Проектирование оптической системы мониторинга среды



2

 

Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации

Самарский государственный аэрокосмический университет
имени академика С.П. Королева
 

Кафедра автоматические системы энергетических установок

Курсовая работа

по теме: «Проектирование оптической системы мониторинга среды»

Работу выполнила:

студентка группы 2301

Золотухина А.Д.

Научный руководитель:

проф. Захаров В.П.

2010

Задание

В работе необходимо спроектировать оптическую систему для контроля содержания метана в атмосфере на основе метода дифференциального поглощения. Для этого нужно:

     подобрать две близкие длины волны, на которых работает прибор;

     для выбранного диапазона работы подобрать пгс-лазер;

     подобрать подходящий фотоприемник;

     построить график зависимости концентрации от величины отношения интенсивностей;

      спроектировать коллиматор;

      спроектировать фокусатор;

     рассчитать погрешность измеренной концентрации.


Р Е Ф Е Р А Т

 

Курсовой проект

Пояснительная записка: 31 стр., 16 рис., 4 таб., 2 приложения, 8 источников

ПОГЛОЩЕНИЕ, ДЛИНА ВОЛНЫ, ЗАГРЯЗНИТЕЛЬ, КОНЦЕНТРАЦИЯ, ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, ЛАЗЕР, КОЛЛИМАТОР, ФОКУСАТОР, ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ, ФОТОДИОД.

В данной работе рассмотрен метод измерения концентрации вещества в зависимости от изменения коэффициента поглощения. Также рассчитана система контроля для определения концентрации метана в среде воздуха атмосферного давления. Построен график зависимости концентрации метана от показаний фотодиода. Спроектированы коллиматор и фокусатор. Получена погрешность измерений.


Содержание

 

Введение

Основная часть              6

1.1 Подбор длин волн               6

1.2 Выбор лазера               7

1.3 Выбор фотоприемника               9

2 Определение концентрации загрязнителя              12

3 Проектирование коллиматора              15

4 Проектирование фокусатора              20

5 Определение минимальной концентрации, которую может измерить прибор              21

6 Определение максимальной концентрации.              23

7 Определение погрешности              24

 

Заключение

Список использованных источников

Приложения


Введение

С тех пор как в густонаселенных промышленных районах загрязнение воздуха превратилось в серьезную проблему, стало необходимым изучение загрязняющих веществ и их реакций с атмосферой.

В исследованиях атмосферы и окружающей среды успешно используются различные методы лазерной спектроскопии. Лазеры по сравнению с аналогичными источниками излучения обладают рядом преимуществ, такими как: малая расходимость и диаметр пучка; высокая плотность мощности излучения. Данные преимущества позволяют производить измерения на больших расстояниях.


Основная часть

1.1 Подбор длин волн

На сайте spectra.iao.ru после регистрации выбираем молекулу метана. Для нее существуют четыре изотопа: 211 - 12CH4, 311 - 13CH4, 212 - 12CH3D и 312 - 13CH3D. Выбираем молекулу 211 - 12CH4, так как по нему больше всего данных, источник данных: HITRAN, длина – 1м атмосферы.

Длины волн подбираем по следующим параметрам:

1. Коэффициент поглощения атмосферы на выбранных длинах волн должен быть приблизительно одинаковым и достаточно малым по сравнению с коэффициентом поглощения загрязнителя;

2. Одна длина волны должна попадать в полосу поглощения загрязнителя и пропускания атмосферы, другая должна попадать в полосу пропускания атмосферы и загрязнителя.

На основании этого по графикам зависимости коэффициентов поглощения загрязнителя и атмосферы, были выбраны две длины волны (таблица 1):

Таблица 1 – Выбранные длины волн и коэффициенты поглощения

k, см-1

λ,мкм

αатм, см-1

αCH4, см-1

7680,900000

1,301931

1,04865*10-7

0

7676,980000

1,302596

1,00096*10-7

0,000124881

 

Спектр поглощения загрязнителя показан на рисунке 1:

Рисунок 1 – Спектр поглощения загрязнителя

Спектр поглощения атмосферы представлен на рисунке 2:

Рисунок 2 – Спектр поглощения атмосферы

Предельно допустимая концентрация (ПДК) метана в воздухе рабочей зоны составляет 7000 мг/м3.

1.2 Выбор лазера

Выбранные длины волн относятся к длинам волн инфракрасного диапазона. На сайте solartii.com выбираем автоматизированный оптический параметрический генератор (осциллятор) света COPO2200A.

