 |
|
Методика расчета компенсатора
Компенсатор должен перевести эллиптически поляризованный свет в линейно поляризованный, чтобы потом с помощью анализатора «пронаблюдать» минимальную интенсивность излучения.
Для этого необходимо, чтобы возникшая разность фаз между параллельной и перпендикулярной составляющими электрического вектора в измерительном элементе при конкретном уровне рабочей среды была компенсирована компенсатором, т.е. разность фаз между этими составляющими стала бы равной нулю.
При равных заполнениях рабочей поверхности ИЭ-та эта разность фаз также станет различной. Поэтому, изменяя угол падения на компенсатор, можно получить нулевую разность фаз либо при различных углах q, либо при различных отражениях от границы раздела двух сред в компенсаторе, т.е. в равное время для разных заполнении рабочей поверхности. Именно это и нужно рассчитать (составить таблицу), изменяя разность фаз между составляющими компонентами поляризованного излучения в зависимости от угла падения светового потока q и числа отражений N.
Расчет осуществляется по формулам для 
и 
.
Окружающая среда – воздух, поэтому n2 = 1,0. Выбираем в качестве материала компенсатора кварц с показателем преломления n1 = 1,46. Определим критический угол падения светового потока qкр = arcsin(n2/n1) = 43,23°. Это означает, что модуляцию компенсатора следует осуществлять в пределах от 43° до 90°, т.е. в областях q > qкр. Задаемся: q = 
, q = 
, q = 
, q = 
,
q = 
, q = 
, q = 
, q = 
, q = 
.
Рассчитанные данные занесем в таблицу:
| q | |||||||||
| 22,6 | 55,2 | 75,9 | 92,7 | 108,9 | 123,7 | 138,2 | 152,4 | 166,2 |
| 10,08 | 45,15 | 83,88 | 117,47 | 141,86 | 158,19 | 169,76 | 175,30 | 178,86 |
Определив из таблицы разность фаз, найдем количество отражений, которое необходимо, чтобы эта разность фаз стала равной нулю.
Проведем расчет компенсатора с переменным углом падения. Для получения параллельного пучка внутри полуцилиндра световой поток фокусируют перед криволинейной поверхностью полуцилиндра на расстоянии d от нее:
d = r/(n1 – 1), где r – радиус полуцилиндра, a n1 – показатель преломления материала. Выбрали n1 = 1,46.
Если принять r = 10 мм, то d = 10/0,46 = 21,7 мм. Так как нам известно число отражений N, то из выражения 2N = (l/t)ctg q найдем параметры компенсатора: задаемся t = 4 мм, тогда l = (2Nt)/ctg q. Эта величина находится для максимального значения N.
Предлагаем еще один вариант проверки работоспособности предложенного метода. Для реализации данного измерения и воспользовались ИЭ-ми НПВО и МНПВО, изготовленными из стекол типа ИКС, из германия, кремния, КРС-5, КРС-6, а также отечественный спектрофотометр ИКС-29 и пленочные металлизированные поляризаторы на полиэтилене и фторопласте.
Азимут поляризации выбран 45°. Перо самописца регистрирует степень прохождения светового потока через измерительную систему. Как известно, при ПВО между ортогональными составляющими плоскополяризованного света возникает разность фаз. Как следствие этого – переход от линейно поляризованного светового потока к эллиптической поляризации. Если в этом случае из системы устранить компенсатор, то при вращении анализатора под любым углом на его выходе, а, следовательно, на выходе фотоприемника сигнал будет присутствовать всегда, хотя и разной интенсивности. Таким образом, с помощью анализатора, представляющего собой поляризатор (для получения линейно-поляризованного светового потока), нельзя полностью погасить интенсивность светового потока. Следовательно, самописец всегда будет регистрировать прохождение света, хотя и различной степени. Самописец может зарегистрировать отсутствие на выходе фотоприемника светового потока только в том случае, когда эллиптически поляризованный свет будет переведен в линейно-поляризованный. Тогда с помощью соответствующего поворота анализатора можно погасить практически полностью световой поток. В этом случае остаточный световой поток будет определяться только тем, что поляризатор и анализатор – не идеальны, т.е. степень поляризации не 100%, а ниже. Отметим, что необходимо сохранить фокусировку светового луча на входной щели монохроматора. Желательно предусмотреть возможность поворота компенсатора, т.е. менять угол падения светового потока, тем самым изменяя сдвиг фаз между ортогональными составляющими плоскополяризованного света.
