Лазерный измеритель параметров дождевых капель, работающий в проходящем свете

Размещено на http://www.allbest.ru/

92

Дипломная работа

Лазерный измеритель параметров дождевых капель, работающий в проходящем свете

Аннотация

В данном дипломе описывается метод измерения параметров дождевых капель в проходящем свете. Диапазон измерений прибора 1-6 мм. Источником оптического излучения является полупроводниковый лазер, излучающий с длиной волны л = 0,650 мкм. Выбранный лазер имеет высокую энергетическую яркость, тем самым увеличивается чувствительность прибора.

Простая схема настройки и простой алгоритм обработки данных обеспечивают высокую надежность и точность прибора. Преимущества состоят в автоматизации измерительного процесса и использовании персонального компьютера в качестве устройства обработки информации, в результате чего обеспечивается высокая скорость получения конечных результатов, а также существенно уменьшаются габаритные размеры.

Приборы, созданные на основе оптических методов, привлекают своей невысокой стоимостью, портативностью, широким диапазоном регистрируемых размеров частиц, высокой точностью получаемых результатов.

Содержание

Введение

1. Конструкторский раздел

1.1 Описание принципа действия прибора

1.2 Габаритный расчет

1.3 Энергетический расчет

1.4 Точностной расчет

2. Технологический раздел

2.1 Юстировка прибора

3. Исследовательский раздели

3.1 Порядок обработки данных. Исходный текст программы

3.2 Результаты измерений

4.1 Безопасность жизнедеятельности

4.2 Анализ опасных и вредных факторов при эксплуатации измерителя

4.2 Разработка мер безопасности при эксплуатации лазерного измерителя

4.3 Эксплуатация прибора в системе экологического мониторинга

5. Организационно - экономический раздел

5.1 Актуальность темы и постановка задачи

5.2 Расчет экономических затрат

5.3 Определение технико-экономических показателей проекта

Заключение

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Определение типа осадков, их интенсивности и структуры, является важной задачей метеорологии. Современная метеорологическая станция не обходится без приборов, обеспечивающих получение точной и оперативной информации об осадках. В международной практике такие устройства принято называть дисдрометрами. Актуальность данной дипломной работы обусловлена прежде всего тем, что несмотря на широкий ассортимент приборов, пока не существует дешевых и одновременно эффективных методов решения поставленных задач. Поэтому исследования в данной области так востребованы на сегодняшний день. Ниже рассмотрены методы работы существующих приборов, их плюсы и минусы. Существует три метода работы дисдрометров: контактные, радиолокационные и оптические[1].

Контактные методы определения размеров частиц.

Цифровой дисдрометр, электромагнитный дисдрометр ударного типа.

Задача определения размеров падающих капель решалась многими зарубежными и отечественными исследователями, особенно ярко этот процесс проявился с появлением возможности создания электронных измерительных устройств, т.е. с 50-х годов прошлого века. Одними из первых стали появляться ударные измерители микроструктуры осадков. В основе работы устройств данного типа лежит принцип измерения размера частицы при непосредственном контакте с твердой чувствительной поверхностью - например, зонд Стаббса (U.S.Pat.No.2,825,875 Stabbs)

В данном устройстве для измерений использовался зонд, с выставленным сферическим наконечником. Наконечник находится в электрическом контакте с чувствительным элементом, соединенным с источником постоянного напряжения. Когда разряженная материальная частица входит в контакт с наконечником, то с чувствительного элемента снимается электрический заряд, пропорциональный размеру данной частицы, что сопровождается мгновенным уменьшением потенциала, таким образом, отрицательный импульс или сигнал, обнаруживается специальной схемой, которая усиливает его и соотносит размер материальной частицы с амплитудой импульса.

Такой прибор может быть использован в лаборатории и в ряде других применений, где необходимо производить одиночные измерения, поскольку осуществление многократных длительных выборок затруднительно в связи с тем, что погрешность растет пропорционально длине выборки.

Это связано с накоплением паразитного заряда на наконечнике чувствительного элемента. Также устройства, предложенные Стаббсом, относительно сложны и требуют использования и высокого напряжения.

Применимость таких устройств ограничена тем, что точно измерены и обнаружены, могут быть только полностью разряженные частицы, что далеко не выполняется на практике, ведь при падении через атмосферу дождевые капли приобретают статистический заряд.

Известным примером устройства контактного типа является цифровой дисдрометр со струнным датчиком, представленным Денисом П. Доннели, в США в 1984 г.(U.S.Pat.No 4,477,917, Donnelly). В основе работы прибора лежит оригинальный чувствительный элемент, состоящий из множества проводов, расположенных в виде массива проводников на точно измеренном расстоянии друг от друга - струнный датчик.

На четных проводниках поддерживается нулевой потенциал (земля), в то время как на нечетных пронумерованных проводах поддерживается небольшое положительное напряжение (+5 В).

Всякий раз, когда смежные провода замыкаются электрически проводящей жидкой каплей, потенциал заземленного провода повышается, в то время как на проводнике с положительной напряжением потенциал падает. Каждый провод соединен со схемой, которая реагирует на изменение потенциалов проводников - схема усиления.

Размещено на http://www.allbest.ru/

92

Рисунок 1. Структурная схема цифрового дисдрометра со струнным датчиком.

Схема усиления реагирует на изменение потенциала проводника с положительным импульсом. После поступления на схему аналого - цифрового преобразователя этот импульс превращается в уровень логической единицы тем самым выделяются те провода, потенциал которых изменился. Схема сравнения срабатывает при появлении хотя бы одной логической единицы на выходе аналого - цифрового преобразователя, обеспечивая запись цифрового кода в регистр хранения. Устройство вывода данных предназначено для передачи данного цифрового кода в микропроцессорное устройство, например, в процессор Intel 8085. размер капли, попавшей на струнный датчик, определяется путем подсчета числа смежных проводов, чьи потенциалы изменились, точность определения размера капли данным устройством зависит только от конструктивных ограничений - интервалом между проводами и их диаметром. В отличие от зонда Стаббса, данный прибор обладает преимуществом прямого измерения, прост по конструкции и относительно недорог для производства. Также возможно проведение длительных измерений с большими выборками данных. Кроме того, цифровой дисдрометр не подвержен влиянию собственного заряда частиц.

Уже в последнее время в метеорологических лабораториях всего мира очень широкое распространение получили дисдрометры ударного типа с электромагнитным датчиком. Определение размера капель в таких измерителях производится в момент удара падающей капли воды о горизонтальную контактную поверхность. Типичным примером измерителя ударного типа служит прибор RD - 80, швейцарской фирмы Distromet Ltd.

Дисдрометр RD - 80 - это прибор для непрерывного и автоматического измерения распределения капель дождя по размерам, относится к классу измерителей микроструктуры осадков ударного типа с электромагнитным преобразователем.

Рисунок 2. Измерительный комплекс микроструктуры осадков RD - 80

Стандартный анализ пиковой амплитуды импульса дает распределение зарегистрированных капель дождя по размерам.

Основной принцип работы прибора основан на трансформации вертикального импульса, сталкивающего с поверхностью капли дождя в электрический импульс, амплитуда которого является функцией диаметра капли.

Дисдрометр RD - 80 состоит из 2-х основных модулей, внешнего датчика и микропроцессорного блока. Микропроцессорный блок подключен к персональному компьютеру, посредствам интерфейса (RS 232 С). На рисунке 2 представлена блок схема дисдрометра ударного типа. Она более подробно описывает состав и принцип взаимодействия функциональных модулей датчика и процессора. Процессорный модуль предназначен для выполнения следующих функций:

§ Обеспечить подачу электрического питания для модуля датчика, с заданными параметрами;

§ Произвести первичную обработку сигналов, поступающих с модуля датчика

§ Реализовать алгоритм тестирования работоспособности прибора

Встроенный источник питания, расположенный в модуле процессора, генерирует регулируемое напряжение постоянного тока ±15В, для питания модулей датчика и процессора. Схема обработки сигналов состоит из шумоограничивающего фильтра, динамического регулятора диапазона и схемы распознавания сигнала. Фильтр понижения шума представляет собой активный полосовой фильтр, частотная характеристика которого выбрана для обеспечения максимального отношения между сигналом от капель дождя и сигналом акустического шума, воздействующего на чувствительную площадку электромагнитного датчика. Динамический регулятор диапазона состоит из усилителя с регулируемым коэффициентом усиления. Основное его назначение - корректировка амплитудной характеристики системы желаемому виду. Фактически осуществляется выбор требуемого диапазона измерений.

Схема распознавания сигнала предназначена для выделения сигнального импульса, вызванного каплей, падающей на датчик из большого количества однородных колебаний, вызванных акустическим шумом. Чтобы произвести измерения, необходимые, чтобы импульс, вызванный каплей дождя, превысил колебания, вызванные акустическим шумом.



Рисунок 3 Функциональная схема дисдрометра RD - 80.

Рисунок 4. Принципиальная схема электромагнитного датчика.

Принципиальная схема электромагнитного датчика представлена на рисунок 4. В его состав входят электромеханический модуль и усилитель с обратной связью, расположенные в едином корпусе. Конический пенопластовый каркас используется для передачи механического импульса, сталкивающихся частиц в системе двух подвижных катушек, расположенных в поле постоянных магнитов. Пенопластовый корпус и две подвижные катушки жестко связаны между собой.

В исходном состоянии система находится в режиме ожидания, при этом пенопластовый каркас неподвижен. При ударе капли пенопластовый корпус, вместе с двумя подвижными катушками, смещается вниз и в спирали чувствительной катушки индуцируется напряжение. Это напряжение усиливается усилителем и прикладывается к управляющей катушке, таким образом происходит силовое противодействие смещению упавшей капли, т.е. система возвращается в исходное состояние ожидания. Безусловно, смещение вызванное падением одной капли очень мало и короткодейственно и требуется очень высокое быстродействие, чтобы возвратиться в исходное положение. Амплитуда импульса на выходе усилителя является мерой, характеризующей размер капли, вызвавшей этот импульс.

Диапазон измеряемых диаметров капель - 0,3-0,5 мм. При этом производители обещают абсолютную погрешность измерений не более 5%. Данный прибор привлекает своей компактностью, особенно это замечание касается внешнего блока (датчика), а также возможностью измерений при относительно большом удалении датчика от блока процессора и компьютера (порядка нескольких сот метров).

Однако, применение данного класса приборов сильно ограничивается невозможностью измерения твердых осадков, снега и града. Даже при больших диаметрах капель погрешность измерения сильно возрастает. Это в первую очередь связано с механическими осцилляциями, возникающими в электромагнитном датчике, приводящими к появлению времени нечувствительности системы, отсчитывающемуся с момента ударения частицы о контактную поверхность. Также к ложным регистрациям капель может приводить турбулентность в ветровых потоках, при измерениях в натуральных условиях. Остается и проблема влияния акустических шумов большой мощности. Все эти факторы, безусловно, сужают спектр возможных применений дисдрометра ударного типа RD - 80.

Радиолокационные методы дистанционного измерения интенсивности осадков. Доплеровские метеорологические станции.

Задача восстановления микроструктуры осадков существует в области радиолокационной метеорологии уже достаточно давно. Для ее решения используются непрерывные доплеровские метеорологические станции. наиболее широко известным и применяемым на сегодняшний день можно считать микрорадар марки MRR - 2 фирмы METEK.

Таблица 1. Основные характеристики микрорадара MRR - 2.

Рабочая частота	24,1 ГГц (л = 12 мм)
Мощность передатчика	50 мВт
Параметры антенны	Параболическая моностатическая антенна, апертурный диаметр 0,5 м
Ширина луча	2є
Модуляция	Непрерывный ЧМ - сигнал
Разрешение по высоте	35 - 200 м

Принцип измерения основан на соотношении между размером частиц осадков и скоростью их падения, последняя зависимость была получена Атласом в 1973 г. Все вычисления основаны на анализе доплеровских спектров, в соответствии с методикой Строча, описываемой в 1976 г. При измерениях микроструктуры осадков радиолокационными установками определяются следующие параметры: среднее распределение плотности осадков, концентрация жидкой воды и функция распределения осадков.

Т.к. приборы данного типа усредняют результаты, за счет монотонности дождя, то это невыгодно для оперативного получения результатов и свидетельствует об ограничении данного типа установок по характеристике разрешающей способности определения микроструктуры осадков во времени.

Оптические методы дистанционного определения микроструктуры осадков.

Оптические дисдрометры

Оптические методы относятся к бесконтактным дистанционным методам определения микроструктуры осадков. На основе данных методов создан наиболее широкий спектр метеорологического оборудования по контролю над осадками. Все они представляют собой 3 класса приборов, основанных на различных принципах измерения:

· оптические системы видеонаблюдения;

· оптические дисдрометры затенения;

· оптические измерители комбинированного типа.

Первый тип устройств основан на применении системы видеодатчиков для регистрации падающих капель 2D - VIDEO - дисдрометр. Данный прибор был разработан в исследовательском центре JOANNEUM RESEARCH.

Рисунок 5. Принцип действия 2D - Video дисдрометра.

Принцип действия 2D - Video дисдрометра заключается в съемке капли в момент ее пролета через измерительную площадку. Как показывает рис.5 две перпендикулярные полосы света, проецируются на линейно сканирующие камеры. Геометрическая виртуальная измерительная площадка расположена в области перекрывания этих двух полос света. Гидрометеоры падающие через площадку, оставляют тень, которая записывается на камеру. От каждого одиночного гидрометеора достигающего измеряющей области, измеряется и записывается передняя сторона, вид сбоку и вертикальная скорость падения.

Основное преимущество 2D - Video дисдрометров заключается в возможности получать фотоснимки падающих частиц осадков, т.е. рассматриваются все детали их мгновенной формы, такие, какие они есть в реальных условиях. Однако использование видеокамер влечет за собой ряд существенных недостатков. Во-первых, очень высокая стоимость оборудования. Во-вторых, поскольку принцип действия рассмотрен в обработке видеоизображений, в этом случае точность измерений микроструктуры осадков напрямую зависит от разрешающей способности видеокамеры, для 2D - Video дисдрометра эта величина разрешения по горизонтали и вертикали порядка 0,3 мм, что нельзя отнести к высокому показателю в системах максимального измерения микроструктуры.

Заметим также и то, что для регистрации капель, скорость падения которых может быть до V_max = 10 м/с, частота следования кадров при съемке должна быть достаточно высока, что приводит к существенному повышению требований к передающей аппаратуре, отвечающей за передачу и хранение данных. Данный тип дисдрометров находит свое применение при решении отдельных исследовательских метеорологических задач и не входит в класс доступных устройств широкого применения.

К следующему типу оптических измерителей микроструктуры осадков относятся приборы, работающие по принципу затенения. В большинстве своем это устройства, работающие на основе применения лазерного источника света (например, лазерного диода л=780 нм). Принцип измерения таких устройств заключается в следующем. Лазерный диод формирует луч, представляющий собой параллельный пучок света рис 6, поступающий напрямую на фотодиод.

Рисунок 6. Принцип измерения частиц лазерного дисдрометра

Частица, падающая через такой луч, вызывает его частичное затенение, при этом изменяется величина потока света, приходящего на приемник. Это изменение регистрируется фотодиодом и преобразуется в электрический импульс, амплитуда которого фиксируется, и переводится в цифровой код в схеме обработки сигнала. Особенностью лазерных дисдрометров является то, что толщина луча (в данном случае h = 0,75 мм) намного меньше диаметров частиц, поэтому значение выходного измеряемого сигнала будет пропорционально горизонтальному диаметру частицы в момент ее пролета через луч. Это свойство довольно невыгодно сказывается на общей погрешности измерений, поскольку при регистрации осциллирующих капель в момент их пролета через луч величина горизонтального сечения капель может изменяться на величину до 20%, при фиксированном эффективном диаметре, что является прямым вкладом в погрешность измерений. С технической точки зрения, применение тонкого лазерного луча влечет за собой повышение частоты модуляции сигнала (до 175 МГц), и использовать диод в режиме работы близком к пиковому. Это довольно невыгодно, увеличивается влияние температуры, и приводит к применению более дорогостоящих компонентов.

Лазерные дисдрометры позволяют определять и другие параметры осадков. Например, скорость падения частицы определяется исходя из длительности формируемого импульса. Определение типа осадков производится по известным пропорциям размера частицы к ее скорости падения. Данные пропорции получены и представлены в разработках исследователей Ганна и Кинзера.

Следующий оптический измеритель микроструктуры, основанный на принципе затенения - это оптический спектроплювеометр, разработанный во Франции (Optikal Spektro Pluviometr, CEPT, France). Схема измерения данного устройства показана на рис 7.

Рисунок 7. Схема измерения оптического спектроплювеометра.

Как и в лазерном дисдрометре, в спектроплювеометре производится измерение флуктуаций светового потока, вызываемых падением падающих частиц в луч света.

Датчик фиксирует импульс затенения, по максимальному значению которого определяет диаметр капли. В отличие от лазерного дисдрометра, скорость падения капли определяется по величине интервала времени между импульсами от двух лучей (Дt₁,Дt₂). Это позволяет более точно производить измерение скорости падения, при этом требуется хорошая синхронизация измерительной схемы приемника. Также данный метод более эффективен и не зависим от искажения формы сигнала от частицы. На рисунке 8 представлены типовые сигналы от капель.



Рисунок 8. График сигналов от одной капли

На рисунке 8 показана форма импульсов затенения от крупной капли, полученные с двух приемников.

Данный прибор позволяет определять размер частицы, скорость падения и получать спектр дождя. В качестве примера выходных данных такого прибора рассмотрим график распределения капель по размерам в зависимости от времени (рисунок 9).

По вертикальной оси графика, показанного на рисунок 9, отложено время (общее время сбора 100 сек), по оси абсцисс отложен диаметр капель. Количество капель определенного диаметра определяется степенью светлости изображения. Сглаженный график микроструктуры показан в виде ломаной линии.

Рисунок 9. График изменения структуры дождя.

По вертикальной оси графика, показанного на рисунок 9, отложено время (общее время сбора 100 сек), по оси абсцисс отложен диаметр капель. Количество капель определенного диаметра определяется степенью светлости изображения. Сглаженный график микроструктуры показан в виде ломаной линии.

Комбинированные измерители осадков, представляют собой класс устройств, сочетающих в себе несколько принципов измерения. В качестве примера, рассмотрим оптическую погодную станцию, разработанную в США. Данная система предназначена для достоверного измерения видимости и функционирует на принципе прямого рассеяния в комбинации с оптической системой, основанной на принципе затенения, с целью нейтрализации неоднозначностей, возникающие при измерении световой передачи несвязанные с видимостью (дождь, снег). Функциональная схема, данной установки представлена на рисунок 10.

Рисунок 10. Функциональная схема погодной станции (США).

В данной системе использован частично когерентный источник света - инфракрасный светоизлучающий диод. Вместо лазерного источника, который обычно используют стандартные оптические системы идентификации погоды, работающие по затенению. Геометрическая схема расположения двух приемников излучения такова, что первый приемник, установлен непосредственно в пучке света. Он регистрирует сигнал сцинтилляций, встречающихся в луче света, данный сигнал предназначен для реализации первой функции прибора - обработку сигналов от дождя и снега. Положение второго приемника выбрано под острым углом относительно направления пучка света (35є), с целью регистрации сигнала прямого рассеяния света от сцинтилляций в луче света. Этот сигнал предназначен для дальнейшей обработки и получения характеристики видимости в окружающем воздухе. Интенсивность излучения, зарегистрированная вторым (внелучевым) приемником нормализуется значением интенсивности, обнаруженной первым приемником (внутрилучевым), чтобы получить прямой коэффициент рассеяния, независящий от интенсивности источника света.

Следовательно, такая система независима от флуктуаций мощности источника излучения и от пыли на оптической системе.

Таким образом, измерение производится по двум независимым каналам. Предварительные усилители первого и второго канала, предназначены для усиления сигналов с фотодиодных датчиков, и приведения их к диапазону, требуемому для схемы преобразования сигнала. После преобразования сигналов, они поступают на сигнальный процессор, для разделения сигналов от первого приемника, имеющего частотные характеристики дождя и снега и от второго приемника передающую мощностную характеристику видимости.

Также при обработке сигнал делиться на две частотные полосы спектра сцинтилляций. А именно, высокочастотный фильтр использован, чтобы выделить сигналы от 1 - 4 КГц, а низкочастотный фильтр использован, чтобы выделить сигналы 25 - 250 Гц.

Сигнал с выхода ВЧ полосового фильтра пропорционален интенсивности дождя, и сигнал с выхода НЧ полосового фильтра пропорционален интенсивности снега. Отношение сигнала с высокого полосового фильтра к сигналу низкого полосового фильтра используется, чтобы отличить дождь от снега.

Вывод

Измерители параметров осадков - это устройства, которые на основе различных, активных и пассивных методов измерения, должны оперативно, качественно и в автоматическом режиме выдавать полную информацию о типе, структуре и интенсивности осадков в пределах определенной зоны наблюдения. Данные устройства должны быть функционально гибкими, иметь возможность модернизации и опционально поддерживать возможность измерения дополнительных метеорологических параметров (температура, влажность, давление). При разработке устройств данного типа следует особо уделить внимание портативности, эргономичности, а также их надежности при работе в полевых условиях.

Приборы контактного типа - это устройства, измеряющие размеры дождевых капель на основе физического взаимодействия с чувствительным элементом. Две базовые модификации чувствительного элемента - струнный и электромагнитный, отличаются простотой конструкции и неприхотливостью в эксплуатации, при сравнительно низкой стоимости. Однако, данный класс приборов является наиболее ограниченным по своим функциональным возможностям. Струнным измерителям характерна невысокая точность результатов измерения, обусловленная конструктивными факторами. В случае электромагнитного чувствительного элемента высоко влияние акустических шумов и осцилляций механической части при регистрации крупных капель. Контактные методы не предусматривают измерения параметров снега и града что делает их применение очень ограниченным.

Радиолокационные измерители представляют собой всепогодные доплеровские РЛС вертикального направления сканирования с узкой диаграммой направленности, с длиной волны л = 0,5 - 6 см. Измерение параметров осадков осуществляется посредством анализа доплеровских спектров накопленного сигнала. Режим сбора и обработки данных позволяет получать интегральные оценки по интенсивности и микроструктуре осадков с неплохой точностью при монотонных и стабильных осадках. Появление неоднородности осадков и увеличении влияния внешних факторов, таких как ветровые потоки, турбулентность приводят к существенному увеличению ошибки измерения. Диапазон определяемых размеров частиц ограничивается длинной волны установки, от выбора которой зависит эффективность регистрации капель. Доплеровские РЛС изготавливаются для определенной длины волны, как правило, стоимость таких установок очень высока, в связи с чем они не получают широкого распространения.

Оптические измерители микроструктуры осадков являются самыми распространенными и доступными, начиная от дорогостоящих систем 2D - Video, заканчивая недорогими оптическими дисдрометрами. Наибольшую часть среди них занимают устройства, работающие по принципу затенения, то есть регистрируют тень от капли, попавшей в луч света. Преимуществом оптических методов дистанционного определения микроструктуры осадков является автоматизация измерительного процесса и использование персонального компьютера (ПК) в качестве устройства обработки информации достигается высокая скорость получения конечных результатов, а также существенно уменьшаются габаритные размеры установки.

1. КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ

1.1 Описание принципа действия прибора

В данном дипломе описывается метод измерения параметров частиц снега и града на установке описанной ниже.

Рисунок 1.1 Принцип действия лазерного измерителя параметров дождевых капель.

1- полупроводниковый лазер

2-коллиматор

3-акусто-оптический модулятор (АОМ)

4-телескопическая система

5-исследуемый образец (песчинки)

6-поглощающий экран

7-объектив

8-фотоприемный модуль

9-генератор частот

10-устройство обработки

Источником оптического излучения является полупроводниковый лазер (лазерный диод IDL 10), излучающий с длиной волны л = 0, 645 мкм (видимый диапазон). Выбор полупроводникового лазера в качестве источника излучения обусловлен высокой энергетической яркостью лазерного излучения, за счет чего увеличивается чувствительность прибора. Лазерное излучение проходит через коллиматор, на выходе из которого превращается в пучок с волновым фронтом, который можно считать плоским. Наличие плоского волнового фронта необходимо для нормальной работы, стоящего следующим акустооптического модулятора (АОМ). АОМ представляет собой акустооптический кристалл, с напыленным пьезопреобразователем, на который подается амплитудномодулированный сигнал частотой . Вследствие чего в АОМ образуется дифракционная решетка. При прохождении сквозь кристалл свет дифрагирует и на выходе мы получаем интерференционную картину. Период интерференционной картины определяется соотношением [1]:

;(1.1)

Основная часть от падающей в АОМ энергии дифрагирует в +1 порядок при соблюдении условия Брэгга - Вульфа (излучение других длин волн рассеивается более или менее равномерно по всем направлениям, давая лишь общий фон). АОМ Брэгга показан на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 Схема акустооптического модулятора Брэгга

Для модулятора Брэгга угол падения лазерного луча должен равняться углу Брэгга И_Б, который определяется соотношением [1]:

,(1.2)

где л - длина волны луча внутри материала модулятора; Л - период дифракционной решетки АОМ.

После модулятора лазерный луч сужается телескопической цилиндрической системой и попадает на поглощающий экран. Пролетая через луч, капля отклоняет, что приводит к изменению величины потока света на фотоприемнике. Это изменение регистрируется фотодиодом и преобразуется в электрический сигнал.

1.2 Габаритный расчет

В качестве источника излучения используется лазерный диод IDL 10 - с мощностью излучения 20 мВт, длиной волны излучения л = 0,645 мкм.

Рисунок 1.3 Оптическая схема

1- полупроводниковый лазер

2- коллиматор

3-акустооптический модулятор

4- оптическая система

5- исследуемый образец (дождевая капля)

6-объектив

7- фотоприемник

На входе имеем прямоугольный пучок 2х5мм. С помощью цилиндрических линз необходимо получить пучок 0.5х15мм. Первая телескопическая система состоит из сферической и цилиндрической линзы. Диаметр входного зрачка возьмем равным 5мм, а выходного 20 мм. Заднее фокусное расстояние первой линзы примем равным 40мм.

Размер пучка на входе первой телескопической системы равен 5мм, а на выходе 8 мм.

Отсюда найдем видимое увеличение системы.

; ( 1.3)

мм

Зная увеличение системы и фокусное расстояние первой линзы можно найти фокусное расстояние второй линзы:

; (1.4)

мм

Вторая телескопическая система состоит из сферической и цилиндрической линзы. Диаметр входного зрачка возьмем равным 2мм, а выходного 0.5 мм. заднее фокусное расстояние первой линзы примем равным 20мм.

Размер пучка на входе первой телескопической системы равен 2мм, а на выходе 0,5мм. Отсюда по формуле ( 3.1) найдем видимое увеличение системы.



Зная увеличение системы и фокусное расстояние первой линзы можно найти фокусное расстояние второй линзы:

;(1.5)

мм

Реальная система

Для сферической линзы имеем:

мм =40мм

Радиусы линзы находим из выражения (1.4) по [2]:

;(1.6)

Для линзы принимаем , и формула (1.6) принимает вид (1.7):

; (1.7)

; (1.8)

где, t - толщина линзы по краю

После преобразований получим систему из двух уравнений, решая которую найдем радиусы кривизны поверхностей линзы:

 ; (1.9)

Отсюда = 40,86мм, =-40,86мм, =1,5мм

Определим переднее вершинное фокусное расстояние сферической линзы S_F

;(1.10)

; (1.11)

Рассчитаем первую цилиндрическую линзу.

=160мм =10мм

Для упрощения расчетов возьмем плоско-выпуклую линзу и рассчитаем для нее радиусы кривизны R_л1.ц. и R_л2.ц.

;

0.

 ;(1.12)

;(1.13)

где - показатель преломления (для простоты расчетов возьмем ).

Найдем конструктивные параметры 1-ой цилиндрической линзы (толщины линзы по оси и толщины линзы по краю).

; (1.14)

слишком мало и им можно пренебречь, тогда получим:

;(1.15)

где - стрелка по оси, - световой диаметр линзы, - радиус кривизны линзы.

; (1.16)

где - толщина линзы по оси, - толщина линзы по краю.

 мм

мм

Определим переднее вершинное фокусное расстояние 1-линзы S_F по формуле (1.10)

;

;

Рассчитаем 2-ую цилиндрическую линзу:

=10мм =7мм

Для упрощения расчетов возьмем плоско-выпуклую линзу и рассчитаем для нее радиусы кривизны R_л1.ц. и R_л2.ц.

;

0.

; (1.17)

; (1.18)

где - показатель преломления (для простоты расчетов возьмем ).

мм

Найдем конструктивные параметры 2-ой цилиндрической линзы (толщины линзы по оси и толщины линзы по краю).

; (1.19)

где - стрелка по оси, - световой диаметр линзы, - радиус кривизны линзы.

,

где - толщина линзы по оси, - толщина линзы по краю.

мм

Определим переднее вершинное фокусное расстояние 2-линзы S_F по формуле (1.10)

;

Приемная часть.

Рассчитаем двухкомпонентную систему, первой линзой которой служит исследуемый объект, а второй сферическая линза с фокусным расстоянием 60мм. Для упрощения расчетов будем считать, что капля представляет собой линзу шар.

 f'=(n·r)/2·(n-1); (1.20)

Отсюда для капель диаметром от 1 до 6 мм получим следующие фокусные расстояния

f₁=1.008мм

f₂=2.015мм

f₃=3.023мм

f₄=4.03мм f₅=5.038мм f₆=6.045мм

Отсюда можно найти угол , под которым капля будет рассеивать излучение:

, (1.21)

где - диаметр капли.

Из конструктивных соображений положим, что расстояние между исследуемым объектом и объективом будет равно 40мм ± 5мм. Т.е капля будет падать в некотором объеме.

Рисунок 1.4. Определение диаметра объектива.

Найдем диаметр объектива. Из рисунка видно, что диаметр объектива можно найти по формуле:

;(1.20)

где - расстояние от объектива до места падения капли.

Из формулы видно, что диаметр объектива будет зависеть от диаметра капли и места ее падения.

Таблица 1.1. Определение диаметра объектива

dk,мм aпад, мм	1	2	3	4	5	6
35	33.737	32.737	31.737	30.737	29.737	28.737
40	38.699	37.699	36.699	35.699	34.699	33.699
45	43.662	42.662	41.662	40.662	39.662	38.662

Диаметр объектива примем таким, чтобы вся энергия от капли попала в объектив. =50мм

Рассчитаем параметры объектива.

=50мм

Возьмем линзу с равными радиусами. Тогда формула линзы примет вид:

; (1.23)

;(1.24)

Решив уравнение, найдем, что = 59, =-59мм, =12,6мм

Найдем переднее вершинное фокусное расстояние S_F из выражения (1.10)

;

;

Найдем положение фотоприемника относительно объектива.

Рисунок 1.5. Определение кружка рассеяния .

Рассчитаем кружок рассеяния от капель диаметром от 1 до 6 мм, падающих на расстоянии 35 и 45 мм от объектива. (1.25)

; (1.25)

где - расстояние до фотоприемника; Из конструктивных соображений примем равным 28мм.

Найдем угол для капли 1мм по формуле (1.26)

 ;(1.26)

Таблица 1.2 Определение угла

dk,мм aпад, мм	1	2	3	4	5	6
35	37.877	37.578	37.277	36.973	36.667	36.667
45	40.713	40.438	40.16	39.88	39.598	39.313

Таблица 1.3 Определение кружка рассеяния

dk,мм aпад, мм	1	2	3	4	5	6
35	4.911	5.177	5.444	5.711	5.977	6.244
45	2.264	2.531	2.797	3.064	3.331	3.597

-Расчет акустооптического модулятора.

Частота модуляции должна быть больше, изменения частоты падения капель. Определим частоту падения капель.

,(1.27)

где - максимальная и минимальная скорости падения капель; -толщина лазерного пучка.

Гц

Примем частоту модуляции равной Гц Выбираем в качестве материала акустооптического модулятора парателлурит со скоростью звука в среде v_ак = 617 м/с.

Период интерференционной картины в АОМ:

 , (1.28)

где f - частота модуляции, f = 2 МГц.

Угол дифракции света на АОМ:

, (1.29)

где л - длина волны излучения, л = 0,650·10^-6 м,

Высоту кристалла АОМ h выбираем равной диаметру пучка = 5 мм. Т.к. кристалл представляет собой куб, то длина и ширина соответственно l = a = 5 мм. Край кристалла скошен под углом 10є. Развернем АОМ на угол д относительно оптической оси для того, чтобы пучок света, выходящий под углом Брэгга шел параллельно оптической оси.

;(1.30) д = 1°47ґ

1.3 Энергетический расчет

Рассмотрим энергетические соотношения в приборе. Отношение сигнал/шум на входе электронной схемы обработки измерительных импульсов:

 ,(1.31)

где Р_полезн - уровень полезного сигнала на фотоприемной площадке;

P_min - минимальный уровень сигнала, воспринимаемый фотоприемником.

Коэффициент пропускания линз из стекла К8 найдем из выражения (1.32)

,(1.32)

где K - число преломляющих поверхностей, К=12; d - суммарная толщина по оси.

=1,5+1,65+2,425+0,4+12,6=1,858см

=0,53

Найдем количество энергии, преломленное каплей. Для этого сначала определим мощность в рабочем пучке. Распределение энергии в пучке можно найти, зная распределение освещенности в пучке, которая представлена следующими графиками.

Рисунок 1.6 Распределение освещенности в лазерном пучке по горизонтальной оси.



Рисунок 1.7 Распределение освещенности в лазерном пучке по вертикальной оси.

Работа будет осуществляться на уровне 0,85 от максимальной энергии по горизонтальной оси.

Рисунок 1.8 Освещенность на уровне 0,85 от максимальной.

Взяв интеграл на этом уровне, найдем мощность в рабочем пучке.

 ,(1.33)

где - суммарная освещенность в пучке на уровне 0,85; - суммарная освещенность во всем пучке; - мощность в лазерном пучке.

=9,285мВт

Зная мощность в рабочем пучке, найдем мощность, преломляемую каплей.

;(1.34)

Таблица 1.4 Расчет мощности рассеиваемой каплей.

, мм	1	2	3	4	5	6
, мВт	0,928	1,857	2,785	3,714	4,642	5,571

Теперь определим мощность на фотоприемнике.

; (1.35)

Таблица 1.5. Расчет мощности на фотоприемнике в зависимости от диаметра капли и места ее падения.

dk,мм aпад, мм	1	2	3	4	5	6
35	0,026	0,046	0,062	0,076	0,086	0,095
45	0,12	0,192	0,236	0,263	0,278	0,286

Для определения отношения сигнал/шум находим значение Р_min

;(1.36)

Определим соотношение сигнал шум для предельного случая: для капель падающих на расстоянии 35 мм от объектива.

Таблица1.6. Определение соотношения сигнал-шум.

dk, мм aпад, мм	1	2	3	4	5	6
35	255	460	625	755	863	950

Полученное отношение сигнал/шум удовлетворяет требованиям на приборы этого класса.

1.4 Точностной расчет

Оценим основные параметры устройства: диапазон работы и точность измерения. Определим сначала диапазон изменения размеров капель, скорость которых может измерять устройство. Для этого найдем мощность сигнала от капли, пролетающей через интерференционную картину, которая попадает в приемный объектив. Учитывая апертуру объектива и коэффициент модуляции можно получить следующее выражение для мощности сигнала на фотоприемнике:

,(1.37)

где I_o= Рлаз /S_пучка - интенсивность излучения в месте пролета капли,

S_к-площадь капли,

S_пучка-площадь пучка после коллиматора,

F(x)-функция распределения интесивности по сечению пучка,

u-апертура приемного объектива,

-потери в АОМ и оптике.

Примем эти потери равными 0,5 для худшего случая.

Минимально регистрируемая фотоприемником мощность равна [4]:

,(1.38)

где Ф_п- обнаружительная способность фотоприемников [ Вт/Гц^1/2],

f-полоса частот сигнала.

Тогда с учетом приведенных выше выражений и определенного соотношения сигнал-шум получим:

(1.39)

Рассчитаем точность измерения размера капли. Применив к выражению (1.37) метод дифференцирования, найдем относительную ошибку измерения, считая, что входящие в (1.37) параметры изменяются случайным образом:

,

где - изменение интенсивности в пучке; - изменение мощности в пучке; - изменение глубины модуляции; - диапазон частот.

Будем считать, что для времени измерения t, интенсивность в пучке не меняется, т.е = 0. Из энергетического расчета видно, что отношение = 0,15. Полоса частот зависит от изменения скорости падения капель. В данной работе составило Гц, а частота модуляции 2Мгц.

=25

2. Технологический раздел

2.1 Юстировка системы

Рассмотрим приемы и виды юстировки приборов.

При юстировке пользуются двумя приемами устранения ошибок:

-прием последовательной юстировки.

-каждую схемную деталь и узел устанавливают последовательно с заданной точностью указанной на сборочном чертеже.

Виды юстировки:

-При методики комплексной юстировки встречаются случаи, когда в процессе устранения одной ошибки появляются новые. Этот случай зависимой юстировки.

-Независимая юстировка. Каждую ошибку выявляют и устраняют отдельно и независимо от других ошибок.

Рассмотрим погрешности, которые при юстировке прибора можно свести к минимуму[6]:

Погрешность из-за параллельных сдвигов элементов оптической системы:

Рисунок 2.1 Погрешность из-за параллельных сдвигов элементов оптической системы.

Из треугольника CMN следует что:

; (2.1)

 ;(2.2)

;(2.3)

;

;

(2.4)

Из формулы (2.4) следует, что линейное увеличение не меняется.

В результате параллельных сдвигов оптических элементов изображение смещается поперек оптической оси. Для исправления этой ошибки необходимы подвижки оптических элементов.

Погрешности из-за сдвига элементов вдоль оптической оси:

Рисунок 2.2 Погрешности из-за сдвига элементов вдоль оптической оси.

;(2.5)

Для исправления ошибки из-за сдвига элементов вдоль оптической системы, необходимо подвинуть оптический элемент. Погрешность из-за разворотов элементов оптической системы:



Рисунок 2.3 Погрешность из-за разворотов элементов оптической системы.

Увеличение для точки А:

;(2.6)

Для точки М:

;(2.7)

При малых углах cos(y)=1, sin(y)=0

При повороте линзы происходит поворот изображения разно масштабно по полю зрения т.к. увеличение зависит от размеров предмета.

Для того чтобы исправить ошибку из-за разворотов оптического элемента, нужно повернуть оптический элемент.

В лазерном измерителе параметров дождевых капель используется акустооптический модулятор, использующийся для повышения точности прибора.

Для получения максимальной интенсивности дифрагированного пучка, модулятор должен быть развернут относительно разрабатывающего пучка под углом, определяемый выражением (2.8) по [2]:

 ,(2.8)

где л - длина волны излучения, л = 0,645 мкм;

f - частота возбуждения АОМ, f= 30 МГц;

v_ак - скорость звука в среде, v_ак = 617 м/с.

отсюда и_-1 = 1є78ґ. Поскольку угол очень маленький юстировку необходимо проводить с достаточно высокой точностью.

Для этого модулятор устанавливается на столике, который поворачивается с помощью винтов на заданный угол.

Угол поворота столика можно определить:

, (2.9)

где R - расстояние от оси вращения столика до оси винта;

l - перемещение винта. С другой стороны перемещение винта равно:

,(2.10)

где К - число заходов резьбы; t - шаг резьбы;

Из этих выражений найдем шаг резьбы, необходимый для обеспечения точности угла поворота модулятора:

; (2.11)



Подставляя эти данные в выражение (2.11), получим:

Таким образом, шаг резьбы составляет ? 1,14 мм.

Юстировка производится следующим образом:

Модулятор освещается лазерным пучком и на него от генератора подается амплитудно-модулированный сигнал с частотой 2 МГц, за модулятором устанавливается фотоприемник с индикатором. С помощью винта модулятор разворачивается и на индикаторе измеряется интенсивность дифрагированного пучка.

x

Рисунок 2.1. Зависимость дифракционной эффективности модулятора от угла падения света

Максимум интенсивности соответствует углу Брэгга, интенсивность дифрагированного пучка меняется по закону [2]:

 ; (2.12)

График выражения (2.5) приведен на рисунке (2.1). Из графика видно, что при изменении х интенсивность дифрагированного пучка падает.

3. Исследовательский раздел

Исследование проводилось по схеме приведенной на рисунке 1.1

3.1.1 Порядок обработки данных программой

-Читается бинарный файл по частям, размером SizeOfPart, заданном в файле настроек, по умолчанию- 100000 выборок. Размер одной выборки-16 байт

- Вычисляется среднее арифметическое всей выборки, устраняется постоянная составляющая.

- Выделяются импульсы, значения амплитуд которых превышает величину порога, заданного параметром Threshold

- Рассчитывается диаметр капель по квадрату величины импульса, умноженному на некоторый коэффициент, установленный при юстировке счетчика. Определение реального диаметра капель проводилось следующим образом. В шприц с иглами, разных диаметров набиралась вода и проводились измерения количества, упавших капель за 10 минут, с помощью разработанного счетчика. Вода собиралась в нормировочный стакан, с помощью, которого мерялся объем воды, исходя из чего, определялся средний диаметр капли.

- Частицы сортируются по размерам и подсчитывается их количество в определенных интервалах.

- Формируется гистограмма.

3.1.2 Исходный текст программы

Ниже приведен исходный текст программы, показывающие принцип ее действия:

Обработка данных:

Обнуление переменных:

procedure tform1.Reseting;

begin

SetLength(ArrayOfData,SizeOfPart);

SetLength(AverageArray,AveCount);

PositionInFile:= 0;

CountOfParts:= FileSize(FileOfData) div SizeOfPart;

ScrollBar1.Position:= 0;

end;

Открытие файла:

procedure TForm1.OpenTheFile;

var

t: smallint;

i: integer;

begin

CountOfImpulses:= 0;

ScrollBar1.Enabled:= true;

AssignFile(FileOfData,OpenDialog1.FileName);

FileStatus:= true;

Reset(FileOfData);

reseting;

CountOfData:= SizeOfPart;

SetLength(ArrayOfData,SizeOfPart);

SetLength(AverageArray,SizeOfPart-5);

CountOfParts:= FileSize(FileOfData) div SizeOfPart;

ScrollBar1.Max:= CountOfParts-1;

SetLength(ArrayOfHists,CountOfParts);

PositionInFile:= 0;

for i:= 0 to CountOfParts-1 do

begin

PositionInFile:= i;

ReadingTheFile;

CreatingOfHist;

end;

chart1.Title.Text.Text:= ExtractFileName(OpenDialog1.FileName);

end;

procedure TForm1.OpenTheHist;

var i: integer;

FileOfHist: file of histogram;

begin

AssignFile(FileOfHist,OpenDialog1.FileName);

Reset(FileOfHist);

CountOfParts:= FileSize(FileOfHist);

SetLength(ArrayOfHists,CountOfParts);

for i:= 0 to CountOfParts-1 do

read(FileOfHist,ArrayOfHists[i]);

end;

Чтение файла частями размером SizeOfPart:

procedure tform1.ReadingTheFile;

var i: integer;

t: smallint;

begin

for i:= 0 to SizeOfPart-1 do

begin

try

read(FileOfData,t);

ArrayOfData[i]:= t;

if i mod grf = 0 then

except

end;

end;

Averaging;

end;

Устранение постоянной составляющей сигнала:

procedure tform1.Averaging;

var i,j,t: integer;

begin

t:= 0;

for i:= 0 to SizeOfPart-1 do t:= t+ ArrayOfData[i];

t:= t div SizeOfPart;

for i:= 0 to SizeOfPart-1 do if (ArrayOfData[i]- t) >= 0 then ArrayOfData[i]:= ArrayOfData[i]- t else ArrayOfData[i]:= 0;

impcounter;

end;

Выделение импульсов, превышающих порог Threshold, подсчет их амплитуды:

procedure tform1.ImpCounter;

var i,t,im,IBegin,IEnd,maximum: integer;

imp: boolean;

begin

CountOfImpulses:= 0;

i:= 0;

While i< SizeOfPart do

begin

While (ArrayOfData[i]= 0) and (i< SizeOfPart) do inc(i);

imp:= false;

IBegin:= i-1;

maximum:= 0;

While (ArrayOfData[i]> 0) and (i< SizeOfPart) do

begin

if ArrayOfData[i]>= threshold then

begin

imp:= true;

end;

if maximum< ArrayOfData[i] then

maximum:= ArrayOfData[i];

inc(i);

end;

End:= i;

f imp then

begin

inc(CountOfImpulses);

SetLength(ArrayOfImpulses[0],CountOfImpulses);

SetLength(ArrayOfImpulses[1],CountOfImpulses);

ArrayOfImpulses[0,CountOfImpulses-1]:= maximum;

ArrayOfImpulses[1,CountOfImpulses-1]:= IEnd-IBegin;

end;

maximum:= 0;

imp:= false;

end;

end;

Сортировка импульсов по амплитудам, создание массива гистограммы:

procedure tform1.CreatingOfHist;

var i,j,t1,t2,t1i,t2i,t: integer;

begin

{t1:= ArrayOfImpulses[0,0];

t2:= ArrayOfImpulses[1,0];

t1i:= 0;

t2i:= 0;}

for i:= 0 to CountOfImpulses-1 do

begin

t1i:= i;

t1:= ArrayOfImpulses[0,i];

for j:= i+1 to CountOfImpulses-1 do if t1>ArrayOfImpulses[0,j] then

begin

t1i:= j;

t1:= ArrayOfImpulses[0,j];

end;

ArrayOfImpulses[0,t1i]:= ArrayOfImpulses[0,i];

ArrayOfImpulses[0,i]:= t1;

end;

//edit2.text:= inttostr(CountOfImpulses);

//series6.Clear;

//Series6.AddXY(0,0);

i:= 0;

j:= 0;

While i< CountOfImpulses do

begin

inc(j);

t:= 0;

While ( ArrayOfImpulses[0,i]< (HistInt*j)*(HistInt*j)+Threshold) and(i<CountOfImpulses) do

begin

inc(t);

inc(i);

end;

ArrayOfHists[PositionInFile].Hist[j+round(sqrt(Threshold))-1]:= t;

//Series6.AddXY((HistInt*j+sqrt(Threshold)){*10/8192},t);

end;

ConvertHist;

end;

Преобразование гистограммы, создание более широких интервалов:

procedure tform1.ConvertHist;

var i,j,k,m: integer;

begin

TempCount:= (round(100-sqrt(Threshold))-(round(100-sqrt(Threshold)) mod HistCount)) div HistCount ;

Series1.Clear;

SetLength(TempHist,CountOfParts);

For k:= 0 to CountOfParts-1 do

SetLength(TempHist[k],HistCount);

for k:= 0 to CountOfParts-1 do

for i:= 0 to HistCount-1 do

begin

TempHist[k,i]:= 0;

for j:= 0 to TempCount-1 do

TempHist[k,i]:= TempHist[k,i]+ArrayOfHists[k].hist[round(sqrt(Threshold))+i*TempCount+j];

end;

//for i:= 0 to HistCount-1 do

series1.AddXY(sqrt(Threshold)+i*TempCount*2,TempHist[ScrollBar1.Position,i]);

end;

Сохранение в формат Microsoft Excel- .xls:

procedure TForm1.ChartToXLS;

var i: integer;

begin

XLSTable.Sheets[0].ClearCells;

XLSTable.Filename:= SaveDialog1.FileName+' graph.xls';

XLSTable.Sheets[0].AsString[0,0]:='hist_x';

XLSTable.Sheets[0].AsString[1,0]:='hist_y';

XLSTable.Sheets[0].AsString[2,0]:='<50_x';

XLSTable.Sheets[0].AsString[3,0]:='<50_y';

XLSTable.Sheets[0].AsString[4,0]:='<100_x';

XLSTable.Sheets[0].AsString[5,0]:='<100_y';

XLSTable.Sheets[0].AsString[6,0]:='<150_x';

XLSTable.Sheets[0].AsString[7,0]:='<150_y';

XLSTable.Sheets[0].AsString[8,0]:='<200_x';

XLSTable.Sheets[0].AsString[9,0]:='<200_y';

For i:= 1 to series1.Count -1 do

begin

XLSTable.Sheets[0].AsFloat[0,i]:= Series1.XValue[i];

XLSTable.Sheets[0].AsFloat[1,i]:= Series1.YValue[i];

end;

For i:= 1 to series6.Count -1 do

begin

XLSTable.Sheets[0].AsFloat[2,i]:= Series6.XValue[i];

XLSTable.Sheets[0].AsFloat[3,i]:= Series6.YValue[i];

XLSTable.Sheets[0].AsFloat[4,i]:= Series7.XValue[i];

XLSTable.Sheets[0].AsFloat[5,i]:= Series7.YValue[i];