Спецификация лазера представлена в таблице 2:

Таблица 2 – Спецификация лазера

ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Диапазон перестройки длины волны

для сигнальной волны:

для второй гармоники от сигнальной волны:

для холостой волны:

 

420-690 нм

 

240-310 нм

730-2200 нм

Максимальная эффективность по диапазону (сигнальная + холостая) при длительности импульса
накачки 15 нс:

≤ 30%

Выходные каналы излучения (после делителя длин волн):

I - холостая волна

II - сигнальная волна

Ширина спектральной линии:

0,5 нм

ПАРАМЕТРЫ ЛАЗЕРА НАКАЧКИ

Длина волны возбуждения:

355 нм

Энергия в импульсе (макс):

20-150 мДж

Длительность импульса:

8-20 нс

Диаметр пучка:

≤ 8,0 мм

Расходимость пучка:

≤ 3,5 мрад

Частота следования импульсов:

1-50 Гц

Габаритные размеры (ДхШхВ)

450 x 160 x 148 мм

Оптическая параметрическая генерация в кристалле ВВО позволяет охватывать в параметрическом генераторе света COPO2200A самый широкий рабочий спектральный диапазон (от 420 до 2200 нм). Модуль генератора второй гармоники для сигнальной волны расширяет диапазон перестройки оптического параметрического генератора света COPO2000A в УФ область (от 210 до 340 нм).

Тщательное тестирование и выбор кристаллов ВВО обеспечивают надежную работу оптического параметрического генератора света COPO2200A в течение длительного срока.

Оригинальная конструкция внутрирезонаторных оптических и механических элементов, используемых в осцилляторе, позволяет избежать разъюстировки резонатора.

Сменная фокусирующая оптика УФ диапазона позволяет адаптировать оптический параметрический генератор света COPO2200A к различным лазерам.

Возможность управления нелинейным кристаллом ВВО, генератором второй гармоники, резонаторными зеркалами и делителем гармоник с помощью оригинального программного обеспечения делает осциллятор СОРО2200А удобным в использовании.

Удачное сочетание тщательно разработанного оптического параметрического генератора света СОРО2200А и компактного спектрометра серии SL40-2 или S150-2 позволяет легко перестраивать и контролировать длину волны лазера.

График зависимости длины волны от эффективности работы лазера представлен на рисунке 3:

Рисунок 3 – Зависимость длины волны от эффективности работы лазера

Внешний вид лазера представлен на рисунке 4:

Рисунок 4 – Чертеж корпуса детали

 

1.3 Выбор фотоприемника

На сайте polyus-systema.ru выбираем для данных двух длин волн фотоприемное устройство ФПУ-073, характеристики которого

представлены в таблице 3:

Таблица 3 – характеристика фотодиода

Спектральный диапазон

0,9-1,7 мкм

Пик чувствительности

1,5 мкм

Крутизна преобразования (λ=1,5 мкм)

0,82 А/Вт

Темновой ток

не более 10 нА

Барьерная ёмкость

не более 3,5 пФ

Рабочее напряжение

не более 10 В

ФПУ предназначено для приема оптических сигналов длительностью 30±3 нс на длине волны 1,06-1,57 мкм и последующего формирования импульсов.

В качестве основы взят InGaAsPIN диод ДФД250 (DILAS, Россия) с диаметром фоточувствительной площадки 250 мкм.

Усилитель ФПУ осуществляет преобразование тока фотодиода от светового импульса в напряжение. Он собран с использованием малошумящих биполярных транзисторов, имеет защиту от перегрузок при мощности импульсной засветки >10-3 Вт и работает на канал обнаружения, порог срабатывания которого за 10 мкс после подачи сигнала ВАРП уменьшается в 250 раз. Канал обнаружения имеет парафазный ТТЛ выход.

Питание ФПУ осуществляется от встроенного линейного стабилизатора напряжения, технические характеристики которого представлены в
таблице 4:

Таблица 4 – Технические характеристики линейного стабилизатора напряжения

Технические характеристики

ФПУ формирует выходные импульсы ТТЛ уровня с вероятностью правильного обнаружения 0,5 при мощности импульсной засветки на λ=1,54мкм, Вт, не более

Примечание:

- мощность импульсной засветки при уменьшении длительности импульса до 10нс увеличивается в три раза;

- мощность импульсной засветки при работе на λ=1,06мкм увеличивается в 1,6 раза.

