CC BY
79
3. Dispetcherizatsiya priborov ucheta cherez internet [Elektronnyi resurs]. — URL: http://www.t2system.ru.
4. Avtomatizatsiya i dispetcherizatsiya sistem teplosnabzheniya zdanii [Elektronnyi resurs]. — URL: http://www.halax.ru/avtomatizacija-dispetcherizacijasis-tem.html.
5. Sistema monitoringa «HeatCAM» [Elektronnyi resurs]. — URL: http://heating.sumdu.edu.ua.
6. Zagirnyak M.V., Perekrest A.L. Opyt vnedreniya i ispol'zovaniya avtomatizirovannoi sistemy monitoringa temperaturnykh rezhimov i udalennogo upravleniya teplopotrebleniem Kremenchugskogo natsional'nogo uni-versiteta // Elektrotekhnicheskie i komp'yuternye sistemy. — 2014. — № 15 (91). — S. 423-426.
7. Shestaka A.I., Mel'nikova L.V., Busher V.V. Sovremennye metody avtomatizatsii zdanii//Elektro-tekhnicheskie i komp'yuternye sistemy. — 2013. — № 11 (87). — S. 82-89.
8. Urakseev M.A., Vazhdaev K.V Akustoopticheskie preobrazovateli: teoreticheskie predposylki i novye raz-rabotki // Datchiki i sistemy. — 2000. — № 1. — S. 35-37.
9. Urakseev M.A. Akustoopticheskie datchiki fizich-eskikh velichin. Ufa: Ufimsk. gos. akad. ekonom. i servisa, 2008. — 111 s.
10. Vazhdaev K.V. Akustoopticheskie ustroistva i ikh primenenie v priborakh i informatsionno-izmeritel'nykh sistemakh // Neftegazovoe delo. — 2012. — T. 10. — №1. — S. 148-151.
Мухамадиев А. А. Mukhamadiev А А
кандидат технических наук, доцент кафедры «Информационно-измерительная техника», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Фаррахов Р. Г. Farrakhov К. G.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретические основы электротехники», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 621.38:669
КАЛИБРОВКА АКУСТООПТИЧЕСКОГО МОНОХРОМАТОРА С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
В статье представлена разработанная методология калибровки акустооптического монохроматора с электронным управлением. Описаны структурная схема оптического блока, его составные части, монохроматор с электронным управлением, состоящий из акустооптического перестраиваемого фильтра, драйвера, соединительных кабелей и программного обеспечения, основные технические характеристики акустооптического монохроматора.
Предложен способ калибровки акустооптического монохроматора, предполагающий использование эталонного источника излучения с известными характеристиками и приемника оптического излучения с целью установления соответствия заданной длины волны пропускания монохроматором длине волны излучателя.
Представлена структурная схема и фотография разработанной системы для калибровки акустооптического монохроматора с электронным управлением. Описаны устройства, применяемые в данной системе калибровки, и приведены их технические характеристики.
В результате проведенных экспериментальных исследований получены калибровочные характеристики спектрального разрешения для коллимированного пучка, значения управляющей частоты для реперных лазерных длин волн, дифракционная эффективность.
Разработанная методика калибровки акустооптического монохроматора с электронным управлением позволяет уменьшить суммарную погрешность за счет минимизации ее систематической составляющей, а также дает возможность уменьшить время и трудоемкость процедуры калибровки.
Ключевые слова: измерение температуры, акустооптический преобразователь температуры, акустоопти-ческий перестраиваемый фильтр, оптический блок.
CALIBRATION OF THE ACOUSTO-OPTIC MONOCHROMATOR WITH ELECTRONIC CONTROL
The article describes the developed methodology for calibration of acousto-optic monochromator with electronic control. A block diagram of the optical block is described by its component parts. The developed monochromator with an electronic control consisting of acousto-optic tunable filter driver, connection cables and software. Presents the main technical characteristics of acousto-optical monochromator.
The proposed method for calibration of acousto-optic monochromator, utilizing a reference radiation source with known characteristics and a receiver of optical radiation with the purpose of establishing compliance with the set wavelength bandwidth of the monochromator the wavelength of the emitter.
A block diagram and photograph of the developed system for calibration of acousto-optic monochromator with electronic control. Describes the devices used in this calibration system, and given their specifications.
