(5 оценок, среднее: 4,80 из 5)
Загрузка...
Учебная работа. Разработка лазерного измерителя скорости на основе спекл-полей
Содержание
1. анализ начальных данных
2. Обзор литературы
3. Разработка оптико-механической схемы
3.1 Расчет характеристик оптической системы
3.2 Разработка оптико-механической схемы
3.3 Описание установки в динамике
4. Расчет чувствительности
Заключение
Перечень использованных источников
1. анализ начальных данных
В данной курсовой работе нужно создать лазерный измеритель скорости на базе спекл-полей.
Источником излучения служит лазер ЛГ—105 со последующими нравистиками: Рн = 5 мВт, dПУЧКА = 1 мм, = 0,63мкм.
Скорость движения объекта контроля от 0,1 см/с до 10 м/с.
Коэффициент отражения от объекта контроля от 0,05 до 0,8.
2. Обзор литературы
Фотометрия раздел прикладной физики, занимающийся измерениями света. Исходя из убеждений фотометрии, свет — это излучение, способное вызывать чувство яркости при действии на человечий глаз. Такое чувство вызывает излучение с длинами волн от ~0,38 до ~0,78 мкм, при этом самым броским представляется излучение с длиной волны около 0,555 мкм (желто-зеленого цвета). Поскольку чувствительность глаза к различным длинам волн у людей неодинакова, в фотометрии принят ряд условностей. В 1931 Интернациональная комиссия по освещению (МКО) ввела понятие «обычного наблюдающего» как некоего среднего для людей с обычным восприятием. Этот идеал МКО — не что другое, как таблица значений относительной световой эффективности излучения с длинами волн в спектре от 0,380 до 0,780 мкм через любые 0,001 мкм. Яркость, измеренная в согласовании с образцом МКО, именуется фотометрической яркостью либо просто яркостью.
Главным энергетическим понятием фотометрии является поток излучения Фе, имеющий физический смысл средней мощности, переносимой электромагнитным излучением. Пространственное распределение Фе обрисовывают энергетические фотометрические величины, производные от потока излучения по площади и (либо) телесному углу. В фотометрии импульсной используются также интегральные по времени фотометрические величины. В узеньком смысле фотометрию время от времени именуют измерения и расчёт величин, относящихся к наинаиболее употребительной системе редуцированных фотометрических величин — системе световых величин (освещённости, силы света, яркости, освечивания, светимости и пр.; надлежащие энерго фотометрические величины — энергетическая освещённость, энергетическая сила света, энергетическая яркость и т.д.). Световые величины — это фотометрические величины, редуцированные в соответствии со спектральной чувствительностью т. н. среднего светлоадаптированного людского глаза. Используются и остальные системы редуцированных (по отношению к др. приёмникам) фотометрических величин: эритемные, антибактериальные, фотосинтетические. исследование зависимостей фотометрических величин от длины волны излучения и спектральных плотностей энергетических величин составляет предмет спектрофотометрии и спектрорадиометрии. способы фотометрии обширно используются в астрономии для исследования галлактических источников излучения в разных спектрах диапазона излучения.
Есть два общих способа фотометрии:
1) зрительная фотометрия, в какой при сглаживании механическими либо оптическими средствами яркости 2-ух полей сопоставления употребляется способность людского глаза ощущать различия в яркости;
2) физическая фотометрия, в какой для сопоставления 2-ух источников света употребляются разные приемники света другого рода — вакуумные фотоэлементы, полупроводниковые фотодиоды и т.д.
При обоих способах для того, чтоб результаты имели всепригодную значимость, условия наблюдения (либо работы устройств) должны быть таковыми, чтоб фотометр реагировал на различные длины волн в четком согласовании со «обычным наблюдателем» МКО. Принципиально также, чтоб световой выход лампы не изменялся в процессе измерений. Для стабилизации и измерения тока и напряжения в таковых критериях обычно требуется достаточно непростая электронная аппаратура. В самых четких фотометрических измерениях приходится стабилизировать ток через лампу с точностью до (2 — 3)0—3%.