5*10-8

Вероятность ложной тревоги в интервале наблюдения до 200мкс, не более

1*10-3

Длительность выходного импульса по уровню 0,5 при засветке импульсным излучением мощностью до 1,0·10 –3 Вт, нс, не более

200

Время нарастания выходного импульса ФПУ от уровня 0,1 до уровня 0,9 амплитуды при мощности импульсной засветки на λ=1,54мкм до 1*10-7 Вт, нс, не более

10

Время выхода ФПУ на режим максимальной чувствительности с момента положительного перепада импульса ВАРП, мкс

6-10

Увеличение мощности импульсной засветки при изменении напряжения ВАРП от лог.1 до лог.0, раз, не менее

250

Изменение временного положения переднего фронта выходного импульса ФПУ при изменении мощности импульсной засветки от 1·10 –7 до 1,0 ·10 –3 Вт, нс, не более

25

Напряжение питания Uпит, В

+(5,7-10)

Напряжение включения питания ФПУ, В

Напряжение выключения питания ФПУ. В, не более

от +2,4 до Uпит

 

+0,4

Ток потребления

в рабочем режиме, мА, не более

в выключенном состоянии, мА, не более

15

 

0,005

Время, в течение которого ФПУ выходит в режим готовности к приему оптических сигналов после включения напряжения питания, мс, не более

20

Ёмкость нагрузки ТТЛ выхода, пФ, не более

7

Сопротивление нагрузки ТТЛ выхода, Ом, не менее

500

Габаритные размеры, мм, не более

45х25х10

Масса, г, не более

30

ФПУ допускает эксплуатацию в условиях воздействия на него температуры окружающей среды, °С

-40..+60

 

 

 

 

 

Габаритный чертеж фотоприемника представлен на рисунке 5:

Рисунок 5 – Габаритный чертеж

2 Определение концентрации загрязнителя

По ширине спектральной линии лазера проверим, не сливаются ли выбранные длины волн:

нм > 0,5 нм – условие выполнено.

Поглощение излучения в среде происходит по закону Бугера:

, где

W0 - мощность источника;

W – Мощность излучения;

α – коэффициент поглощения среды;

z – Расстояние, на котором происходит измерение концентрации, в нашем случае z = 1м.

Для того чтобы спроектировать прибор для лазерного зондирования необходимо сопоставить интенсивности на двух длинах волн:

W1 – мощность волны, которая не сильно поглощается в среде (опорная волна);

W2 – мощность волны, которая сильно поглощается в среде.

Коэффициент поглощения в среде представляет собой сумму коэффициента поглощения атмосферы и коэффициента поглощения загрязнителя:

.

Так как спектр поглощения дан для концентрации загрязнителя 100%, то учитывая, что коэффициент загрязнителя зависит от его концентрации, получим:

, тогда

.

Найдем отношение мощностей:

;

так как , то данное соотношение будет иметь вид:

;

;

Тогда расчетная формула для концентрации будет:

.

График зависимости натурального логарифма отношения мощностей от значения концентрации (зависимость линейная) представлен на рисунке 6:

Рисунок 6 – График зависимости натурального логарифма отношения мощностей от значения концентрации

Определим мощность излучения, посылаемую прибором:

Вт, где

мДж – энергия в импульсе (минимальная);

Гц – частота следования импульсов;

% эффективность, найденная по графику на рисунке 3 при длине волны приблизительно равной 1300 нм.

Условиями работы прибора будут являться следующие ограничения:

1)              , где нВт;

2)              .

Из условия (1) найдем значение минимальной концентрации, которое сможет померить прибор.

Выразим по закону Бугера и получим:

;

, тогда

.

Величина, а , поэтому получаем, что второе слагаемое не зависит от концентрации с:

;

;

;

;

;

,

значит прибор может мерить концентрацию начиная с 0,1%.

Далее необходимо сравнить значение полученной минимальной концентрации, которую может мерить прибор с предельно допустимой концентрацией. Для перехода к объёмной концентрации необходимо знать плотность воздуха для данных условий: Т=293К, р=1атм=101325Па. Найдём её из уравнения состояния:

.

Перейдём к объёмной концентрации:

,

следовательно, ПДК попадает в диапазон измерений прибора.

Из условия (2) значения максимальной концентрации которое сможет померить прибор.

;

;

;

;

;

,

следовательно прибор может мерить концентрацию до 100%

 

3 Проектирование  коллиматора

Светодиод  имеет  расходимость  3,5 мрад, то есть ,

в  результате  чего  на  расстоянии  1м  имеем  пятно  диаметром:

.

