CC BY
20
тш
Мухамадиев А. А. Mukhamadiev А. А.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Информационно-измерительная техника», ФГБОУВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 621.38:669
Фаррахов Р. Г. Farrakhov Я. G.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретические основы электротехники», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
СКАНИРУЮЩИМ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ
В ряде случаев метрологические характеристики оптико-электронных преобразователей температуры обусловлены тем, что коэффициент излучения объектов либо неизвестен, либо изменяется по неизвестному закону в сверхмалый промежуток времени, а также влиянием атмосферы. Одним из возможных путей их улучшения является обеспечение сканирования спектра излучения объекта контроля.
Разработана структурная схема сканирующего оптико-электронного преобразователя температуры. Акустооптический монохроматор с электронным управлением предназначен для выделения из широкого спектрального диапазона электромагнитного излучения узкой линии, длина волны и интенсивность которой изменяются в соответствии с электронным управляющим сигналом. Описан принцип действия работы монохроматора. Основным устройством является драйвер, который управляет работой монохроматора. Драйвер представляет собой металлический корпус, в котором располагаются синтезатор частоты прямого синтеза с микропроцессорным управлением и усилитель мощности. Драйвер имеет четыре разъема для соединения с внешними устройствами: ВЧ разъем типа SMA для соединения с оптическим блоком, разъем ^В-2 для соединения с ПК, разъем питания, разъем для подключения к внешнему генератору видеоимпульсов модуляции мощности. Представлена фотография конструкции драйвера.
Сканирование осуществляется изменением частоты управляющего электрического сигнала. Описаны различные режимы его осуществления и регулируемые параметры.
В результате проведенных экспериментальных исследований были получены перестроечные зависимости акустооптического монохроматора с электронным управлением с относительной погрешностью вычисления, не превышающей 0,3 % (при сравнении с экспериментальными результатами, полученными для длин волн 1152,3 и 1542 нм).
Таким образом, использование акустооптического монохроматора с электронным управлением позволяет реализовать сканирование теплового спектра излучения контролируемого объекта посредством выделения из широкого спектрального диапазона электромагнитного излучения узкой линии, длина волны и интенсивность которой изменяются в соответствии с электронным управляющим сигналом, тем самым улучшив метрологические характеристики разработанного устройства.
Ключевые слова: измерение температуры, акустооптический преобразователь температуры, акустооптический перестраиваемый фильтр, алгоритм, эффективная длина волны, оптический блок.
SCANNING TEMPERATURE OPTICAL-TO-ELECTRICAL
CONVERTER
In some cases metrological characteristics of optical-to-electrical converters of temperature are caused by the fact that the coefficient of radiation of objects either is unknown, or changes under the unknown law in a midget period, and also influence of the atmosphere. One of possible ways of their improving is support of scanning of a range of radiation of a subject of monitoring.
The skeleton diagram of the scanning temperature optical-to-electrical converter is developed. The acousto-optic monochromator with electronic control is intended for separation from the broad spectral range of an electromagnetic radiation of the narrow line which wavelength and intensity change according to the electronic managing director of a signal. The principle of action of operation of the monochromatoris described. The main device is the driver which controls operation of the monochromator. The driver represents the metal casing in which settle down a frequency synthesizer of direct synthesis with microprocessor control and the power amplifier. The driver has four connectors for connection with external devices: HF the SMA connector for connection with the optical unit, the USB-2 connector for connection with the PC, power connector, the connector for connection to the external generator of video pulses of modulation of power. The photo of construction of the driver is provided.
Scanning is carried out by frequency change of the controlling electrical signal. Different modes of its implementation and adjustable parameters are described.
As a result of the conducted pilot researches dependences of the acousto-optic monochromator with electronic control were received with the relative error of computation which isn't exceeding 0,3 % (when comparing with the experimental results received for lengths of waves of 1152,3 and 1542 nanometers).
Thus, use of the acousto-optic monochromator with electronic control allows to realize scanning of a thermal range of radiation of a controlled object, by means of separation from the broad spectral range of an electromagnetic radiation of the narrow line which wavelength and intensity change according to the electronic managing director of a signal, thereby having improved metrological characteristics of the developed device.
Key words: temperature measurement, acousto-optic temperature transducer, acoustooptic tunable filter, algorithm, effective wavelength, optical unit.