In result of experimental research obtained in calibration spectral resolution for a collimated beam, the value of the control frequency to the reference laser wavelength, diffraction efficiency.
The developed method of calibration of acousto-optic monochromator with electronic control, allows to reduce the total error by minimizing its systematic component, and also enables to reduce the time and complexity of the calibration.
Key words: temperature measurement, the acousto-optic temperature transducer, the acoustooptic tunable filter, algorithm, effective wavelength, optical unit.
В настоящее время среди различных методов построения устройств и систем различного назначения все большее распространение получает модульный принцип. Модульный принцип построения устройств и систем предполагает, что состав указанных средств состоит из блоков (модулей), обеспечивающих возможность их замены или изменения с целью совершенствования функционирования или адаптации к новым условиям. Под модулем понимают составную часть, имеющую законченные функциональное назначение и конструкцию и снабженную элементами соединения и коммутации с другими модулями в изделии. Применение модульного принципа построения позволяет повысить уровень унификации, сократить трудоемкость проектирования и изготовления машины. Оптический блок акустоопти-ческого пирометра построен по модульному принципу, при этом связь между составными частями устройства осуществляется посредством волоконно-оптического кабеля.
Для любого измерительного прибора важнейшей характеристикой является точность результатов осуществляемых им измерений. В этой связи важной представляется процедура калибровки прибора, которая на методическом уровне определяет точность его работы. Реализация модульного принципа позволяет обеспечить проведение калибровки отдельных модулей устройства, в частности, оптико-электронного модуля оптического блока акустооптического пирометра с целью повышения точности измерения, чему и посвящена данная работа.
На рисунке 1 представлена структурная схема акустооптического пирометра, которая состоит из оптического блока 1, содержащего последовательно соединенные стеклянное окно, прозрачное в инфракрасном диапазоне 2, линзу 3, фокусирующую световой поток на входной торец волоконного световода 4, выходной торец которого соединен с акустооптическим моно-хроматором 5, выход которого соединен с входом измерительного блока 6, а выход управления измерительного блока связан с управляющим входом моно-хроматора.
Основным элементом акустооптического пирометра, определяющим качественные характеристики, является акустооптический монохроматор с электронным управлением (МЭУ) (рисунок 2). Основными конструктивными элементами монохроматора с электронным управлением являются: входной оптический разъем монохроматора 1, акустооптический перестраиваемый фильтр с входным и выходным поляризатором 2, выходной оптический разъем монохроматора 3, драйвер акустического сигнала 4, блок питания 5, соединительные кабели 6 (рисунок 2). Технические характеристики МЭУ представлены в таблице 1 [1-11].
МЭУ состоит из металлического корпуса, в котором размещен фильтрующий элемент АОПФ (2), а также входной (1) и выходной поляризаторы (3) (рисунок 3).
Способ калибровки акустооптического монохро-матора предполагает использование эталонного источника излучения с известными характеристиками и приемника оптического излучения с целью установ-
n
II 1
\
Управляющий сигнал Рисунок 1. Структурная схема оптического преобразователя температуры
Таблица 1. Технические характеристики монохроматора с электронным управлением
Рисунок 2. Монохроматор с электронным управлением
Рисунок 3. Акустооптический перестраиваемый фильтр с входным и выходным поляризаторами
ления соответствия заданной длины волны пропускания монохроматором длине волны излучателя.
Калибровку монохроматора можно разделить на несколько этапов:
• калибровка источника, приемника и волоконно-оптических кабелей;
• регистрация излучения на трех длинах волн;
• определение величины отклика приемника, вызванного падающим на него излучением;
• определение соответствия заданной длины волны пропускания монохроматором длине волны излучателя;
• определение коэффициента пропускания монохроматора.
В качестве источника излучения использовались лазерные диоды на длинах волн: 850, 1300, 1310, 1550 нм.
Материал акустооптического фильтра (АОФ) TeO 2
Спектральный диапазон, нм 850-1900
Диапазон управляющих частот, МГц 78-45
Световое окно АОФ, диаметр, мм 6,0
Входная угловая апертура АОФ, град 5,1
Максимально допустимая средняя по времени мощность управляющего сигнала, Вт 2,5
Входное волновое сопротивление, Ом 50
Источник излучения
Акустооптический монохроматор
Приемник излучения
Драйвер
ПК
Рисунок 4. Структурная схема калибровочной системы Для регистрации излучения лазера было использовано фотоприемное устройство.