Из характеристик фотодиода известно, что диаметр фоточувствительной площадки равен 250 мкм. Чтобы собрать  достаточное  количество  энергии  для  регистрации  сигнала  требуется  спроектировать  коллимирующую  систему,  которая  уменьшила  бы  расходимость  до  приемлемого  уровня. Задача коллиматора - создание параллельного светового пучка с минимальной расходимостью.

Для     проектирования     и     расчета     коллиматора     и     фокусатора     воспользуемся интегрированным пакетом систем автоматического проектирования OSLO. Выбираем в качестве материала оптических элементов стекло марки ВК7, коэффициент пропускания которого составляет 0,991, а коэффициент преломления - 1,5168.

Определим радиус входящего луча:

мм.

 

 

 

 

Исходные параметры для коллиматора представлены на рисунке 7:

Рисунок 7 – Исходные параметры для коллиматора

Вид коллиматора до оптимизации представлен на рисунке 8:

Рисунок 8 – Вид коллиматора до оптимизации

Параметры коллиматора до оптимизации:

*PARAXIAL TRACE

SRF              PY                            PU                            PI                            PYC                            PUC                            PIC

6              5.124733              -0.001966              -0.001966              -5.355303              -0.060933              -0.060933

*CHROMATIC ABERRATIONS

SRF              PAC                            SAC                            PLC                            SLC

SUM              4.362761              -0.003287              -1.375132              0.001036

*SEIDEL ABERRATIONS

SRF              SA3                            CMA3                            AST3                            PTZ3                            DIS3

SUM              -2.203194              2.193395              -2.341421              -0.295878              1.995059

*FIFTH-ORDER ABERRATIONS

SRF              SA5                            CMA5                            AST5                            PTZ5                            DIS5                            SA7

SUM              -0.012721              0.045591              -0.037737              0.005545              0.046344              -6.1654e-05

Значения операндов:

*OPERANDS

OP  MODE    WGT      NAME          VALUE  %CNTRB DEFINITION

O 1   M      --     PY            5.124733    --  OCM1                      

O 2   M      --     PU           -0.001966    --  OCM2                      

O 3   M      --     PYC          -5.355303    --  OCM3                      

O 4   M      --     PUC          -0.060933    --  OCM4                      

O 5   M      --     PAC           4.362761    --  OCM5                      

O 6   M      --     PLC          -1.375132    --  OCM6                      

O 7   M      --     SAC          -0.003287    --  OCM7                      

O 8   M      --     SLC           0.001036    --  OCM8                      

O 9   M      --     SA3          -2.203194    --  OCM9                      

O 10  M      --     CMA3          2.193395    --  OCM10                     

O 11  M      --     AST3         -2.341421    --  OCM11                     

O 12  M      --     PTZ3         -0.295878    --  OCM12                     

O 13  M      --     DIS3          1.995059    --  OCM13                     

O 14  M      --     SA5          -0.012721    --  OCM14                     

O 15  M      --     CMA5          0.045591    --  OCM15                     

O 16  M      --     AST5         -0.037737    --  OCM16                     

O 17  M      --     PTZ5          0.005545    --  OCM17                     

O 18  M      --     DIS5          0.046344    --  OCM18                     

O 19  M      --     SA7        -6.1654e-05    --  OCM19                     

O 20  M      --     TOTAL_SPH    -2.215976    --  OCM20                     

O 21  M      --     EFL          63.611482    --  OCM21                     

MIN RMS ERROR:       --   

Радиальное распределение энергии пучка представлено на рисунке 9:

Рисунок 9 – Радиальное распределение энергии пучка

Оптимизируем систему по: коме (даёт несимметричное пятно рассеяния), сферической аберрации (смещает фокусное расстояние, изменяет размер пятна рассеяния), эффективному фокусному расстоянию.