Зрительная фотометрия
История зрительной фотометрии начинается с П. Бугера (1698-1758), восхитительного ученого, который в 1729 изобрел метод сопоставления 2-ух потоков света и определил практически все главные принципы фотометрии. И. Ламберт (1728-1777) дальше классифицировал теорию фотометрии, и предстоящее ее развитие шло в главном по полосы совершенствования способов. В истинное время визуальная фотометрия применяется ограниченно — при измерении очень слабеньких световых потоков, когда тяжело совершенно точно интерпретировать результаты физической фотометрии. Дело в том, что при уровнях яркости в спектре 0,01-1 кд/м спектральная чувствительность глаза плавно меняется от соответственной адаптации к свету (дневной, либо фотопической) до соответственной адаптации к мгле (суперечной, либо скотопической), а поэтому тут нереально предсказать, какой обязана быть спектральная чувствительность физического (электронного) фотометра, чтоб обеспечивалось согласие с вероятными результатами зрительной фотометрии. Верная методика для этого спектра яркостей состоит в зрительном сопоставлении с источником света, энергетическое распределение которого соответствует высокотемпературному полому телу, фигурирующему в определении канделы. (Таковым источником света может служить электронная лампа накаливания при некотором значении силы тока.) При весьма низких уровнях световых потоков используется 2-ой (сумеречный) идеал, принятый интернациональным соглашением в 1959, что дозволяет проводить фотоэлектрические измерения без каких-то неоднозначностей.
Физическая фотометрия
Начало физической фотометрии положили Ю. Эльстер и Г. Гейтель, открывшие в 1889 фотоэффект. В 1908 Ш. Фери разработал электронный фотометр, чувствительность которого к различным длинам волн была близка к чувствительности людского глаза. Но только в 1930-х годах, опосля усовершенствования вакуумных фотоэлементов и изобретения селеновейшего фотодиода, физическая (электронная) фотометрия стала обширно используемым способом, в особенности в промышленных лабораториях. электронные фотоприемники, применяемые в физической фотометрии, реагируют на свет с различными длинами волн не в четком соответствии с образцом МКО. Потому для их требуется светофильтр — кропотливо сделанная пластинка из цветного стекла либо окрашенного желатина, которая пропускала бы свет различных длин волн так, чтоб фотоприемник со светофильтром по способности буквально соответствовал «обычному наблюдающему». Следует учесть, что если световые потоки, различающиеся цветом, сравниваются с применением такового устройства, то результаты сопоставления верны только условно. По сути невозможно гарантировать, что источники, яркость которых схожа по оценке, основанной на образце МКО, покажутся идиентично колоритными хоть какому человеку. Выделение признака яркости из общего наружного вида по-разному окрашенных источников света есть акт мысленного абстрагирования, который даже у 1-го и такого же индивида протекает по-разному в различное время, а поэтому в тех случаях, когда требуются численные оценки, нужна стандартизованная методика измерений. /3/
3. Разработка оптико-механической системы
3.1 Расчет характеристик оптической системы
Оптическая схема установки, реализующая решение данной задачки приведена на рисунке 3.1.
Набросок 3.1 — Оптическая схема лазерного измерителя скорости на базе спекл-полей
1 — источник излучения (лазер ЛГ-105),
2- линза марки 01LDX027,
3- линза марки 01LDX169
4- объект контроля,
5- линза марки 01LDX104
6- дифракционная сетка марки 70.3005,
7- фотодиод ФД-7К.
Для телескопической системы избираем линзы марок 01LDX027 с фокусным расстоянием и поперечником и 01LDX169 с и /2/ Коэффициент роста данной системы
Основным условием телескопической системы является совмещение заднего фокуса одной линзы с фронтальным фокусом иной линзы. Следовательно расстояние меж этими линзами обязано быть
(3.1)
Для приемной части устройства применены две линзы типа 01LDX104 с фокусным расстоянием и поперечником ./2/
Из оптики понятно, что поперечное повышение в линзе определяется формулами:
(3.2)
где- фокусное расстояние линзы,
— расстояние от фронтального фокуса да предмета,
— расстояние от заднего фокуса до изображения.
