1.1 Конфигурации Доплеровских лидаров для обеспечения вихревой безопасности

Доплеровский лидар Wind Tracer производства компании Lockheed Martin (США) использует импульсы с длиной волны 2.0225 мкм и энергией около 2 мДж, повторяющиеся с частотой 500 Гц. Заявленная дальность составляет 10 км. Эти параметры в соответствии с принятыми нормами являются безопасными. Активные оптико-локационные системы для детектирования опасных метеоявлений - сдвига ветра, областей больших градиентов скорости ветра, зон с интенсивными восходящими и нисходящими потоками и т.п. - должны использовать лазерное излучение, безопасное для глаз.

Рис. 2. Лидарная система WindTracer

Система WindTracer была впервые испытана в 1999 г., а лазерный излучатель для нее был создан годом ранее. Это уникальный твердотельный лазер, одночастотная генерация в котором обеспечивается инжекцией одночастотного излучения в резонатор. В настоящее время, с развитием оптико-волоконных систем связи, появляется возможность использования серийных одночастотных волоконных систем типа генератор+усилитель, работающих на длине волны около 1.5 мкм.

Внедрение подобных лидарных систем позволит успешно решать задачи мониторинга поля ветра в воздушном пространстве аэродромов, что в современных условиях необходимо для обеспечения высокого уровня безопасности и эффективности авиации.

1.1.2 HARLIE

Рис. 4. Лидарный комплекс GLOW

Основные моменты GLOW:

- GLOW мобильная система для определения вертикального профиля ветра с помощью доплеровского сдвига частоты, лазерный сигнал рассеивается обратно в направлении лидара. Измеряются профили скоростей и направления ветра.

- GLOW участник международных экспериментов таких как H2O Project (IHOP), the Groundwinds, NH Validation Experiment and HARGLO.

- Glow находится в настоящее время в Howard University.

- Т.к. лидар - мобильная система, платформой для него выбрана автомобильная база, которая предназначена для дневного и ночного режима работы. Сканирование по азимуту от 0 до 360 с фиксированным углом возвращения от 0 до 90 градусов.

Описание:

Лазерная анемометрия была впервые разработана в 1970-е годы с использованием газовых лазеров, и до недавнего времени использовался как основной инструмент исследования. Тем не менее, системы на базе твердотельных источников на длине волны 1.55 мк, теперь доступны для автономного дистанционного измерения скорости ветра.

1.2.1 Прямое детектирование

Большое распространение метод гетеродинирования получил после создания лазеров. В гетеродинных спектрометрах рассеянное на исследуемом образце лазерное излучение смешивается с опорным излучением, в качестве которого обычно используется либо часть излучения зондирующего лазера, либо излучение другого - гетеродинного лазера, привязанного по частоте к зондирующему.

Проведя сравнительный анализ двух заданных систем, для нашей установки, работающей на длине волны 355 нм, наиболее выгодным является метод прямого детектирования. Также, лидары с прямым приемом сигнала наиболее просты в реализации, и соответственно, являются более доступными в материальном аспекте. Гетеродинное детектирование в техническом отношении намного сложнее, для него характерна большая чувствительность, дискриминация фоновых помех. Серьёзным недостатком этого метода является существенная зависимость величины сигнала на выходе фотоприёмника от характеристик трассы.

1.3 Особенности разрабатываемой конструкции

Нами был сделан выбор в пользу стационарного базирования нашей системы так как мы сразу можем пренебречь некоторыми габаритным размерами для нашей конструкции. Мы можем не заострять внимание на разработке каких либо механизмов для перевозки нашей системы, как например если бы перед нами стояла задачи разработки мобильного комплекса. 15 километров и более это те высоты где тоже очень важна воздушная безопасность. Нами был сделан выбор в пользу прямого детектирования, его преимущества перед гетеродинным детектированием выглядят следующим образом:

- Простота конструкция, отсюда финансовый аспект

- На коротких длинах волн большие значения частот и применение гетеродинного детектирования просто нецелесообразно.

- Нами выбрана длина волны 355 нм т. к. для нас важно получить как можно большее значение эффективности обратного рассеяния, которое пропорционально л^-4.

- Диаметр телескопа выбран 0,5 м это минимальный диаметр которого достаточно для трассы в 15 км. Возможен выбор и большего диаметра, но финансово это будет не оправдано затратно.

При прохождении всей системы динодов поток электронов возрастает на 5-7 порядков и попадает на анод - собирающий электрод ФЭУ. Если ФЭУ работает в токовом режиме, то в цепь анода включаются приборы, усиливающие и измеряющие ток. При регистрации ядерных излучений обычно необходимо измерять число импульсов, возникающих под воздействием ионизирующих частиц, а также амплитуду этих импульсов. В этих случаях в цепь анода включается сопротивление, на котором и возникает импульс напряжения.