Рассмотрим функциональную схему электронного блока для технической реализации первичной информации оптоэлектронных преобразователей при спектроскопии внутреннего отражения.
Рассмотрим реализацию электронным блоком определения объема незаполненного пространства на ИЭ, в зависимости от которого в различные промежутки времени на выходе фотоприемника 4 электрический сигнал отсутствует. Инвертор 5 обеспечивает его появление в эти же временные промежутки. Величина сигнала в данном случае постоянна (определяется только построением электрической схемы инвертора) и не зависит от интенсивности полос поглощения, а зависит лишь от объема незаполненного пространства ИЭ, что связано со временем его появления относительно начала отчета (синхронизация осуществляется микро – ЭВМ 19).
Рис. 6.50. Функциональная схема оптоэлектронного преобразователя
1 – первичный фотоэлектрический преобразователь; 2 – компенсатор;
3 – анализатор; 4 – фотоприемник; 5 – инвертор; 6 – фазорасщепитель;
7 – синхронный детектор; 8 – усилитель постоянного тока; 9 – интегратор;
10 – схема сравнения; 11 – модулятор; 12 – усилитель мощности;
13 – делитель частоты; 14 – генератор; 15 – усилитель; 16 – фазовращатель;
17 – схема опорного напряжения; 18 – синхронизация работы излучателя;
19 – микро-ЭВМ; 20 – схема сброса; 21 – схема запуска интегратора;
22 – схема сброса; 23 – пересчетное устройство; 24 – индикаторное устройство;
25 – кварцевый генератор; 26 – схема формирования; 27 – ключ импульсов.
В схеме используется синхронный детектор 7, поскольку в режиме работы электронного блока при малых количествах анализируемого объекта возможны очень слабые сигналы; тогда детектор позволит осуществить их накопление. Работа такого детектора обеспечивается сигналами с фазорасщепителями 6, а также путем подачи опорного напряжения 17. Сигналы с 6 и 17 должны совпадать по фазе, что гарантируется приводом в движение измерительного элемента (выступающего в роли компенсатора) или источника излучения с помощью модулятора, частота работы которого связана с частотой сигнала генератора 14. Можно модулировать и положение анализатора 3. Фазовращатель предназначен для настройки этих двух сигналов. Постоянная времени детектора, обеспечивающая время накопления полезного сигнала, выбирается с применением микро-ЭВМ в зависимости от режима работы электронного блока.
На выходе усилителя постоянного тока 8 в зависимости от объема незаполненного пространства на ИЭ в разное время (относительно начала отчета) создается постоянное напряжение. Следовательно, сигнал и на выходе интегратора 9 появится в разное время, что обуславливает запуск схемы сравнения 10 также в разное время, пропорциональное объему незаполненного пространства.
Через время рабочего такта микро-ЭВМ возвращает схему сравнения в исходное состояние, поэтому на выходе схемы 10 возникает импульс длительностью t, который поступает на один из выходов электронного ключа 27 и открывает его на время своей длительности t. За этот промежуток времени со схем 25 и 26 на второй вход ключа 27 и далее на его выход поступает некоторое количество импульсов, пропорциональное времени работы ключа. Наличие кварцевого генератора 25 сводит к минимуму погрешность измерения длительности импульса со схемы сравнения.
С выхода ключа импульсы поступают на пересчетное устройство 23, обеспечивающее работу цифрового индикатора 24, проградуированного в значениях количества образца на ИЭ.
После определения первого технологического параметра электронный блок с помощью микроЭВМ переводится в режим обработки информации о втором технологическом параметре – концентрации компонентов в жидкой среде. В данном режиме работы электронный блок измеряет не разность фаз, а интенсивность поглощения светового потока на длине волны определенным компонентом. Вследствие этого на выходе фотоприемника появляется сигнал, пропорциональный технологическому параметру (его концентрации).