Поперечник лазерного пучка составляет 1 мм, поперечник выходного пучка будет составлять
Потому что поперечник чувствительной пластинки фотоприемника равен 10 мм, то поперечного роста равного 1 будет довольно для регистрации спекл-картины. Рассчитав данную систему, имеем, что
(3.3)
Как следует, расстояние от объекта до центра первой линзы и от центра линзы до дифракционной сетки будет однообразное и составит
(3.4)
Расстояние от дифракционной сетки до центра 2-ой линзы и от центра линзы до фотоприемника составляет
(3.5)
В качестве приемника излучения будем употреблять кремниевый фотодиод ФД-7К, свойства которого представлены в таблице 1.
Таблица 1
Свойства фотодиода ФД-7К
Размер фоточувствительного тела, мм
10
, мкм
0,4..1,1
Длина волны , мкм
0,82..0,86
Рабочее напряжение, В
27
Темновой ток , мкА
5
Интегральная чувствительность , мкА/Лк
0,47
фотометрия оптический лазерный спекл поле
3.2 Разработка оптико-механической схемы
В данной курсовой работе требуется создать лазерный измеритель скорости на базе спекл-полей. Данное устройство состоит из 2-ух частей: излучающей и приемной, которые размещены относительно объекта контроля (поз 20) под углом .
Излучающая часть состоит из лазера и телескопической системы. Корпус лазера (поз. 1) при помощи резьбового соединения соединяется с корпусом телескопической системы (поз.6) втулкой (поз.3). Линзы телескопической системы марок 01LDX027 и 01LDX169 (поз.5, поз.7) прижимаются к корпусу гайками М24х0,5 и М44х0,5 (поз.4, поз.8), соответственно. Корпус лазера закреплен к уголку (поз.2) при помощи 4 винтов М3х1 ОСТ 92-0728-72 (поз 16). В свою очередь уголок крепится к столу (поз. 22) при помощи 6 винтов М6х1 ГОСТ 1491-80 и 6 шайб 6.65Г ГОСТ 6402-70 (поз .18, поз.19).
Приемная часть состоит из 3-х корпусов (поз.11,14,15), которые закреплены меж собой резьбовыми соединениями. В корпус (поз.11) с одной стороны прижимается линза (поз.10) при помощи гайки М34х0,5 (поз.9), а с иной стороны крепится дифракционная сетка типа 70.3005 /2/(поз.12) при помощи клея БФ-2 ГОСТ 12172-74. К корпусу (поз.14) прижимается линза марки 01LDX104 (поз.10) при помощи гайки М34х0,5 (поз.9). Корпус (поз.14) закреплен к уголку (поз.13) при помощи 2 винтов М4х1 ОСТ 92-0727-72 (поз.17), а уголок крепится к столу (поз 22) при помощи 4 винтов М6х1 ГОСТ 1491-80 и 4 шайб 6.65Г ГОСТ 6402-70(поз.18, поз.19). В корпус (поз.15) вклеивается фотоприемник ФД-7К (поз.21) клеем БФ-2 ГОСТ 12172-74.
3.3 Описание установки в динамике
Лазерный пучок света, пройдя через телескопическую систему, уширяется до поперечника 5 мм и попадает на объект контроля. На поверхности объекта возникает спекл-картина. Как объект контроля начинает передвигаться, спекл-картина начинает мигать. Отраженные участки спекл-картины проецируются на дифракционную сетку, которая пропускает лишь часть света. Эта часть света проецируется на фотоприемник, на котором создается переменный сигнал, частота которого описывает скорость движения объекта.
4. Расчет чувствительности
В данном случае нужно провести спектральное согласование источника и приемника, т.е. найти фототок при засветке его излучением источника с известным спектральным составом.
На рисунке 3.1 представлена оптическая схема лазерного измерителя скорости на базе спекл-полей.
Опишем последовательность прохождения потока излучения на светочувствительную поверхность фотоприемника. Поначалу поток излучения проходит через телескопическую систему, состоящую из 2-ух линз. Для непросветленных линз коэффициент пропускания составляет 0,96 на каждой ее поверхности. Таковым образом поток на выходе телескопической системы будет
(4.1)
Дальше поток попадает на объект контроля, коэффициент отражения которого лежит в границах от 0,05 до 0,8. Для расчета выберем малый коэффициент отражения . Определим телесный угол, под которым должен распространяется отраженный от объекта контроля поток излучения, что бы он попадал на линзу
,
где — площадь линзы;
— расстояние от объекта до линзы.
