CC BY
10
Шишкина Анастасия Андреевна, студентка, shishkina5ap@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
REGULATIONS ON LABOR PROTECTION WHEN USING THERMAL POWER
INSTALLATIONS
A.E. Koryakov
The basic rules for the operation of thermal power plants are described, some provisions of the laws of the Russian Federation are given. A schematic diagram of a power plant is considered.
Key words: thermal power plants, labor protection, power plant, workers.
Shishkina Anastasia Andreevna, student, shishkina5ap@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.317; 681.7.08
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ИСКАЖЕНИЙ ОПТИЧЕСКОГО ПУЧКА НА ПОГРЕШНОСТЬ УГЛОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Е.А. Макарецкий
Проведен анализ влияния искажений оптического пучка на погрешность измерения угловых величин в системах с датчиками на основе резонансных многослойных оптических структур. Искажения оптического пучка возникают из-за его преобразования при распространении в свободном пространстве. Оценено влияние амплитудных и фазовых искажений, а также поперечного смещения датчика на погрешность измерений.
Ключевые слова: углоизмерительные системы; резонансные многослойные оптические структуры.
Оптические датчики угловых величин на основе резонансных многослойных оптических структур (РМОС) являются одними из наиболее перспективных в своём классе. Многослойные резонансные оптические структуры при углах падения, близких к углу полного внутреннего отражения, отличаются аномально высокими углоизбирательными свойствами, заключающимися в сильной зависимости оптического пропускания и отражения от угла падения излучения [1]. Оптическое пропускание РМОС изменяется от минимального до максимального значений при отклонении угла падения входного пучка на сотые доли угловой секунды. Это позволяет эффективно использовать их в качестве высокочувствительных угловых датчиков (угловых дискриминаторов).
Впервые на уникальные свойства интерференционных структур обратил внимание Л.В. Иогансен [2], подробный анализ процессов в многослойных интерференционных структурах провёл Ю.А. Покровский [3].
Одним из перспективных направлений применения угловых дискриминаторов с РМОС являются системы измерения непрямолинейности глубоких отверстий [4]. Особенностью подобных систем является большая протяжённость участка измерения (до нескольких метров), что приводит к изменению характеристик оптического пучка и за счёт этого - снижению точности измерений. Типичная схема системы измерения непрямолинейности глубоких отверстий показана на рис. 1.
Измеряемое воздействие на датчик
Рис. 1. Структурная схема системы измерения непрямолинейности
глубоких отверстий
Излучение лазера (рис. 1) формируется оптической системой, состоящей из коллиматора и диафрагмы, определяющими размер и амплитудно-фазовое распределение пучка. Датчик непрямолинейности перемещается вдоль контролируемого канала и при изменении направления оси канала у датчика РМОС изменяется оптическое пропускание, что регистрируется фотоприёмником 1. Второй канал (с фотоприёмником 2) используется как опорный для компенсации изменения уровня входной мощности пучка. Угловая зависимость оптического пропускания РМОС является нелинейной, измеряется экспериментально для равноамплитудно-го синфазного сигнала прямоугольной формы, заносится в память системы обработки и впоследствии используется для измерения углового смещения датчика.
Поскольку длина канала может составлять несколько метров, из-за дифракции амплитудно-фазовое распределение пучка изменяется, что приводит к изменению угловой характеристики оптического пропускания РМОС и снижению точности измерений.
Для учёта и компенсации возникающих погрешностей необходимо установить влияние искажений пучка на характеристику оптического пропускания РМОС. Это может быть произведено на основе математических моделей РМОС, предложенных в [3, 4].
Простейшая РМОС (рис. 2) представляет собой тонкий резонансный зазор d2 между двумя призмами из оптического стекла 1, 3, обеспечивающими необходимый угол падения излучения на зазор.
159
а
[2
Авых()
Аотр(Х) б
Рис. 2. Конструктивная схема РМОС (а) и схема прохождения пучка
через структуру (б)
Особенностью РМОС является высокая угловая избирательность только в одной плоскости (х07, рис. 2, а) [3], что позволяет провести анализ прохождения сигнала для одномерного случая. Амплитудное распределение выходного сигнала Авых(х) связано с известным амплитудно-фазовым распределением входного сигнала Авх(х) интегралом свёртки [4].
Общее амплитудно-фазовое распределение выходного пространственного сигнала рассчитывается раздельно для вынужденного участка х1 < х < х2 (участок 1 на рис. 2) и участка свободных пространственных колебаний для х > х2 (участок 2 на рис. 2) по соотношениям [4]
Авын(х)= I Ах (х)И(х - х)Лс; х1 < х < х2; х1
(1)
А+в (х) = | Авх (х')к(х - х )dx'; х2 < х < ¥,
х2
где Н(х ) = — ехр
г л х
V -х у
(2)
- импульсная характеристика РМОС [3]; Ьх - по-
и
оо
стоянная длины РМОС [3], зависящая от толщины зазора и показателей преломления призм. В измерительном канале используется только сигнал вынужденного участка, который выделяется диафрагмой перед фотоприёмником.
Изменение амплитудно-фазового распределения пучка в процессе распространения может быть рассчитано для случая дифракции оптической волны на апертуре [5] с помощью интеграла Френеля - Кирхгофа, который в одномерном случае имеет вид:
Лх (X, * ) = 4 ¥ Л (Х0 )ехр(- ^ *)
1
г0 *
cosвzrdx0,
(3)
где го * =д/ * 2 + (х - х о)2 ; Ао( х о) - амплитудно-фазовое распределение
оптического пучка в плоскости апертуры; к = 2р/1; X - длина волны излучения; * - расстояние от диафрагмирующей апертуры до входной плоскости датчика РМОС (рис. 3).