В результате фотоэффекта из фотокатода вылетают электроны, которые затем, ускоряясь в электрическом полем, направляются на систему динодов, где за счет вторичной (ударной) электронной эмиссии образуют нарастающую от динода к диноду электронную лавину, поступающую на анод. Обычно коэффициент усиления ФЭУ (число электронов, достигших анода при выбивании из фотокатода одного электрона) составляет 105-106, но может достигать и 109, что позволяет получить на выходе ФЭУ легко регистрируемый электрический импульс. Временнoе разрешение ФЭУ составляет 10^-8 -10^-9 с. ФЭУ, предназначенные для сцинтилляционного счётчика, должны обладать высокой эффективностью фотокатода (до 2,5%), высоким коэффициентом усиления (10^8), малым временем собирания электронов (~ 10^-8) сек) при высокой стабильности этого времени. Последнее позволяет достичь разрешающей способности по времени порядка 10^-9 сек. Высокий коэффициент усиления ФЭУ наряду с малым уровнем собственных шумов делает возможной регистрацию отдельных электронов, выбитых с фотокатода. Сигнал на аноде ФЭУ может достигать 100 В.

2. Технологический раздел

При сборке неподвижных зеркал необходимо обеспечить: 1) угол излома визирной оси (рис. 1 и 2); 2) отсутствие натяжении в больших призмах и пирамидальности в них; 3) заданные размеры свободных отверстий деталей;

4) симметричность свободных отверстий деталей относительно оси системы; 5) наклон изображения в пределах допуска; 6) при установке деталей между объективом и сеткой центрировку системы в допуске; 7) разрешающую силу (при сборке призм).

Рис. 1

Наиболее просто собираются неподвижные зеркала и призмы наблюдательных труб (рис. 2 а и б), установленные перед объективом в параллельных пучках лучей.

Зеркала кладутся на опорные плоскости R корпуса и прижимаются к ним крышкой 3 - посредством четырех или трех винтов 4 либо плоской пружиной А (рис 3, б).

Рис. 2

Иногда между зеркалом и крышкой помещают картонную или пресс-шпановую прокладку 5 (рис 1, а). Аналогично собираются призмы, например при помощи прижимной планки 1, пружины 2 и крышки 3 (рис 1, б).

Перемещение зеркал по стрелкам в, б, г для узлов, представленных на рис. 1, не вызывает какой-либо деюстировки прибора. Поворот зеркала по стрелке а вызывает постоянную ошибку угла , которая для наблюдательных труб не имеет значения, а для прицельных может быть учтена при установке нуля шкалы углов, прицеливания при пристрелке оружия. В-этом же случае перемещения деталей могут привести к срезанию наклонных пучков лучей.

Поворот зеркала вокруг оси Z вызывает наклон изображения. Все юстировочные повороты и смещения зеркала могут быть осуществлены только припиловкой опорных поверхностей оправы или установкой прокладок (например, 6, рис. 1, разрез АВ) между этими поверхностями и оптическими деталями. Это нежелательно, так как в условиях эксплуатации прибора, например при тряске, прокладка может сместиться, а прибор разъюстироваться.

Рис. 3

При установке деталей после объектива (рис. 2) поворот деталей по стрелке а и смещения по стрелкам в и г приводят к децентрировке системы и параллаксу. Поворот деталей относительно оси Z (по стрелке е) приводит к наклону изображения.

На рис. 2 а, б, в показаны соответственно узлы крепления простой - прямоугольной призмы, плоского зеркала и прямоугольной крышеобразной призмы. Узлы позволяют центрировать призмы путем изменения положений втулок 1 и 2 в корпусе 3 в направлении стрелок в и г (рис. 2, а). Поворот вокруг оси Z может быть осуществлен только при помощи введения прокладок между деталью и корпусом и обычно в данных узлах не производится.