Величина отраженного потока излучения от объекта контроля равна
(4.2)
Дальше поток проходит через линзу, коэффициент пропускания которой 0,96 на каждой ее поверхности.
(4.3)
Позже поток излучения проходит через диафрагму, коэффициент пропускания которой , т.к. половина запирается металлическими пленками. И величина потока излучения на выходе из диафрагмы составляет
(4.4)
Дальше оставшийся поток излучения проецируется на линзу и его величина на выходе из нее составляет
(4.5)
Поток излучения будет зарегистрирован фотоприемником и будет являться суммарным потоком.
(4.6)
Потому что интегральная чувствительность фотоприемника известна в световых единицах, то фототок можно найти по последующей формуле
, (4.7)
где — относительная спектральная чувствительность фотоприемника на длине волны;
на /4/
— относительная спектральная плотность эталонного источника излучения и применяемого источника излучения, соответственно;
— функция видности; /4/
— поток излучения, зарегистрированный фотоприемником.
Интегральную чувствительность фотодиода =0,47 мкА/Лк переведем в единицы А/Лм последующим образом
где d- размер фоточувствительного тела фотоприемника, мм.
Для расчета интегралов используем данные для спектральной плотности потока излучения эталонного источника, спектральной чувствительности фотоприемника и кривой видности. /4/
Потому что источник испускает одну длину волны, то Как следует формулу 4.7 можно записать последующим образом:
, (4.8)
Спектральную плотность потока излучения источника представим в виде таблицы 4.1 /4/
Таблица 4.1
Спектральная плотность потока излучения источника
, нм
400
450
500
550
600
650
700
750
800
900
1000
1100
0,06
0,11
0,21
0,32
0,45
0,57
0,68
0,78
0,82
0,96
1,00
0,98
значения функции видности зависимо от длины волны представлены в таблице 4.2. /4/
Таблица 4.2
значения функции видности
, нм
400
450
500
550
600
650
700
750
0,0004
0,038
0,323
0,995
0,631
0,107
0,0041
0,00012
Относительная спектральная чувствительность кремниевого фотодиода представлена в таблице 4.3./4/
Таблица 4.3
значения функции видности
, нм
400
500
600
700
800
900
1000
1100
0,18
0,36
0,42
0,44
0,86
0,98
0,7
0,01
Для вычисления интеграла разобьем весь спектр длин волн на промежутки мкм. Тогда разыскиваемый интеграл будет равен
Для вычисления интеграла разобьем весь спектр длин волн на промежутки мкм. Тогда разыскиваемый интеграл будет равен
Подставляя приобретенные значения интегралов в выражение для фототока 4.8, определим его
(4.9)
Рассчитанное ток фотоприемника, равный 5 мкА, что дает соотношение «сигнал-шум» равное 4,4, что показывает на работоспособность устройства.
Если коэффициент отражения объекта контроля будет равен 0,8, то соответственно возрости
Заключение
В процессе выполнения курсовой работы мы разработали лазерный измеритель скорости на базе спекл-полей. Данный устройство состоит из излучающей и приемной частей, которые размещаются относительно объекта контроля под углом и в данном положении закреплены на одном столе. Излучающая часть состоит из лазера и телескопической системы. Приемная часть состоит из оптических частей (линз), дифракционной сетки и фотоприемника (фотодиода).
Проведя спектральное согласование источника и приемника, удостоверились в том, что устройство работоспособен даже при наименьшем коэффициенте отражения объекта контроля.
Как следует, разработанный нами устройство может делать возложенные на него функции.
Перечень использованных источников
1. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. В 2-х книжках. Кн. 1/под редакцией В.В. Клюева. — 2-е издание, перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1986. — 488 с.: ил.
2. Справочник Optics Gueide 4 конторы Melles Griot, 1988
3. Гуревич М.М Фотометрия. Теория способы и приборы. Л. — Энергоатомиздат, 1983. — 272 с.
4. Борисов В.И. Приборы и способы оптического, термического и радиоволнового контроля. — Методические указания к выполнению курсовой работы. Могилев: МГТУ, 2001. — 26 с.
]]>