Разработка лазерного измерителя скорости на основе спекл-полей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Анализ исходных данных

2. Обзор литературы

3. Разработка оптико-механической схемы

3.1 Расчет параметров оптической системы

3.2 Разработка оптико-механической схемы

3.3 Описание установки в динамике

4. Расчет чувствительности

Заключение

Список использованных источников

1. Анализ исходных данных

В данной курсовой работе необходимо разработать лазерный измеритель скорости на основе спекл-полей.

Источником излучения служит лазер ЛГ-105 со следующими характеристиками: 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. С точки зрения фотометрии, свет - это излучение, способное вызывать ощущение яркости при воздействии на человеческий глаз. Такое ощущение вызывает излучение с длинами волн от ~0,38 до ~0,78 мкм, причем самым ярким представляется излучение с длиной волны около 0,555 мкм (желто-зеленого цвета). Поскольку чувствительность глаза к разным длинам волн у людей неодинакова, в фотометрии принят ряд условностей. В 1931 Международная комиссия по освещению (МКО) ввела понятие «стандартного наблюдателя» как некоего среднего для людей с нормальным восприятием. Этот эталон МКО - не что иное, как таблица значений относительной световой эффективности излучения с длинами волн в диапазоне от 0,380 до 0,780 мкм через каждые 0,001 мкм. Яркость, измеренная в соответствии с эталоном МКО, называется фотометрической яркостью или просто яркостью.

Основным энергетическим понятием фотометрии является поток излучения Фе, имеющий физический смысл средней мощности, переносимой электромагнитным излучением. Пространственное распределение Фе описывают энергетические фотометрические величины, производные от потока излучения по площади и (или) телесному углу. В фотометрии импульсной применяются также интегральные по времени фотометрические величины. В узком смысле фотометрию иногда называют измерения и расчёт величин, относящихся к наиболее употребительной системе редуцированных фотометрических величин - системе световых величин (освещённости, силы света, яркости, освечивания, светимости и пр.; соответствующие энергетические 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 человеческого глаза. Применяются и другие системы редуцированных (по отношению к др. приёмникам) фотометрических величин: эритемные, бактерицидные, фотосинтетические. Изучение зависимостей фотометрических величин от длины волны излучения и спектральных плотностей энергетических величин составляет предмет спектрофотометрии и спектрорадиометрии. Методы фотометрии широко применяются в астрономии для исследования космических источников излучения в различных диапазонах спектра излучения.

Существуют два общих метода фотометрии:

1) визуальная фотометрия, в которой при выравнивании механическими или оптическими средствами яркости двух полей сравнения используется способность человеческого глаза ощущать различия в яркости;

2) физическая фотометрия, в которой для сравнения двух источников света используются различные приемники света иного рода - вакуумные фотоэлементы, полупроводниковые фотодиоды и т.д.

При обоих методах для того, чтобы результаты имели универсальную значимость, условия наблюдения (или работы приборов) должны быть такими, чтобы фотометр реагировал на разные длины волн в точном соответствии со «стандартным наблюдателем» МКО. Важно также, чтобы световой выход лампы не изменялся в ходе измерений. Для стабилизации и измерения тока и напряжения в таких условиях обычно требуется довольно сложная электрическая аппаратура. В самых точных фотометрических измерениях приходится стабилизировать ток через лампу с точностью до (2 - 3)0-3%.

Визуальная фотометрия

История визуальной фотометрии начинается с П. Бугера (1698-1758), замечательного ученого, который в 1729 изобрел способ сравнения двух потоков света и сформулировал почти все основные принципы фотометрии. И. Ламберт (1728-1777) далее систематизировал теорию фотометрии, и дальнейшее ее развитие шло в основном по линии совершенствования методов. В настоящее время визуальная фотометрия применяется ограниченно - при измерении весьма слабых световых потоков, когда трудно однозначно интерпретировать результаты физической фотометрии. Дело в том, что при уровнях яркости в диапазоне 0,01-1 кд/м спектральная чувствительность глаза плавно изменяется от соответствующей адаптации к свету (дневной, или фотопической) до соответствующей адаптации к темноте (суперечной, или скотопической), а потому здесь невозможно предсказать, какой должна быть спектральная чувствительность физического (электрического) фотометра, чтобы обеспечивалось согласие с возможными результатами визуальной фотометрии. Правильная методика для этого диапазона яркостей состоит в визуальном сравнении с источником света, энергетическое распределение которого соответствует высокотемпературному полому телу, фигурирующему в определении канделы. (Таким источником света может служить электрическая лампа накаливания при некотором значении силы тока.) При очень низких уровнях световых потоков используется второй (сумеречный) эталон, принятый международным соглашением в 1959, что позволяет проводить фотоэлектрические измерения без каких-либо неоднозначностей.