Структурная схема калибровочной системы представлена на рисунке 4, фотография системы — на рисунке 5.
На рисунке 5 представлены: 1 — ПК; 2 — источник лазерного излучения; 3 — драйвер; 4 — акустооптический монохроматор; 5 — приемник излучения.
В качестве источника лазерного излучения используется Grandway FHS2Q01F, предназначенный для работы на следующих длинах волн: 850, 1300, 1310, 1550 нм. Основные характеристики прибора: ширина спектра — 3 нм; частота модуляции — 270, 1000, 2000 Гц; выходная мощность--5 дБм (± 0,5 дБ).
В качестве приемника излучения используется измеритель оптической мощности SNR-PMT-08C, предназначенный для регистрации излучения и определения параметров. Основные характеристики прибора: рабочий диапазон длин волн — 800-1600 нм; тип детектора — InGaAs; диапазон измеряемой мощности --50~+23 дБм; погрешность — ±0,15 дБ; калиброванные длины волн — 850, 1300, 1310, 1550 нм.
Калибровка проходит следующим образом. Источник Grandway FHS2Q01F испускает излучение на следующих длинах волн: 850, 1300, 1310, 1550 нм.
Рисунок 5. Фотография калибровочной системы
Таблица 2. Экспериментальные данные калибровки
№ п/п Технические характеристики акустооптического монохроматора Калибровочные данные
1. Спектральное разрешение для коллимированного пучка: — на длине волны 632,8 нм — на длине волны 1152,3 нм — на длине волны 1542 нм 1,9 нм 2,6 нм 4,9 нм
2. Значение управляющей частоты для реперных лазерных длин волн: — на длине волны 632,8 нм — на длине волны 1152,3 нм — на длине волны 1542 нм 150,65 МГц 76,69 МГц 56,33 МГц
3. Дифракционная эффективность: — на длине волны 632,8 нм, при мощности управляющего сигнала — на длине волны 1152,3 нм, при мощности управляющего сигнала — на длине волны 1542 нм, при мощности управляющего сигнала 0,43 Вт — 70 % 0,48 Вт — 70 % 0,51 Вт — 70 %
При помощи ПК подается управляющий сигнал на драйвер, генерирующий управляющие частоты для указанных длин волн. Поступающее по волоконному световоду излучение проходит через акустооптиче-ский монохроматор и далее по волоконному световоду попадает на приемник SNR-PMT-08C.
Результаты экспериментальных данных представлены в таблице 2.
По полученным экспериментальным данным были построены калибровочные характеристики, представленные на рисунке 6.
Выводы
В статье представлена разработанная методика калибровки акустооптического монохроматора с электронным управлением, позволяющая уменьшить суммарную погрешность за счет минимизации ее систематической составляющей, а также время и трудоемкость процедуры калибровки.
а) Спектральное разрешение для коллимированного пучка
3400
16DO
1000 SEX)
Г, МГц
б) Значение управляющей частоты для реперных лазерных длин волн
в) Дифракционная эффективность Рисунок 6. Калибровочные характеристики
Список литературы
1. Фаррахов Р.Г., Мухамадиев А.А. Принципы построения оптических преобразователей температуры // Прикаспийский журнал: Управление и высокие технологии. — 2009. — № 2 (6). — С. 21-26.
2. Фаррахов Р.Г., Ураксеев М.А., Мухамадиев А.А. Оптико-электронные преобразователи температуры для систем контроля технологическими процессами. — Уфа: Уфимская государственная академия экономики и сервиса, 2010. — 105 с.
3. Мухамадиев А.А., Фаррахов Р.Г., Ураксеев М.А. Акустооптические приборы информационно-измерительных систем экологического мониторинга. — Уфа: Уфимская государственная академия экономики и сервиса, 2009. — 119 с.
4. Мухамадиев А.А., Фаррахов Р.Г. Математическая модель акустооптического пирометра // Датчики и системы. — 2012. — № 2. — С. 28-30.