Дистанционное измерение температуры получило распространение во многих отраслях народного хозяйства ввиду невозможности в ряде случаев проведения измерения контактными способами. Основными требованиями к измерительным устройствам являются: высокая точность и чувствительность, широкий диапазон измерения. Однако существующие на сегодняшний день устройства не в полной мере обеспечивают необходимое качество измерения. Невысокие метрологические характеристики обусловлены тем, что коэффициент излучения объектов либо неизвестен, либо изменяется по неизвестному закону в сверхмалый промежуток времени, а также влиянием атмосферы. Одним из возможных путей повышения качества является обеспечение сканирования спектра излучения объекта контроля. Работа направлена на разработку сканирующего оптико-электрон-
ного преобразователя температуры, обладающего улучшенными метрологическими характеристиками.
На рисунке 1 изображена структурная схема сканирующего оптико-электронного преобразователя температуры, состоящая из оптического блока 1, в котором находятся последовательно соединенные стеклянное окно, прозрачное в инфракрасном диапазоне 2, и линза 3, фокусирующая световой поток на входной торец волоконного световода 4, выходной торец которого соединен с акусто-оптическим монохроматором 5, выход которого соединен со входом измерительного блока 6, а выход управления измерительного блока связан с управляющим входом моно-хроматора [1-11].
Акустооптический монохроматор с электронным управлением (АМЭУ) предназначен для выделения из широкого спектраль-
Т!
с —__
\
Управляющий сигнал
Рисунок 1. Структурная схема сканирующего оптико-электронного преобразователя температуры
ного диапазона электромагнитного излучения узкой линии, длина волны и интенсивность которой изменяются в соответствии с электронным управляющим сигналом. Одним из важнейших составляющих АМЭУ является драйвер, обеспечивающий электронное управление.
Драйвер АМЭУ (рисунок 2) представляет собой металлический корпус, в котором располагаются синтезатор частоты прямого синтеза (рабочий частотный диапазон 40-80 МГц) с микропроцессорным управлением и усилитель мощности. В конструкции драйвера предусмотрено четыре разъема для соединения с внешними устройствами: ВЧ разъем типа SMA для соединения с оптическим блоком; разъем иБВ-2 для соединения с ПК; разъем питания (+ 5 В), к которому присоединяется прилагающийся малогабаритный источник питания, подключаемый непосредственно к сети переменного тока 50 Гц, 220 В; разъем для подключения к внешнему генератору видеоимпульсов модуляции мощности для обеспечения импульсного режима работы. Напряжение видеоимпульсов + (3,0-4,0) В. В случае непрерывного режима работы следует подать на вход постоянный потенциал + (3,0-4,0) В. Другой способ обеспечения непрерывного режима работы — режим внешней модуляции с обратной полярностью.
Рисунок 2. Драйвер АМЭУ
Принцип действия АМЭУ основан на аку-стооптическом эффекте. Переменное электрическое поле (управляющий сигнал), приложенное к пьезопреобразователю, возбуждает акустическую волну, которая распространяется в призме из Те02, вызывая периодические возмущения показателя преломления, т.е. создавая в среде фазовую дифракционную решетку. На этой решетке происходит дифракция света, распространяющегося в кристалле под определенным углом и имеющего определенное состояние поляризации, формируемое входным поляризатором. В результате дифракции поляризация световой волны меняется на ортогональную, так что на выходе кристалла продифрагировавший и непродифра-гировавший пучки расходятся на угол не менее 6,4° (величина угла зависит от длины волны фильтруемого излучения), при этом продифрагировавший пучок распространяется по траектории падающего, а непродиф-рагтровавший отклоняется в сторону.
Конструкция АМЭУ такова, что падающий плоскополяризованный световой пучок ортогонален входной грани кристалла Те02, а плоскость его поляризации ортогональна основанию корпуса оптического блока АМЭУ, именно для такой геометрии обеспечивается режим большой угловой апертуры. Плоскости поляризации входного и выходного поляризаторов установлены ортогонально. Следовательно, выходной поляризатор пропускает продифрагировавший пучок и блокирует непродифрагировавший. Драйвер имеет возможность перестройки на произвольный шаг в рабочем частотном диапазоне.