Физическая фотометрия

Начало физической фотометрии положили Ю. Эльстер и Г. Гейтель, открывшие в 1889 фотоэффект. В 1908 Ш. Фери разработал электрический фотометр, чувствительность которого к разным длинам волн была близка к чувствительности человеческого глаза. Но лишь в 1930-х годах, после усовершенствования вакуумных фотоэлементов и изобретения селенового фотодиода, физическая (электрическая) фотометрия стала широко применяемым методом, особенно в промышленных лабораториях. Электрические фотоприемники, используемые в физической фотометрии, реагируют на свет с разными длинами волн не в точном соответствии с эталоном МКО. Поэтому для них требуется светофильтр - тщательно изготовленная пластинка из цветного стекла или окрашенного желатина, которая пропускала бы свет разных длин волн так, чтобы фотоприемник со светофильтром по возможности точно соответствовал «стандартному наблюдателю». Следует учитывать, что если световые потоки, различающиеся цветом, сравниваются с применением такого устройства, то результаты сравнения верны лишь условно. На самом деле невозможно гарантировать, что источники, яркость которых одинакова по оценке, основанной на эталоне МКО, покажутся одинаково яркими любому человеку. Выделение признака яркости из общего внешнего вида по-разному окрашенных источников света есть акт мысленного абстрагирования, который даже у одного и того же индивидуума протекает по-разному в разное время, а потому в тех случаях, когда требуются численные оценки, необходима стандартизованная методика измерений. /3/

3. Разработка оптико-механической системы

3.1 Расчет параметров оптической системы

Оптическая схема установки, реализующая решение заданной задачи приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Оптическая схема лазерного измерителя скорости на основе 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 решетка марки 70.3005,

7- фотодиод ФД-7К.

Для телескопической системы выбираем линзы марок 01LDX027 с фокусным расстоянием и диаметром и 01LDX169 с и /2/ Коэффициент увеличения этой системы

Главным условием телескопической системы является совмещение заднего фокуса одной линзы с передним фокусом другой линзы. Следовательно расстояние между этими линзами должно быть

(3.1)

Для приемной части устройства использованы две линзы типа 01LDX104 с фокусным расстоянием и диаметром ./2/

Из оптики известно, что поперечное увеличение в линзе определяется формулами:

(3.2)

где- фокусное расстояние линзы,

- расстояние от переднего фокуса да предмета,

- расстояние от заднего фокуса до изображения.

Диаметр лазерного пучка составляет 1 мм, диаметр выходного пучка будет составлять

Так как диаметр чувствительной пластинки фотоприемника равен 10 мм, то поперечного увеличения равного 1 будет достаточно для регистрации спекл-картины. Рассчитав данную систему, имеем, что

(3.3)

Следовательно, расстояние от объекта до центра первой линзы и от центра линзы до дифракционной решетки будет одинаковое и составит

(3.4)

Расстояние от дифракционной решетки до центра второй линзы и от центра линзы до фотоприемника составляет

(3.5)

В качестве приемника излучения будем использовать кремниевый фотодиод ФД-7К, характеристики которого представлены в таблице 1.

Таблица 1

Характеристики фотодиода ФД-7К

фотометрия оптический лазерный спекл поле

3.2 Разработка оптико-механической схемы

В данной курсовой работе требуется разработать лазерный измеритель скорости на основе спекл-полей. Данное устройство состоит из двух частей: излучающей и приемной, которые расположены относительно объекта контроля (поз 20) под углом .

Излучающая часть состоит из лазера и телескопической системы. Корпус лазера (поз. 1) с помощью 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) с помощью 4 винтов М3х1 ОСТ 92-0728-72 (поз 16). В свою очередь уголок крепится к столу (поз. 22) с помощью 6 винтов М6х1 ГОСТ 1491-80 и 6 шайб 6.65Г ГОСТ 6402-70 (поз .18, поз.19).

