于大专院校基础物理光学实验中测量光强及其分布的仪器。
大专院校基础物理光学实验中测量光强分布时，一般采用光点检流计作为光强测量的指示仪表，用测微显微镜基座上的测微装置作为手动扫描机构，扫描点的位置也由该测微装置的读数机构读出(如北京大学林抒、龚镇雄编《普通物理实验》一九八一年版第387页)。这样的测量装置结构简单，成本低廉。但是，一方面光点检流计因其机械结构的原因，即使桌面或地面受到微小振动，也会使光点检流计的光标左右晃动，从而影响准确迅速地读数；另一方面，测微装置的读数零点是固定的，所以只能读出某一扫描点的位置，而不能读出该点相对于某一选定基点的位移；并且在环境亮度要求较低的光学实验室，若不采取适当照明措施，就难于看清读数；此外，测微显微镜基座上安装的光强测量探头只能沿水平方向移动，在竖直方向的位置不能进行调节，这对于光路调节很不方便。一九八六年的《全国科学技术研究成果公报》中报导过一种“Z－80单板机相对光强分布测量显示系统”，它虽然具有数据的自动采集、运算和数字显示的功能，但该系统造价高，不易在基础物理光学实验中普及和推广。因此，至今大部分大专院校的基础物理光学实验仍采用第一种测量装置。
本实用新型的目的在于提供一种读数准确直观，测量结果直接用数字显示的测量光强及其分布的实验仪器。
本实用新型主要包括光强测量探头、光电脉冲式位移传感器和光强－位移数字显示系统。光电脉冲式位移传感器有一个基座，一根测微螺杆安装在基座上，一个光电开关固定在基座的末端，开有小孔的遮光板固定在测微螺杆上，遮光板的小孔应能通过光电开关，光强测量探头设置在与螺杆啮合的滑块上。光强——位移数字显示系统有光强测量数显通道和位移测量数显通道，光强测量数显通道由一个微电流放大器连接一块数字面板表构成，微电流放大器的输入端与光强测量探头的输出相连；位移测量数显通道由一个脉冲整形及形成电路连接一个计数、译码和数字显示电路构成，脉冲整形及形成电路的输入端与光电开关的输出相连。
为了便于光路调节，可在滑块上设置一个升降调节器，而将光强测量探头固定在升降调节器上，通过调节器就可改变探头在竖直方向的位置。
附图1是本实用新型的结构和工作示意图。
附图2是位移测量的自动辨向原理示意图。
附图3是光强测量的数字显示电路原理图。
附图4是位移测量的脉冲整形及形成电路的逻辑原理图。
附图5是位移测量的计数、译码和数字显示电路原理图。
下面结合附图描述本实用新型的实施例及工作情况。
在附图1所示的测量仪中滑块(8)上设置了升降调节器，升降调节器可有一个螺套(14)，与它配合的中空螺杆(9)的上端带有锁紧滑块(10)，一根支撑杆(11)穿过导向块(13)插入螺杆(9)中，导向块(13)用螺钉固定在滑块(8)上。光强测量探头(12)可以是一个前端面正中钻有小孔的园筒形光学屏蔽罩内装一只光敏二极管，光敏二极管的受光面正对小孔。探头(12)固定在支撑杆(11)上，旋转螺套(14)就可调节探头(12)的高度。光电开关可由插座(5)、光源(6)和两只光敏管(1)、(2)组成，光源(6)和光敏管(1、2)分别安装在插座(5)的两侧，两光敏管(1、2)的连线中点应与光源(6)在同一轴线上，将插座(5)固定到基座(15)上时，应使遮光板(4)的小孔能通过该轴线。光源(6)可采用6V3W的白炽小灯泡，两光敏管的型号可为3DU31。基座(15)的下部可做成滑块结构，以便与光具座配合，使安装拆卸方便。测微螺杆(7)的端部可带有手轮(3)。在测量光强分布时，转动手轮(3)，螺杆(7)即带动滑块(8)产生平移，光强测量探头(12)将随之移动而接收到不同点的光强，光强测量探头(12)产生的代表光强大小的电信号输入到微电流放大器(16)，被放大后送入数字面板表(17)实现光强的模／数(即A／D)转换并显示出光强的测量结果；手轮(3)的转动同时带动遮光板(4)旋转，遮光板(4)可以是一个在同一园周上均匀开有10个小孔的园盘，盘上的小孔依次在光电开关上的光源(6)和两光敏管(1)、(2)之间通过，光敏管(1)、(2)因时而受光照射，时而被遮光，将产生代表探头(12)的位移的光电脉冲，一个光电脉冲代表的位移量等于测微螺杆的螺距除以遮光板小孔的个数，这样就实现了位移的A／D转换。