Перестройка длины волны пропускания АОФ осуществляется изменением частоты управляющего электрического сигнала. Связь длины волны и частоты дается приближенным выражением
- 77
II
850
700
550
1200 1400 1600
X. hm
? s.
0,70 0,65
/
0,55 0,50 0,45
1гоо 1лоо 1600 ieoo гооо __ на„„
looo 120o 1400 ieoo ieoo .
Л, мм
HM
Рисунок 3. Перестроечные зависимости акустооптического монохроматора с электронным управлением
f = K X ДлЛ, (1)
где K1 = 6,17286 х105 МГцхнм;
Дп = (ne — n0), ne , n0 — показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, соответственно, для кристаллического ТеО2 [1].
Модуляция интенсивности отфильтрованного излучения осуществляется модуляцией электрической мощности управляющего сигнала. Режим модуляции выбирается с помощью программного обеспечения. Для любого режима модуляции существует возможность подавления выбросов на переднем и заднем фронтах выходного ВЧ-импульса. При этом длительность фронтов увеличивается приблизительно на 20 %. В режиме внутренней модуляции работает встроенный в драйвер генератор прямоугольных модулирующих импульсов. В этом режиме длительность ВЧ импульса t равна половине периода следования ВЧ импульсов Т. Частота следования модулирующих импульсов определяется значениями масштабного множителя и внутреннего таймера, а ее значение выводится на экран монитора в Гц. Максимальная частота внутренней модуляции — 1,5 кГц. В режиме внешней модуляции работает внешний генератор прямоугольных модулирующих импульсов, который соединяется с драйвером через разъем SMC кабелем. Амплитуда модулирую-
щих импульсов составляет + (3,0-4,0) В. В режиме прямой полярности драйвер выдает на выходе ВЧ мощность в течение модулирующего импульса, и мощность равна нулю при отсутствии модулирующего импульса. Минимальная длительность импульса модуляции 100 мкс, минимальная длительность паузы 200 мкс, максимальная частота следования — 3 кГц. Для обеспечения непрерывной генерации ВЧ мощности следует подать на соответствующий разъем постоянный потенциал + (3,0-4,0) В. В режиме обратной полярности драйвер выдает на выходе ВЧ мощность при отсутствии модулирующих импульсов, и мощность равна нулю при наличии модулирующих импульсов. Минимальная длительность импульса модуляции 200 мкс, минимальная длительность паузы 100 мкс, максимальная частота следования — 3 кГц. Для обеспечения непрерывной генерации ВЧ мощности следует не подавать на разъем модулирующих импульсов. Значение начальной частоты (Гц) выбирается из рабочего диапазона частот: 40-80 МГц. Значение шага частоты устанавливается с возможностью минимального значения шага частоты: 1 Гц. Количество рабочих частотных точек устанавливается из диапазона 0-65536. Количество циклов устанавливается в диапазоне значений 0-255.
Параметр мощности (в относительных единицах), пропорциональный значению выходной ВЧ мощности, устанавливается из диапазона 0-1023.
В режиме линейной развертки частоты время экспозиции частотной точки совпадает с длительностью выходного ВЧ импульса драйвера, то есть переключение частоты происходит в паузах между выходными ВЧ импульсами драйвера.
В программе предусмотрен режим линейной развертки параметра мощности. Устанавливается значение параметра начального уровня мощности (параметр равен коду напряжения смещения в схеме усилителя мощности, от которого зависит уровень выходной мощности драйвера) и значение шага кода напряжения смещения с выбором знака. Первый модулирующий импульс обеспечит выходной импульс ВЧ мощности драйвера АМЭУ с параметром мощности, равным установленному значению. Второй модулирующий импульс обеспечит выходной импульс драйвера с мощностью, соответствующей увеличенному на один шаг коду напряжению смещения и т.д. После того как заданное в меню число шагов будет пройдено, программа возвращается к начальному значению частоты, и цикл повторяется. Таким образом, линейная (по коду напряжению смещения) развертка параметра мощности осуществляется синхронно с линейной разверткой частоты в паузах между выходными импульсами драйвера. Такое двойное сканирование позволяет создать требуемый профиль распределения выходной мощности драйвера в рабочем частотном диапазоне для улучшения равномерности коэффициента передачи.
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: науч.