Диафрагма
Рис. 3. К расчёту дифракции пучка на выходной диафрагме
оптической системы
На рис. 4 приведены расчётные амплитудные и фазовые распределения сигнала на входе РМОС для различных расстояний при равноампли-тудном синфазном сигнале в плоскости выходной диафрагмы оптической системы.
Приведенные графики показывают, что амплитудно-фазовое распределение существенно изменяется, что ведёт к изменению угловой характеристики оптического пропускания и появлению погрешности измерений. При этом возможны два варианта погрешностей:
- непосредственно искажение угловой зависимости оптического пропускания РМОС из-за изменения амплитудно-фазового распределения оптического сигнала на входе;
- изменение выходного сигнала из-за пространственного смещения апертуры датчика в результате движения по непрямолинейному измеряемому каналу.
оо
Авх(х)
0,24
0,08
.5 ■' 4
-ч / 2 УУУ 1
- 0,01
- 0,01
- 0,005
а
- 0,005
б
0,005
X, М
X, м
Рис. 4. Расчётные амплитудные (а) и фазовые (б) распределения сигнала на входе РМОС для различных расстояний: 1 - 0,5 м; 2 -1 м; 3 - 2 м; 4 - 5м; 5 -10 м; размер диафрагмы 0,01 м; длина волны 1 мкм
Моделирование прохождения искажённого оптического пучка через датчик на основе РМОС для различных расстояний позволило оценить среднеквадратическую погрешность, возникающую в этом случае (таблица).
Среднеквадратическая погрешность, возникающая из-за изменения
Расстояние от оптической системы до датчика 2, м 1,0 2,0 5,0
Относительная погрешность, % 0,95 1,6 2,1
Полученные данные показывают, что относительная погрешность на расстояниях до 5 м может составлять единицы процентов, что для точных измерений достаточно много.
Для оценки влияния второго типа погрешности моделировалось параллельное смещение апертуры датчика при неподвижном положении искажённого оптического пучка. При идеальном (синфазном равноампли-тудном) сигнале изменение выходного сигнала отсутствует, поскольку
162
датчик инвариантен к параллельным смещениям. Сложная форма распределения (рис. 4, а) позволяет предположить, что зависимость может быть немонотонной.
На рис. 5 приведены результаты моделирования параллельного смещения апертуры 3=Л/а (а - размер диафрагмы; 3 - смещение) для различных расстояний от оптической системы до датчика.
а
А/Ао
0.98
0.96
0.94
1
2
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
б
А/Ао
1.02
0.98
0.96
0.94
1 /
V \ /
\ /> с / 2
г
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
в
Рис. 5. Результаты моделирования параллельного смещения апертуры для различных расстояний от оптической системы до датчика: а - 5 м; б - 2 м; в -1 м; 1 - смещение влево; 2 - смещение вправо
163
Полученные результаты показывают, что погрешность измерений при параллельном смещении датчика слабо зависит от расстояния оптическая система - датчик, имеет немонотонный характер и может достигать 3...4 %. Характер изменения погрешности при смещении объясняется колебательным характером изменения амплитуды пучка и изменением начального уровня сигнала в зависимости от величины смещения.
Результаты проведённого анализа показывают, что при увеличении расстояния от формирователя оптического пучка до датчика РМОС относительные погрешности измерений возрастают и без использования дополнительных мер могут превысить 5.7 %. В качестве методов снижения роста погрешности с увеличением расстояния можно рекомендовать использование пучка с гауссовым амплитудным распределением, но при этом расширяется угловая полоса датчика и снижается крутизна преобразования угол-напряжение.
Список литературы
1. Макарецкий Е.А., Овчинников А.В., Гублин А.С. Теория оптико-электронных устройств на основе интерференционных углоизбирательных структур: монография. LAP Lambert Academic Publishing GmbH & Co. KG, Saarbrucken, Germany, 2012. 178 с.
2. Иогансен Л.В. Теория резонансных электромагнитных систем с полным внутренним отражением. II // Журнал технической физики, 1963. Т. 33. Вып. 11. C. 1323-1335.
3. Покровский Ю.А., Соколовский И.И. Прикладная радиооптика. Теория и методы резонансной угловой фильтрации. Киев: Наукова думка, 1986. 220 с.
4. Макарецкий Е.А., Паринский А.Я., Гублин А.С., Абрамова М.А. Оптико-электронные устройства обработки и распознавания изображений: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 100 с.
5. Акаев А. А., Майоров С. А. Оптические методы обработки информации. М.: Высшие школа, 1988. 237 с.
Макарецкий Евгений Александрович, д-р техн. наук, профессор, makaretsky@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS OF THE EFFECT OF OPTICAL BEAM DISTORTION ON THE ERROR OF
ANGULAR MEASUREMENTS
E.A. Makaretskiy
The analysis of the influence of optical beam distortions on the measurement error of angular values in systems with sensors based on resonant multilayer optical structures is carried out. Distortions of an optical beam occur due to its transformation during propagation in free space. The influence of amplitude and phase distortions, as well as the transverse displacement of the sensor on the measurement error is estimated.
Key words: angle measuring systems; resonant multilayer optical structures.
Makaretskiy Eugene Alexandrovich, doctor of technical sciences, docent, professor of department, makaretsky@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