Параметры системы после оптимизации:

Параметры коллиматора после оптимизации представлены на
рисунке 10:

Рисунок 10 – Параметры коллиматора после оптимизации

Вид коллиматора после оптимизации представлен на рисунке 11:

Рисунок 11 – Вид коллиматора после оптимизации

Параметры коллиматора после оптимизации:

*PARAXIAL TRACE

SRF              PY                            PU                            PI                            PYC                            PUC                            PIC

  6              10.300521              0.006399              0.006399              -85.933152              -0.084722              -0.084722

*CHROMATIC ABERRATIONS

SRF                            PAC                            SAC                            PLC                            SLC

SUM                            -1.051264              0.000792              -0.044638              3.3630e-05

*SEIDEL ABERRATIONS

SRF                            SA3                            CMA3                            AST3                            PTZ3                            DIS3

SUM              0.311939                            -0.176965              0.133383              0.090903              0.043932

*FIFTH-ORDER ABERRATIONS

SRF              SA5                            CMA5                            AST5                            PTZ5                            DIS5                            SA7

SUM              0.000666              -0.000984              0.000584              -0.000754              0.000164              -6.8329e-07

Значения операндов:

*OPERANDS

OP              MODE              WGT                            NAME                            VALUE                            %CNTRB              DEFINITION

O 1              M              1.000000              CMA3                            -0.176965              0.00                            OCM10

O 2              M              1.000000              CMA5                            -0.000984              0.00                            OCM15

O 3              M              1.000000              TOTAL_SPH              0.314604              0.00                            OCM20+0.002

O 4              M              1.000000              EFL                            51.034666              99.99                            OCM21

** BOUND VIOL:              V1

MIN RMS ERROR:              25.518402

Радиальное распределение энергии пучка представлено на рисунке 12:

Рисунок 12 – Радиальное распределение энергии пучка

4 Проектирование  фокусатора

Фокусатор рассчитывается из условия формирования светового пятна, диаметр которого в плоскости фотодетектора не превышает диаметра его входного окна. Исходные данные возьмем из предыдущего расчета коллиматора.

 

Исходные параметры для фокусатора представлены на рисунке 13:

 

Рисунок 13 – Исходные параметры для фокусатора

Вид фокусатора представлен на рисунке 14:

Рисунок 14 – Вид фокусатора

Параметры фокусатора:

*PARAXIAL TRACE

SRF              PY                            PU                            PI                            PYC                            PUC                            PIC

  5              -0.175208              -0.063800              -0.063800              -0.420289              -0.003836              -0.003836

*CHROMATIC ABERRATIONS

SRF                            PAC                            SAC                            PLC                            SLC

SUM                            0.147634              -7.9257e-05              -0.002800              1.5032e-06

*SEIDEL ABERRATIONS

SRF                            SA3                            CMA3                            AST3                            PTZ3                            DIS3

SUM                            -0.019027              -0.000425              -3.4318e-05              -4.7993e-05              3.4245e-06

*FIFTH-ORDER ABERRATIONS

SRF              SA5                            CMA5                            AST5                            PTZ5                            DIS5                            SA7

SUM              -0.000142              -4.3608e-06              1.6400e-10              1.1828e-09              -7.1140e-12              -1.1136e-06

Значения операндов:

*OPERANDS

              OP              MODE              WGT                            NAME                            VALUE                            %CNTRB              DEFINITION

O 1              M              1.000000              CMA3                            -0.000425              0.00                            OCM10

O 2              M              1.000000              CMA5              -              4.3608e-06              0.00                            OCM15

O 3              M              1.000000              TOTAL_SPH              -0.019170              0.00                            OCM20

O 4              M              .000000                            EFL                            75.596019              100.00                            OCM21

MIN RMS ERROR:              37.798011

Радиальное распределение энергии пучка представлено на рисунке 9:

Рисунок 15 – Радиальное распределение энергии пучка

При попытке оптимизировать систему абберации только увеличиваются по причине того, что и так найдено минимальное значение аббераций и система спроектирована максимально точно. Поэтому перейдем к уточнению полученных расчетов концентрации.

 

5 Определение минимальной концентрации, которую может измерить прибор

Учтём потери при диафрагмировании, отражении и поглощении в линзах.

Получим формулу:

,

где l –толщина линзы;

Ф – коэффициент диафрагмирования;

B – коэффициент пропускания;

kлинзы – коэффициент поглощения материала линз;

Примем приближения:

1) Лучи падают на линзы нормально.

2) Т.к. линзы сделаны из одинакового материала:

а) коэф. пропускания можно возвести в степень “m”, соответствующую количеству поверхностей раздела сред (воздух-->материал линзы), коэффициент пропускания на поверхности раздела (материал линзы -->воздух) равен 1 т.к. nвоздуха=1.

б) толщину линзы можно заменить суммой толщин всех линз.

Коэффициент пропускания при нормальном падении (приближение формул Френеля):

;

Ф=0,7 т.к. мы продиафрагмировали систему по r=0,08 (входной пучок, падающий на фокусатор).

Проектирование оптической системы мониторинга среды