Приемная часть состоит из трех корпусов (поз.11,14,15), которые закреплены между собой резьбовыми соединениями. В корпус (поз.11) с одной стороны прижимается линза (поз.10) с помощью гайки М34х0,5 (поз.9), а с другой стороны крепится дифракционная решетка типа 70.3005 /2/(поз.12) с помощью клея БФ-2 ГОСТ 12172-74. К корпусу (поз.14) прижимается линза марки 01LDX104 (поз.10) с помощью гайки М34х0,5 (поз.9). Корпус (поз.14) закреплен к уголку (поз.13) с помощью 2 винтов М4х1 ОСТ 92-0727-72 (поз.17), а уголок крепится к столу (поз 22) с помощью 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 диаметра 5 мм и попадает на объект контроля. На поверхности объекта возникает спекл-картина. Как только объект контроля начинает перемещаться, спекл-картина начинает мигать. Отраженные участки спекл-картины проецируются на дифракционную решетку, которая пропускает только часть света. Эта часть света проецируется на фотоприемник, на котором создается переменный сигнал, частота которого определяет скорость движения объекта.

4. Расчет чувствительности

В данном случае необходимо провести спектральное согласование источника и приемника, т.е. определить фототок при засветке его излучением источника с известным спектральным составом.

На рисунке 3.1 представлена оптическая схема лазерного измерителя скорости на основе спекл-полей.

Опишем последовательность прохождения потока излучения на светочувствительную поверхность фотоприемника. Сначала поток излучения проходит через телескопическую систему, состоящую из двух линз. Для непросветленных линз коэффициент пропускания составляет 0,96 на каждой ее поверхности. Таким образом поток на выходе телескопической системы будет

(4.1)

Далее поток попадает на объект контроля, коэффициент отражения которого лежит в пределах от 0,05 до 0,8. Для расчета выберем минимальный 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)

Далее поток проходит через линзу, коэффициент пропускания которой 0,96 на каждой ее поверхности.

(4.3)

Потом поток излучения проходит через диафрагму, коэффициент пропускания которой , т.к. половина закрывается металлическими пленками. И величина потока излучения на выходе из диафрагмы составляет

(4.4)

Далее 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)

Так как интегральная чувствительность фотоприемника известна в световых единицах, то фототок можно определить по следующей формуле

, (4.7)

где - относительная спектральная чувствительность фотоприемника на длине волны;

на /4/

- относительная спектральная плотность эталонного источника излучения и используемого источника излучения, соответственно;

- функция видности; /4/

- поток излучения, зарегистрированный фотоприемником.

Интегральную чувствительность фотодиода =0,47 мкА/Лк переведем в единицы А/Лм следующим 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/

Так как источник излучает одну длину волны, то Следовательно формулу 4.7 можно записать следующим образом:

, (4.8)

Спектральную плотность потока излучения источника представим в виде таблицы 4.1 /4/

Таблица 4.1

Спектральная плотность потока излучения источника

Значения функции видности в зависимости от длины волны представлены в таблице 4.2. /4/

Таблица 4.2

Значения функции видности

Относительная спектральная чувствительность кремниевого фотодиода представлена в таблице 4.3./4/

Таблица 4.3

Значения функции видности

Для вычисления интеграла разобьем весь диапазон длин волн на промежутки мкм. Тогда искомый интеграл будет равен

Для вычисления интеграла разобьем весь диапазон длин волн на промежутки мкм. Тогда искомый интеграл будет равен

Подставляя полученные значения интегралов в выражение для фототока 4.8, определим его значение

(4.9)

Рассчитанное значение фототока 21,93 мкА при минимальном коэффициенте отражения объекта контроля превышает темновой ток фотоприемника, равный 5 мкА, что дает соотношение «сигнал-шум» равное 4,4, что указывает на работоспособность прибора.

Если коэффициент отражения объекта контроля будет равен 0,8, то соответственно увеличиться значение фототока и соотношение «сигнал- шум», что еще раз указывает на работоспособность прибора. Следовательно, прибор работоспособен при коэффициентах отражения объекта контроля от 0,05 до 0,8.

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы мы разработали лазерный измеритель скорости на основе спекл-полей. Данный прибор состоит из излучающей и приемной частей, которые располагаются 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 элементов (линз), дифракционной решетки и фотоприемника (фотодиода).

Проведя спектральное согласование источника и приемника, убедились в том, что прибор работоспособен даже при минимальном коэффициенте отражения объекта контроля.

Следовательно, разработанный нами прибор может выполнять возложенные на него функции.

Список использованных источников

1. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. В 2-х книгах. Кн. 1/под редакцией В.В. Клюева. - 2-е издание, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. - 488 с.: ил.

2. Справочник Optics Gueide 4 фирмы Melles Griot, 1988

3. Гуревич М.М Фотометрия. Теория методы и приборы. Л. - Энергоатомиздат, 1983. - 272 с.

4. Борисов В.И. Приборы и методы оптического, теплового и радиоволнового контроля. - Методические указания к выполнению курсовой работы. Могилев: МГТУ, 2001. - 26 с.

Размещено на Allbest.ru