Дополнительной юстировкой положения фланцев входного и выходного объективов оптического блока (предварительно ослабив винты крепления фланцев к корпусу оптического блока) можно добиться максимальной интенсивности продифрагировавшего излучения.
Монохроматор имеет те же параметры при реверсивном подключении — в этом случае входной и выходной световоды подключаются к разноименным оптическим разъемам.
В результате проведенных экспериментальных исследований были получены перестроечные зависимости акустооптического монохроматора с электронным управлением с относительной погрешностью вычисления не превышающей 0,3 % (при сравнении с экспериментальными результатами, полученными для длин волн 1152,3 и 1542 нм).
На рисунке 3 представлены перестроечные зависимости АМЭУ и рекомендованные значения смещения при проходе рабочего спектрального диапазона МЭУ с шагом 50 нм.
Выводы
Таким образом, использование акустооптического монохроматора с электронным управлением позволяет реализовать сканирование теплового спектра излучения контролируемого объекта посредством выделения из широкого спектрального диапазона электромагнитного излучения узкой линии, длина волны и интенсивность которой изменяются в соответствии с электронным управляющим сигналом, тем самым улучшив метрологические характеристики разработанного устройства.
издание. 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: науч. издание. 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 акустооп-тического пирометра // Датчики и системы. 2011. № 11. С. 41-43.
6. Мухамадиев А.А., Фаррахов Р.Г. Акустооптический 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, МПК 8 G 01 J 15/10. Оптический преобразователь температуры / Фаррахов Р.Г., Мухамадиев А.А. (РФ). 2009122755/28, заявл. 15.06.2009; опубл. 20.09.10.
References
1. Farrahov R.G., Muhamadiev A.A. Principy postroenija opticheskih preobrazovatelej temperatury // Prikaspijskij zhurnal: Upravlenie i vysokie tehnologii. 2009. № 2 (6). S. 21-26.
2. Farrahov R.G., Urakseev M.A., Muhamadiev A.A. Optiko-jelektronnye preobrazovateli temperatury dlja sistem kontrolja tehnologicheskimi processami:
Nauchnoe izdanie. Ufa: Ufimskaja gosudarstvennaja akademija jekonomiki i servisa. 2010. 105 s.
3. Muhamadiev A.A., Farrahov R.G., Urakseev M.A. Akustoopticheskie pribory informacionno-izmeritel'nyh sistem jekologicheskogo monitoringa: Nauchnoe izdanie. Ufa: Ufimskaja gosudarstvennaja akademija jekonomiki i servisa, 2009. 119 s.
4. Muhamadiev A.A., Farrahov R.G. Matematicheskaja model' akustoopticheskogo pirometra // Datchiki i sistemy. 2012. № 2. S. 28-30.
5. Muhamadiev A.A., Farrahov R.G. Staticheskaja harakteristika, chuvstvitel'nost' i razreshajushhaja sposobnost' akustoopticheskogo pirometra // Datchiki i sistemy. 2011. № 11. S. 41-43.
6. Muhamadiev A.A., Farrahov R.G. Akustoopticheskij preobrazovatel' temperatury // Pribory i sistemy. Upravlenie, kontrol', diagnostika. 2011. № 1. S. 26-28.
7. Farrahov R.G., Muhamadiev A.A. Universal'nyj pirometr dlja izmerenija vysokih temperature // Datchiki i sistemy. 2010. № 11. S. 23-25.
8. Farrahov R.G. Matematicheskaja model' opticheskogo preobrazovatelja temperatury s volokonnym svetovodom // Pribory. 2010. № 4. S. 11-14.
9. Muhamadiev A.A., Urakseev M.A., Farrahov R.G., Il'jasov I. R. Osnovnye jetapy stanovlenija i razvitija akustooptiki v XX veke // Istorija nauki i tehniki. 2010. № 3 (spec. vypusk № 1). S. 34-37.
10. Farrahov R.G., Muhamadiev A.A. Opticheskij preobrazovatel' temperatury dlja sistem kontrolja i upravlenija // Datchiki i sistemy. 2010. № 10. S. 39-41.
11. Pat. 2399892 Rossijskaja Federacija, MPK 8 G 01 J 15/10. Opticheskij preobrazovatel' temperatury / Farrahov R.G., Muhamadiev A.A. (RF). — 2009122755/28, zajavl. 15.06.2009; opubl. 20.09.10.