园盘正转时，光敏管(1)先受光照射，光敏管(2)后受光照射，如图2a)所示，它们产生的光电脉冲的位相就有超前和滞后的差别，其波形如图2b)所示；园盘反转时，情况与上相反，即光敏管(2)的光电脉冲超前于光敏管(1)的光电脉冲。该光电脉冲经过脉冲整形及形成电路(18)后，产生合符计数要求的计数脉冲、加－减计数控制脉冲和正负符号控制脉冲，再输入到计数、译码和数字显示电路(19)，即显示出位移的测量结果。
微电流放大器(16)可包括由场效应管和电阻构成的两个场效应管放大器、运算放大器及其输入保护电路和辅助调零电路以及负反馈电阻。如图3所示，两只二极管D3和D4反向并联接在运算放大器A的同相输入端和反相输入端之间，组成放大器A的输入保护电路；负反馈电阻Rf连在放大器A的反相输入端和输出端之间，改变它可以改变放大器A的闭环增益；三只电阻R1、R2、R3和电位器W以及两只二极管D1和D2一起构成辅助调零电路，两二极管D1与D2的连接处接零电位，由电位器W的滑动接点分出的电压经电阻R4连接到放大器A的同相输入端，对放大器A进行辅助调零；一场效应管放大器有一只场效应管BG1，它的栅极经电阻R7接到零电位，漏极接正电源V＋，源极经电阻R8接到另一场效应管放大器的场效应管BG2的漏极，该漏极并经电阻R9接放大器A的反相输入端，其源极经一电阻R6接负电源V－，其栅极经一电阻R5接负电源V－，还经屏蔽线与光强测量探头(12)里的光敏二极管相连，即光强测量探头输出的电信号由场效应管BG2的栅极输入。放大器A的输出与数字面板表(17)的输入相连，面板表(17)的电源由单电源V＋供给。两只场效应管BG1和BG2可选用参数比较一致的同一型号的管子，例如3DJ6，电阻R6和R8相等，电阻R5和R7相等。没有信号输入时，两只场效应管BG1和BG2的工作情况一样，C点电位为零电位，调节电位器W，使放大器A的同相输入端(＋)也为零电位，则放大器A的两输入端的输入信号为零，其输出电压也为零。若输出不为零则可调节电位器W使之为零。当光强测量探头(12)中的光敏二极管受光照射产生光电流时，该电流流经电阻R5产生的电压作为场效应管BG2的输入信号，经场效应管BG2放大后，使C点电位偏离零电位，从而使放大器A的两输入端有信号输入，该信号与光强成线性关系，由放大器A放大后送入数字面板表(17)就显示出光强值。运算放大器A可以选用高精度低漂移型，例如FX725，数字面板表可采用无锡电子设备厂的WDE－2000型多功能数字电压面板表。
脉冲整形及形成电路(18)可以如图4所示，它包括脉冲整形电路(Ⅰ)，计数脉冲形成电路(Ⅱ)，正负符号控制脉冲形成电路(Ⅲ)以及加／减可逆计数控制脉冲形成电路(Ⅳ)。其中电路(Ⅰ)有两个独立的施密特触发器(1)和(2)，它们的输入端分别接到光电开关中的两只光敏管上，施密特触发器可选用MC14584B或ZC40106；电路(Ⅱ)由与门(3)连接两级单稳延时电路而成，两电阻R1、R2都接到正电源V＋，第一级单稳延时电路由电阻R1、电容C1和施密特触发器(4)构成，第二级单稳延时电路由电阻R2、电容C2和施密特触发器(5)构成；电路(Ⅲ)有一个D触发器(6)，它的两输出端分别连到两或门(7)和(8)的一个输入端，而或门(7)和(8)的另一输入端都连接一个控制信号∑0(∑0由下述的计数、译码和显示电路取出)，由两与非门(9)和(10)构成的R－S触发器的两输入端(S)和(R)分别与两或门(7)和(8)的输出端相连。电路(Ⅰ)中的两施密特触发器(1)和(2)的输出端都分别接到电路(Ⅱ)的与门(3)和电路(Ⅲ)的D触发器(6)的输入端。