5. Мухамадиев А.А., Фаррахов Р.Г. Статическая характеристика, чувствительность и разрешающая способность акустооптического пирометра // Датчики и системы. — 2011. — № 11. — С. 41-43.
6. Мухамадиев А.А., Фаррахов Р.Г. Акусто-оптический преобразователь температуры // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. — 2011. — № 1. — С. 26-28.
7. Фаррахов Р.Г., Мухамадиев А.А. Универсальный пирометр для измерения высоких температур // Датчики и системы. — 2010. — № 11. — С. 23-25.
8. Фаррахов Р.Г. Математическая модель оптического преобразователя температуры с волоконным световодом // Приборы. — 2010. — № 4. — С. 11-14.
9. Мухамадиев А.А., Ураксеев М.А., Фаррахов Р.Г., Ильясов И.Р. Основные этапы становления и развития акустооптики в XX веке // История науки и техники.
— 2010. — № 3 (спец. выпуск № 1). — С. 34-37.
10. Фаррахов Р.Г., Мухамадиев А.А. Оптический преобразователь температуры для систем контроля и управления // Датчики и системы. — 2010. — № 10.
— С. 39-41.
11. Пат. 2399892 Российская Федерация, МПК8 G 01 J 15/10. Оптический преобразователь температуры / Р.Г. Фаррахов, А.А. Мухамадиев. 2009122755/28; заявл. 15.06.2009; опубл. 20.09.10.
References
1. Farrakhov R.G., Mukhamadiev A.A. Printsipy pos-troeniya opticheskikh preobrazovatelei temperatury // Prikaspiiskii zhurnal: Upravlenie i vysokie tekhnologii.
— 2009. — № 2 (6). — S. 21-26.
2. Farrakhov R.G., Urakseev M.A., Mukhamadiev A.A. Optiko-elektronnye preobrazovateli temperatury dlya sistem kontrolya tekhnologicheskimi protsessami.
— Ufa: Ufimskaya gosudarstvennaya akademiya ekono-miki i servisa, 2010. — 105 s.
3. Mukhamadiev A.A., Farrakhov R.G., Urakseev M.A. Akustoopticheskie pribory informatsionno-izmeritel'nykh sistem ekologicheskogo monitoringa. — Ufa: Ufimskaya gosudarstvennaya akademiya ekonomiki i servisa, 2009. — 119 s.
4. Mukhamadiev A.A., Farrakhov R.G. Matematicheskaya model' akustoopticheskogo pirometra // Datchiki i sistemy. — 2012. — № 2. — S. 28-30.
5. Mukhamadiev A.A., Farrakhov R.G. Staticheskaya kharakteristika, chuvstvitel'nost' i razreshayushchaya sposobnost' akustoopticheskogo pirometra // Datchiki i sistemy. — 2011. — № 11. — S. 41-43.
6. Mukhamadiev A.A., Farrakhov R.G. Akustoopti-cheskii preobrazovatel' temperatury // Pribory i sistemy. Upravlenie, kontrol', diagnostika. — 2011. — № 1. — S. 26-28.
7. Farrakhov R.G., Mukhamadiev A.A. Universal'nyi pirometr dlya izmereniya vysokikh temperatur // Datchiki i sistemy. — 2010. — № 11. — S. 23-25.
8. Farrakhov R.G. Matematicheskaya model' optich-eskogo preobrazovatelya temperatury s volokonnym svetovodom // Pribory. — 2010. — № 4. — S. 11-14.
9. Mukhamadiev A.A., Urakseev M.A., Farrakhov R.G., Il'yasov I.R. Osnovnye etapy stanovleniya i raz-vitiya akustooptiki v XX veke // Istoriya nauki i tekhniki. — 2010. — № 3 (spets. vypusk № 1). — S. 34-37.
10. Farrakhov R.G., Mukhamadiev A.A. Opticheskii preobrazovatel' temperatury dlya sistem kontrolya i upravleniya // Datchiki i sistemy. — 2010. — № 10. — S. 39-41.
11. Pat. 2399892 Rossiiskaya Federatsiya, MPK8 G 01 J 15/10. Opticheskii preobrazovatel' temperatury / R.G. Farrakhov, A.A. Mukhamadiev. 2009122755/28; zayavl. 15.06.2009; opubl. 20.09.10.