Если такой сигнал промодулирован за счет изменения положения анализатора (поляризатора) с частотой этого измерения, то при углах падения светового потока 45° выполняется соотношение 
, где 
и 
– эффективные толщины измеряемого образца для параллельной и перпендикулярной поляризации излучения. Следовательно, сигнал на выходе фотоприемника, для параллельно поляризованного света в два раза выше, чем для перпендикулярного (указанное соотношение для анизотропных образцов), поэтому при данной модуляции на выходе фотоприемника появляется переменный электрический сигнал.
Для измерения амплитуды используется схема, аналогичная измерению разности фаз, то есть значение амплитуды переводится во временной интервал, пропорциональный ее значению, с помощью рассмотренного выше устройства. Этот интервал характеризуется количеством импульсов от кварцевого генератора, то есть работа электронного блока при измерении второго технологического параметра осуществляется аналогично определению первого.
6.9. Исследование и разработка волоконно-оптического
датчика температуры с ИК-световодом.
В данном разделе рассматривается задача автоматического контроля температуры текстурируемой нити непосредственно в термокамере, что позволит синтезировать высокоэффективную систему управления температурными режимами нагрева и охлаждения текстурируемых нитей.
Данная задача является весьма сложной, поскольку необходимо контролировать температуру движущейся с высокой скоростью нити в среде с температурой адекватной температуре нагреваемого продукта.
Нить, нагреваемая в термокамере, имеет температуру 170 ¸ 220 °С и испускает электромагнитное излучение в средней области ИК-спектра, что и используется в данной работе для измерения температуры нити с помощью оптических волокон, обеспечивающих передачу ИК-излучения из зоны контроля к первичному фотопреобразователю.
Особенность процесса измерения состоит в том, что необходимо измерять температуру движущейся текстильной нити в воздушной среде обладающей такой же температурой, однако спектр электромагнитного излучения лежит в области недоступной для передачи по кварцевым оптическим волокнам.
В данном разделе обоснован выбор элементов волоконной оптики способной передавать требуемый оптический диапазон длин волн, осуществлен выбор фотоприемного элемента, способного «различать» температуру движущегося объекта и воздушной среды. Кроме того, в данном разделе проведен расчет оптической части измерительного устройства, определена функциональная схема датчика, реализован его макетный образец и определены метрологические характеристики преобразователя.
6.9.1.Функциональная схема датчика температуры
с поликристаллическим ИК-световодом
Функциональная схема датчика температуры с поликристаллическим ИК-световодом приведена на рис. 6.51.
Рис. 6.51. Функциональная схема одноканального
датчика с поликристаллическим ИК-световодом.
Датчик работает следующим образом: тепловое ИК-излучение фокусируется объективом 1, вводится в волокно 2 и транспортируется в оптоэлектронный блок 3 в пластмассовом корпусе. На входе блока установлен электромеханический модулятор-прерыватель 4 излучения. Он необходим для создания прямоугольных оптических импульсов типа «меандр» с регулируемой частотой 1 ¸ 100 Гц, задаваемой генератором 9. Прерывистое излучение требуется для работы пироприемника, ибо он реагирует только на перепады температур контролируемого объекта. Далее установлен фильтр 5 для пропускания излучения в узком спектральном диапазоне. В нашем случае устанавливался фильтр с пропусканием 7,0 ¸ 7,5 мкм. После фильтра свет поступает на пироприемник 6 (IRA-E710STO), выходной сигнал, с которого усиливается и сглаживается в усилителе 7 и выдается на цифровой индикатор 8. Электронный блок, выделенный рамкой, имеет аналоговый и цифровой выходы. Аналоговый выход необходим для просмотра выходного сигнала на осциллографе, а цифровой – для передачи на персональный компьютер.
Ниже, обоснован выбор элементов волоконной оптики способной передавать требуемый оптический диапазон длин волн, осуществлен выбор фотоприемного элемента, способного «различать» температуру движущегося объекта и воздушной среды. Кроме того, в данном разделе проведен расчет оптической части измерительного устройства, определена структура макетного образца датчика и определены метрологические характеристики преобразователя.