由光电开关的两只光敏管产生的光电脉冲M、N进入电路(Ⅰ)，分别经触发器(1)和(2)整形，得到脉冲M′、N′，一路通过与门(3)形成计数脉冲，再经两级单稳延时电路，使输出的计数脉冲CP延迟一定时间和形成一定脉宽，以满足准确计数的要求；另一路进入D触发器(6)形成自动辩向信号，该信号和控制信号∑0共同控制或门(7)和(8)，(7)和(8)的输出又控制R－S触发器R、S端，与非门(9)的输出端(U)的电平即表示位移的符号，电平为“0”时表示位移为正，为“1”表示位移为负。电路(Ⅳ)有由两与非门(19)和(20)构成的R－S触发器，它的两输入端(S)和(R)分别接到两与门(17)和(18)的输出端，与门(17)的两输入端和两与非门(13)、(14)的输出相连，与门(18)的两输入端和两与非门(15)、(16)的输出相连，与门(11)和电路(Ⅲ)中的与非门(10)的输出分别作为与非门(13)、(16)和与非门(14)、(16)的输入，而与门(12)和电路(Ⅲ)中的与非门(9)的输出分别作为与非门(14)、(15)和与非门(13)、(15)的输入，两与门(Ⅱ)和(12)各自的两输入端分别接到电路(Ⅲ)中的D触发器(6)和电路(Ⅱ)中的与门(3)的输出端。与门(11)和(12)起判断位移方向的作用，与非门(13)、(14)、(15)和(16)根据位移方向和位移符号控制与门(17)和(18)的输入，再由(17)和(18)的输出控制R－S触发器的状态，该触发器的输出M作为加／减可逆计数控制脉冲。
计数、译码和数字显示电路(19)可如图5所示，包括计数电路(Ⅰ)，译码、驱动和显示电路(Ⅱ)、控制信号∑0形成电路(Ⅲ)和符号显示器(FX)。(Ⅰ)中IC1、IC2、IC3和IC4是四个十进制加－减可逆计数器，例如MC14510B，它们接成同步并行输入方式，即四个计数器的计数脉冲输入端CP和加－减计数控制端M分别连在一起，图4所示电路输出的计数脉冲CP和加－减计数控制脉冲M分别送入这两个输入端，四个计数器的复位控制端R连在一起输入复位控制信号。四个计数器中较低位的进位输出端OC和相邻高位的进位输入端IC相连，最低位的进位输入端IC接零电位。每个计数器的四个数码输出端(QA、QB、QC、QD)分别与电路(Ⅱ)中对应的译码输入端(a、b、c、d)相连。电阻R1和电容C1串联后接在正电源V＋和零电位之间，电容C1的另一端接正电源V＋，电容C1和电阻R1的连接点接到四个计数器的复位控制端R，按扭AN并联在电容C1的两端，起手动复位作用，即可以任意选择位移测量的起点。电路(Ⅱ)由四个独立的CMOS－LED三合一组件IC5、IC6、IC7和IC8构成，每个组件都具有译码、驱动和显示的功能，且能输出BCD码数据。CMOS－LED组件可采用苏州半导体总厂生产的CL002。电路(Ⅲ)有两个二－4输入或门IC9和IC10，每个二－4输入或门包含两个完全相同的具有四个输入端的或门。第一位和第二位的组件IC5和IC6各自的四个数码输出端(A、B、C、D)分别接到IC9的两个或门的输入端，第三位的组件IC7的四个数码输出端(AB、C、D)接到IC10的一个或门的输入端，第四位的组件IC8的一个数码输出端(A)接到IC10的另一个或门的一个输入端，而该或门的另外三个输入端则与IC9的两输出端和IC10的输出端连接，组件IC8的这种接法是因为最高位只要求显示数字“1”的缘故，或门IC10的另一个输出端输出的就是控制信号∑0。二－4输入或门IC9、IC10可用MC14072B或ZC4072。位移测量结果由(Ⅱ)中的四个CMOS－LED组件显示。位移的符号则由符号显示器FX显示，FX的输入端连接到图4中与非门(9)的输出端(U)。当U为“0”时，FX显示“＋”，U为“1”时，FX显示“－”。符号显示器可用苏州半导体总厂生产的CL001。
本实用新型由于利用传感器上的光电开关和遮光板实现位移的模／数转换，通过脉冲整形及形成电路形成计数脉冲。加－减计数控制脉冲和符号显示控制脉冲，经十进制加－减可逆计数器和CMOS－LED组件，直接由红色数字显示位移的测量结果，光强测量则由数字面板表实现数字显示，因而读数直观准确，且不受振动的影响，在环境亮度要求较低的光学实验室使用尤感方便。还由于采取了手动复位措施，使位移的测量起点能任意选择。此外，设置的升降调节器有利于光路的调节。本仪器仍具有结构简单，造价较低的优点，特别适用于大专院校的基础物理光学实验。