Юстировку наклона изображения в приборах с большим числом зеркал или призм, используемых в лабораторных условиях, удобно производить зеркалом 1 или призмой 2 (рис. 3), которые могут менять наклон отражающей грани. Это достигается поворотом оправы 3 призмы при помощи трех винтов 4, наклоняющих винт 5 с шаровой головкой па нужный угол е относительно неподвижной крышки б корпуса призмы. Величина наклона ограничивается величиной зазора между винтом 5 и отверстием в крышке 6. Центрировка зеркала или призмы в оправе может быть осуществлена различными методами. Простейший способ центрировки выполняется при помощи двух трубок I и II (рис. 4, a) без объективов и окуляров, ввинчиваемых в базовые резьбы 5 и 4 корпусов 3 и 5 призмы (рис. 2, а и в). Трубки имеют сетки А, В и С, находящиеся на конечных расстояниях от юстируемой призмы (или зеркала). Сетка 1 имеет черный кружок; па сетке 2 нанесено черное кольцо; сетка 3 имеет, также черное кольцо диаметром, промежуточным между диаметром чёрного кружка и кольцом сетки 2.

Рис. 4

Центры колец сеток и черного кружка должны быть точно центрированы. На расстоянии 250 мм наилучшего зрения от сетки 3 в трубке II имеется диафрагма К, в плоскости которой помещается зрачок глаза наблюдателя. Если призма (пли зеркало) установлена правильно, то при наблюдении в трубку II кружок сетки С и кольца сеток А и В будут концентричны друг другу. При смещении детали по стрелкам в и г и наклоне по стрелке а концентричность колец нарушается.

Описанный метод центрировки не очень точен и не позволяет оценивать количественно величину децентрировки детали. Оптические приспособления позволяют избежать указанных недостатков.

Удобно комбинированное оптическое устройство, позволяющее определять и наклон и параллельное смещение зеркала или призмы (рис. 5). Вместо сетки 1 трубки II (рис. 4, в) в трубке I (рис. 5, а) устанавливается зеркало 2 с маркой Е в центре Микроскоп I (рис. 4, в) заменяется автоколлимационной трубкой II с объективной насадкой М, имеющей круглое отверстие (рис. 3, а). При освещении сетки трубки II в торец лучи выйдут из объектива параллельными пучками и, пройдя отверстие в насадке отразятся от юстируемого зеркала А В и зеркала 2 (рис. 5, а).

При правильной установке зеркала (положение АВ) отраженные лучи (две стрелки) соберутся в фокусе окуляра трубки и марка С сетки совместится с ее автоколлимационным изображением .

При наклоне зеркала (положение А'В') на угол лучи (три стрелки) будут направлены на зеркало 2 не под углом и, отразившись от него, дадут в плоскости сетки 3 трубки автоколлимационное изображение С», смещенное относительно марки С на величину Д. При юстировке призмы автоколлимационное изображение С' марки С можно получить и непосредственно от ее передней грани без использования зеркала 2. Однако яркость блика бывает обычно недостаточна.

Рис. 5

При параллельном смещении зеркала (положение А'В' па рис. 25, б) параллельные лучи, идущие через отверстие в насадке М, не дадут смещения изображения С' относительно марки С, но лучи, проходящие насадку М, выйдут из нес сходящимся пучком, повторяя схему рис. 4, в. Передний фокус F насадки М должен быть совмещен с маркой Е сетки 2. При правильном положении зеркала (положение АВ) лучи после отражения от зеркала дадут изображение Е' марки Е в центре С.

2.2.1 Юстировка зеркал

2.2.2 Метод оптического рычага

Упрощённая схема юстировки методом оптического рычага:

Рис. 6. Юстировка оптической системы по бликам на экране с отверстием представлена на рис. 6, где введены следующие обозначения: 1 - вспомогательный гелий-неоновый лазер; 2 - экран с отверстием; 3, 5 - зеркала резонатора; 4 - активный элемент

Излучение вспомогательного лазера через небольшое отверстие в экране направляется в резонатор юстируемого лазера. После отражения от разъюстированных зеркал и торца активного элемента лазерный луч возвращается к экрану под углом к оси резонатора, и на экране наблюдается ряд световых пятен (бликов); напротив, если ось луча совмещена с осью активного элемента, световое пятно образуется вокруг отверстия в экране, когда все блики совмещены с отверстием. Таким образом, критерием правильности юстировки является исчезновение лазерных бликов с экрана.

Точность установки элементов оптической системы зависит от параметров излучения вспомогательного лазера и от расстояния между юстируемыми поверхностями.

2.2.3 Автоколлимационный метод

Рис. 7

Через прорези сетки лучи света проходят объектив 2 и освещают отражающую поверхность 1, отражаясь от которой они через призму 6 и пластину 7 направляются к окуляру 8. при совмещении фокальных областей объектива и окуляра с плоскостью перекрестия окуляра можно наблюдать отчётливое изображение сетки 5 и перекрестья окуляра 7. Если юстируемая поверхность перпендикулярна оптической оси объектива, то перекрестья сетки и окуляра совпадут. Высокая точность юстировки с помощью автоколлиматора обеспечивается тем, что совмещение направлений прямого и отражённого лучей визируется по совмещению тонких линий метки оси коллиматора и изображения шкалы, которые наблюдаются через окуляр с увеличением. При повороте юстируемого элемента на угол Ь отражённые от его поверхности лучи отклоняются на угол 2Ь.

Минимальная погрешность измерения ориентации юстируемой поверхности определяется значением предельного угла разрешения , где Ь_гл=60'' - разрешающая сила глаза; f_ок - фокусное расстояние окуляра; f_об - фокусное расстояние объектива.

С помощью автоколлиматора юстировку оптической системы лазера можно осуществить методом трёх меток и методом «на просвет».

Первый метод заключается в том, что выходное зеркало снимается, а оптическая ось автоколлиматора выставляется перпендикулярно плоскости торца активного элемента. Затем снимается активный элемент и перпендикулярно оптической оси автоколлиматора ставится (помещается) непрозрачное зеркало резонатора. После этого устанавливается активный элемент и проверяется его ориентация. Если она не изменилась, то на выходное зеркало ставиться на место и юстируется. В процессе реализации рассматриваемого метода наблюдатель последовательно совмещает отражённые от трёх поверхностей изображения автоколлимационной сетки с перекрестием окуляра.

При юстировке по методу «на просвет» все оптические элементы остаются на своих местах, что способствует повышению её оперативности. Излучение автоколлиматора, частично отражаясь, проходит выходное зеркало и активный элемент к непрозрачному зеркалу. Оптическая система считается съюстированной, если изображения автоколлимационной сетки, отражённые от зеркала и торца активного элемента, совпадают. Этим методом можно юстировать лазеры только с достаточно прозрачными и однородными активными элементами, например, неодимовый стеклянный лазер. При юстировке рубинового лазера изображение автоколлимационной сетки, отражённое от непрозрачного зеркала, из-за неоднородности рубина сильно размывается и совместить его с остальными изображениями достаточно сложно.

2.2.4 Интерференционный метод

Рис. 8

На рис. 8 обозначены: 1 - лазер; 2 - экран с отверстием; 3 - линза; 4 и 6 - зеркала резонатора; 5 - активный элемент. Но в отличие от рис. 6 в схему юстировки между экраном 2 и резонатором вводится слаборассеивающая линза или между лазером 1 и экраном устанавливается собирающая линза, фокусирующая излучение лазера на отверстие в экране. Этим обеспечивается заполнение светом всей апертуры резонатора. Лазерные лучи, отражённые от плоских поверхностей оптических элементов, при наложении в съюстированной системе создают на экране интерференционную картину в виде концентрических колец, центрированных относительно отверстия в экране. В случае разъюстировки центр интерференционной картины смещается от центра отверстия на расстояние, пропорциональное углу между отражающими поверхностями. До начала юстировки интерференционным методом оптическая схема лазера юстируется по бликам на экране в отсутствие линзы.

Самый точный - автоколлимационный метод, потом по точности идут: интерференционный метод и метод оптического рычага соответственно.

2.3.1 Процесс юстировки главного зеркала телескопа

3.1.1 Нормативный метод

3.1.1 Попроцессный метод

3.1.2 Попередельный метод

3.1.3 Позаказный метод

При позаказном методе вычисления все прямые основные затраты учитывают по статьям калькуляционного листа в соответствии с отдельными заказами. Заказы выдаются на определенное количество продукции того или иного вида. Все остальные расходы учитываются по местам их возникновения, по их назначению и по статьям и включаются в себестоимость отдельных заказов в соответствии с избранной базой распределения.

Объектом учета затрат при данном методе является отдельный производственный заказ, фактическая себестоимость которого определяется после его исполнения. До выполнения заказа все относящиеся к нему затраты считаются незавершенным производством.

Принятые к исполнению заказы регистрируют, им присваивают очередные с начала года номера, которые становятся их кодами. Копию извещения об открытии заказа направляют в бухгалтерию, где заводится карточка учета затрат по заказу.

По окончании изготовления изделия или выполнения работы заказ закрывается. После сообщения о закрытии заказа отпуск материалов по нему и начисление заработной платы прекращаются.

Фактическая себестоимость единицы продукции исчисляется после исполнения заказа путем деления суммы затрат на количество изготовленной по заказу продукции.

3.2 Расчет себестоимости лидара

3.2.2 Затраты на расходные материалы

, (2)

где Н - норма расхода материала на 1 изделие;

Ц - цена 1 кг материала;

Ni - количество наименований расходных материалов;

Т.З. - транспортно-заготовительные расходы.

Цены на основные материалы представлены в таблице 1.

Таблица 1. Стоимость основных материалов

3.2.3 Затраты на комплектующие изделия

Таблица 2. Стоимость комплектующих изделий.

3.2.4 Расчет заработной платы рабочих

Основная заработная плата - это вознаграждение за выполненную работу в соответствии с установленными нормами труда (нормы времени, выработки, обслуживания, должностные обязанности).

Расчет основной заработной платы Зосн р. производится по формуле:

Зосн = Зт + Зпрем,(3)

где Зт - фонд заработной платы рабочих;

Зпрем - сумма премий;

Зпраз - доплата за работу в праздничные дни.

Данные о численности рабочих, их заработной плате представлены в таблице 3.

Таблица 3. Данные по сотрудникам

Расчет фонда заработной платы рабочих Зт, руб. производится по формуле:

Зт = Чт * Тсм * Тэф * Рсп, (4)

где Чт - часовая тарифная ставка рабочего данного разряда, руб.,

Тсм - продолжительность смены, в часах (8 час.);

ТЭф - эффективный фонд рабочего времени одного среднесписочного рабочего, в днях;

Рсп - списочное число рабочих, чел.

Расчет суммы премии рабочих Зпрем, руб. производится по формуле:

Зпрем = (Зт * Ппрем) / 100, (5)

где Зт - заработная плата, р.,

Ппрем - процент премии согласно действующей системе премирования предприятий, р. (25%)

Результаты расчета Зт и Зпрем представлены в таблице 4.

Таблица 4. Расчет фонда заработной платы и премий

В результате расчет основной заработной платы Зосн р.:

Зосн = 1190000 + 297500 = 1487500 руб.

Дополнительная заработная плата - это вознаграждение за труд сверх установленных норм, за трудовые успехи и изобретательность и за особые условия труда. Сумма дополнительной заработной платы составляет 10% от общей суммы основной заработной платы.

3.2.5 Отчисления на социальные нужды

· Пенсионный фонд Российской Федерации - 26 процентов;

· Фонд социального страхования Российской Федерации - 2,9 процента;

· Федеральный фонд обязательного медицинского страхования - с 1 января 2011 года - 3,1 процента, с 1 января 2012 года - 5,1 процента;

· территориальные фонды обязательного медицинского страхования - с 1 января 2011 года - 2,0 процента, с 1 января 2012 года - 0,0 процента.

Отчисления на социальные нужды берутся от суммы основной и дополнительной заработной платы (Зосн +Здоп) в размере 34%:

3.2.6 Расчет расходов на содержание и эксплуатацию оборудования, и другие расходы

Общепроизводственные расходы - расходы по содержанию и эксплуатации машин и оборудования; амортизационные отчисления и затраты на ремонт основных средств и иного имущества, используемого в производстве; расходы по страхованию указанного имущества; расходы на отопление, освещение и содержание помещений; арендная плата за помещения, машины, оборудование и др., используемые в производстве; оплата труда работников, занятых обслуживанием производства; другие аналогичные по назначению расходы.

Общехозяйственные расходы - административно-управленческие расходы; содержание общехозяйственного персонала, не связанного с производственным процессом; амортизационные отчисления и расходы на ремонт основных средств управленческого и общехозяйственного назначения; арендная плата за помещения общехозяйственного назначения; расходы по оплате информационных, аудиторских, консультационных и т.п. услуг; другие аналогичные по назначению управленческие расходы.

Сумма расходов по эксплуатации оборудования и других расходов представлена в таблице 5.

Таблица 5. Стоимость расходов

Результат расчета себестоимости лидара приведен в таблице 6.

Таблица 6. Расчет себестоимости

3.2.7 Определение прогнозируемой цены изделия

Для определения оптовой цены изделия к полной себестоимости следует прибавить сумму прибыли (40% от полной себестоимости).

Ц_изд= С_полн + 0.4*С_полн, (5)

Ц_изд = 5 533 56,24+ (0,4*533 586,24) = 747020,74 руб.

Для достоверности суждений об экономической эффективности продукта необходимо учитывать его цену. Выгода для производителя от производства продукции определяется её прибылью, которая определяется как разница между фактической ценой и себестоимостью продукции. По итогам раздела рассчитана себестоимость и прогнозируемая цена лидара.

Вывод:

- Рассчитана себестоимость изделия.

- Рассчитана прогнозируемая цена изделия. 4. Раздел охраны труда и окружающей среды.

4. Обеспечение требований ОТ и ОС при выполнении техпроцесса изготовления главного зеркала телескопа