权利要求
1.光强分布测量仪，特征是用于大专院校基础物理光学实验中的光强分布测量仪，它有一个基座(15)，一根测微螺杆(7)安装在基座(15)上，一个光强测量探头(12)设置在与螺杆(7)啮合的滑块(8)上，其特征在于有一个光电开关固定在基座(15)的末端；开有小孔的遮光板(4)固定在螺杆(7)上，遮光板(4)的小孔能通过光电开关；光强测量探头(12)的输出与一个微电流放大器(16)的输入端相连，放大器(16)的输出端连接一块数字面板表(17)；光电开关的输出与一个脉冲整形及形成电路(18)的输入端相连，该电路(18)的输出端连接一个计数、译码和数字显示电路(19)。
2.根据权利要求
1的测量仪，其特征在于光电开关由插座(5)、光源(6)和两只光敏管(1)、(2)组成，光源(6)和光敏管(1)、(2)分别安装在插座(5)的两侧，两光敏管(1)、(2)的连线中点应与光源(6)在同一轴线上，插座(5)固定到基座(15)上，应使遮光板(4)的小孔能通过该轴线。
3.根据权利要求
1或2的测量仪，其特征在于光强测量探头(12)是一个前端面正中钻有小孔的园筒形光学屏蔽罩内装一只光敏二极管，光敏二极管的受光面正对小孔。
4.根据权利要求
3的测量仪，其特征在于所说的微电流放大器(16)包括由场效应管和电阻构成的两个场效应管放大器、运算放大器及其输入保护电路和辅助调零电路以及负反馈电阻，两二极管(D3)、(D4)反向并联接入运算放大器(A)的同相输入端和反相输入端之间组成放大器(A)的输入保护电路；负反馈电阻(Rf)连在放大器(A)的反相输入端和输出端之间；放大器(A)的辅助调零电路由三只电阻(R1、R2、R3)和电位器(W)以及两只二极管(D1、D2)构成，两只二极管(D1、D2)的连接处接零电位，电位器(W)的滑动接点经一电阻(R4)与放大器(A)的同相输入端相连；一个场效应管放大器有一只场效应管(BG1)，它的栅极经一电阻(R7)接零电位，漏极接正电源(V＋)，源极经一电阻(R8)接到另一场效应管放大器的场效应管(BG2)的漏极，该漏极还经一电阻(R9)接放大器(A)的反相输入端，其源极经一电阻(R6)接负电源(V－)，其栅极经一电阻(R5)接负电源(V－)，并经屏蔽线与所说的光强测量探头(12)里的光敏二极管相连，放大器(A)的输出送入所说的数字面板表(17)。
5.根据权利要求
2的测量仪，其特征在于所说的脉冲整形及形成电路(18)包括脉冲整形电路(Ⅰ)、计数脉冲形成电路(Ⅱ)、正负符号控制脉冲形成电路(Ⅲ)以及加／减可逆计数控制脉冲形成电路(Ⅳ)，脉冲整形电路(Ⅰ)有两个独立的施密特触发器(1)、(2)，它们的输入端分别接到所说的光电开关中的两只光敏管的输出；计数脉冲形成电路(Ⅱ)由与门(3)连接两级单稳延时电路而成，第一级单稳延时电路由电阻(R1)电容(C1)和施密特触发器(4)构成，第二级单稳延时电路由电阻(R2)、电容(C2)和施密特触发器(5)构成；正负符号控制脉冲形成电路(Ⅲ)有一个D触发器(6)，它的两输出分别连到两或门(7)、(8)的一个输入端，两或门(7)、(8)的另一输入端都连接一个控制信号(∑0)，由两与非门(9)、(10)构成的R－S触发器的两输入端(S)、(R)分别与两或门(7)、(8)的输出端相连；脉冲整形电路(Ⅰ)中的两施密特触发器(1)、(2)的输出都分别接到与门(3)和D触发器(6)的输入端；加／减可逆计数控制脉冲形成电路(Ⅳ)有由两与非门(19)、(20)构成的R－S触发器，它的两输入端(S)、(R)分别接到两与门(17)、(18)的输出端，这两个与门(17)、(18)的四个输入端与四个与非门(13)、(14)、(15)、(16)的输出相连，另一个与门(11)和正负符号控制脉冲形成电路(Ⅲ)中的与非门之一(10)的输出分别作为这四个与非门中两与非门(13)、(16)和两与非门(14)、(16)的输入，还有一个与门(12)和正负符号控制脉冲形成电路(Ⅲ)中的另一个与非门(9)的输出分别作为这四个与非门中两与非门(14)、(15)和两与非门(13)、(15)的输入，两与门(11)、(12)各自的两输入端都分别接到正负符号控制脉冲形成电路(Ⅲ)中D触发器(6)和计数脉冲形成电路(Ⅱ)中与门(3)的输出端。
6.根据权利要求
5的测量仪，其特征在于所说的计数、译码和数字显示电路(19)包括计数电路(Ⅰ)，译码、驱动和显示电路(Ⅱ)，控制信号∑0形成电路(Ⅳ)和符号显示器(FX)，计数电路(Ⅰ)由四个十进制加－减可逆计数器(IC1、IC2、IC3、IC4)接成同步并行输入方式，其计数脉冲输入端(CP)和加－减计数控制端(M)分别接到所说的脉冲整形及形成电路(18)中的计数脉冲形成电路的第二级单稳延时电路的输出端(CP)和加－减可逆计数控制脉冲形成电路的R－S触发器的输出端(M)，四个计数器中较低位的进位输出端(OC)和相邻高位的进位输入端(IC)相连，最低位的进位输入端(IC)接零电位；一电容(C1)的一端接正电源(V＋)，另一端经一电阻(R1)接零电位，电容(C1)和电阻(R1)的连接点接到四个计数器的复位控制端(R)，一按扭(AN)并联在电容(C1)的两端；译码、驱动和显示电路(Ⅱ)由四个独立的CMOS－LED三合一组件(IC5、IC6、IC7、IC8)构成，每个组件的四个译码输入端(a、b、c、d)分别与对应的计数器的四个数码输出端(QA、QB、QC、QD)相连；控制信号∑0形成电路(Ⅲ)有两个二－4输入或门(IC9、IC10)，每个二－4输入或门包含两个完全相同的具有4个输入端的或门，第一位和第二位的组件(IC5、IC6)各自的四个数码输出端(A、B、C、D)分别接到一个二－4输入或门(IC9)的两个或门的输入端，第三位的组件(IC7)的四个数码输出端(A、B、C、D)接到另一个二－4输入或门(IC10)的一个或门的四个输入端，该或门的输出端与另一个或门的一个输入端相连，而其它三个输入端的一个接到第四位组件(IC8)的一个数码输出端(A)，另两个输入端与前一个二－4输入或门(IC9)的两个输出端连接，后一个二－4输入或门(IC10)输出控制信号(∑0)；符号显示器(FX)的输入端连接到所说的脉冲整形及形成电路(18)中与非门(9)的输出端(U)。
7.根据权利要求
1、2、4、5、6的测量仪，其特征在于滑块(8)上设置了一个升降调节器，它有一个螺套(14)，与之配合的中空螺杆(9)的上端带有锁紧滑块(10)，一根支撑杆(11)穿过导向块(13)插入螺杆(9)中，导向块(13)用螺钉固定在滑块(8)上，光强测量探头(12)固定在支撑杆(11)上。
8.根据权利要求
3的测量仪，其特征在于滑块(8)上设置了一个升降调节器，它有一个螺套(14)，与之配合的中空螺杆(9)的上端带有锁紧滑块(10)，一根支撑杆(11)穿过导向块(13)插入螺杆(9)中，导向块(13)用螺钉固定在滑块(8)上，光强测量探头(12)固定在支撑杆(11)上。
9.根据权利要求
1、2、4、5、6、8的测量仪，其特征在于基座(15)的下部做成滑块结构。
10.根据权利要求
7的测量仪，其特征在于基座(15)的下部做成滑块结构。
专利摘要
本实用新型是测量光强及其分布的仪器，通过光电脉冲式位移传感器进行手动扫描和位移的模/数转换，再经脉冲整形及形成电路以及计数、译码和数字显示电路实现位移的测量；光强测量由光强测量探头、微电流放大器和数字面板表完成，测量结果均由红色数字显示，读数直观准确。仪器上设置有升降调节器，传感器的基座下部做成滑块结构。本实用新型能输出BCD码，可与微机联用，还具有结构简单，造价低的优点，宜用作大专院校的实验仪器。
文档编号G09B23/00GK86208803SQ86208803
公开日1987年12月16日 申请日期1986年11月1日
发明者冉瑞江, 查之玲, 熊湘 申请人:四川大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan