бири 2005". — Красноярск: ПТЦ "Легкие металлы", 2005. — С. 174—177.
5. Эскин Г. И. Ультразвуковая обработка расплавленного алюминия. — М.: Металлургия, 1988. — 236 с.
6. Ермолов И. Н. Исследование и разработка контактных сред для ультразвуковой толщинометрии и дефектоскопии в широком диапазоне температур // Дефектоскопия. — 1979. — № 11. — С. 68—70.
7. Исакович М. А. Общая акустика. — М.: Наука, 1973. — 496 с.
8. Каневский И. Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. — М.: Наука, 1977. — 78 с.
9. Кажис Р.-И. Ю. Ультразвуковые информационно-измерительные системы. — Вильнюс: Мокслас, 1986. — 224 с.
10. Громыко А. И., Шайдуров Г. Я. Автоматический контроль технологических параметров алюминиевых электролизеров. — Красноярск: КПИ, 1984. — 112 с.
11. Redwood M. Piezoelectric generation of an electrical impulse // JASA. - 1961. - № 10. - Р. 527-533.
Работа выполнена в лаборатории микропроцессорных систем Института космических и информационных технологий Сибирского федерального университета (г. Красноярск).
Олег Владимирович Непомнящий — канд. техн. наук, доцент, зав. лабораторией;
® (391) 295-50-05
E-mail: olegn_68@mail.ru
Максим Витальевич Одинцов — магистр, инженер лаборатории. ® 8-950-994-11-23
E-mail: maxforme@mail.ru □
УДК 621.38
СТАТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА,
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ И РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ АКУСТООПТИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРА
А. А. Мухамадиев, Р. Г. Фаррахов
Приведена принципиальная схема акустооптического пирометра и описан принцип его действия. Рассмотрена статическая характеристика, чувствительность и разрешающая способность акустооптического пирометра. Получены математические зависимости данных характеристик и на их основе построены графики. Ключевые слова: акустооптический пирометр, статическая характеристика, чувствительность, разрешающая способность.
В различных технологических процессах температурный режим во многом определяет свойства продукции, поэтому средства контроля температуры, в частности, пирометрические, необходимы для улучшения качества изделий и повышения эффективности производства. При измерении температуры акустооптическим пирометром существенное влияние на точность измерения оказывают характеристики устройства.
Принципиальная схема акустооптического пирометра представлена на рис. 1. В структуру пирометра введен акустооптический перестраиваемый фильтр (АОПФ), сопряженный с волоконным световодом (СВ). АОПФ представляет собой электрически перестраиваемый фильтр, работающий на принципе объемной дифракции светового пучка на неоднородностях показателя преломления. Такие неоднородности возникают в двулучепреломляющих кристаллах ультразвуковой акустической волны. Акустическая волна в кристалле возбуждается при помощи пьезоэлектрического преобразователя, на который подается перестраиваемый сигнал высокой частоты (поряд-
ка 10—200 МГц). Диапазон измеряемых температур пирометра составляет 1000...3000 К, поэтому согласно закону смещения Вина максимум мощности оптического излучения смещается в область коротких длин волн, и измерения эффективнее проводить в более коротковолновой области спектра. Для обеспечения данных условий в качестве АОПФ выбран фильтр с кристаллами двуокиси теллура (парателлурит Те02). Это тетрагональный кристалл группы 422 белого цвета, прозрачный в диапазоне 0,35...5 мкм, отличающийся высокими акустооптическими характеристиками.
Оптическое излучение от объекта контроля, введенное в волоконный СВ, отфильтровывается в АОПФ и попадает на фотоприемник. Если пирометр работает в монохроматическом режиме, то АОПФ пропускает лишь длину волны А1 ± ДА,. Настройка на длину волны А1 ± ДА осуществляется посредством подачи сигнала на высокочастотный генератор требуемой частоты от микроконтроллера измерительного блока. Если пирометр работает в режиме пирометра спектрального отношения,
Рис. 1. Принципиальная схема акустооптического пирометра [1]:
1 — оптическая головка; 2 — волоконный световод; 4 — акустооптическая ячейка, сопряженная со световодом; 3 — высокочастотный генератор; 5 — фотоприемник; 6 — измерительный блок
АОПФ поочередно пропускает длины волн Х1 ± АХ и Х2 ± АХ (АХ — ширина пропускания АОПФ), которые преобразуются фотоприемником в пропорциональные им электрические сигналы и обрабатываются в измерительном блоке.
В данной работе рассмотрена статическая характеристика, чувствительность и разрешающая способность акустооптического пирометра.
Будем считать статической характеристикой акустооптического пирометра зависимость сигнала фотодиода от температуры объекта измерения. Сигнал фотодиода в виде фототока можно определить из выражения
J = Р'Ъ
(1)
где / — ток фотодиода, А; Р — мощность оптического излучения, Вт; £м — монохроматическая токовая чувствительность, А/Вт.
Мощность оптического излучения определяется по следующей формуле [2]:
р = адсис^ЛА)
,2
л Киг с
2-Т С1Х-5/[ехр(С2/ХТ) - 1]АХ, (2)
• = адсист(ЛА)
,2
2С1Х-5/[ехр(С2/ХТ) - 1] X
Из выражения (3) следует, что ток фотодиода не зависит от площади излучающей поверхности объекта контроля.
На рис. 2 приведена зависимость изменения тока фотодиода от температуры объекта измерения. Из анализа зависимости можно сделать следующий вывод: при увеличении температуры объекта излучения Т ток фотодиода изменяется по экспоненциальной зависимости.
Чувствительность акустооптического пирометра можно определить из статической характеристики, как первую производную выходной величины по входной:
^ =
-и----•-ит
= ^ ХсисТ( ЛА)2п и2 СХС2 ехр (С2/ХТ) АХ
4Х6 (ехр (С2/Х) - 1)2 Т2
(4)
Максимальную чувствительность датчика можно получить, применяя СВ большего диаметра и с большей числовой апертурой. Для обеспечения
где Р — мощность оптического излучения на выходе волоконного СВ, Вт; е^ — монохроматический коэффициент излучения объекта; % — коэффициент пропускаяния системы; ЛА — числовая апертура СВ; df — диаметр СВ, м; С1, С2 — постоянные коэффициенты, связывающие физические константы (постоянную Планка, постоянную Больцмана, скорость света в вакууме): С1 = 3,7413-10-16 Вт-м2; С2 = 1,4388-10-2 м-К; Х — эффективная длина волны пропускания АОПФ, м; АХ — ширина пропускания АОПФ (разрешающая способность), м; Т — температура объекта, К.
Подставляя формулу (2) в (1) получим:
/ х10-6, А
120 100 80 60 40 20 0 14
/
/ /
/
00 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 Т к
X АХ^м.
(3)
Рис. 2. Расчетная зависимость тока фотодиода от Т при df -= 250 мкм, №А = 0,25
42
вепвогв & Эувгетв • № 11.2011
S X10-6, A/K 2,52
1,51
0,50
I n < I—2400
0,5 0,4^7160^2000
NA 0,31600 Т, К
Рис. 3. Чувствительность акустооптического пирометра при различных значениях числовой апертуры
ДА, м 50x10"
40x10"
30x10-9
20x10-9
10x10"
0
300:
D, мкм45050^ 1,2 А, мкм
личивать числовую апертуру NA и диаметр df СВ. Ввод излучения от объекта измерения осуществляется при помощи фокусирующей линзы, она обеспечивает необходимый апертурный угол, соответствующий апертурному углу СВ. Поэтому при изменении числовой апертуры СВ необходимо также изменять расстояние между линзой и СВ для обеспечения ввода излучения под необходимым апертурным углом.
Также важной характеристикой является разрешающая способность акустооптического пирометра. Разрешающая способность не постоянна в диапазоне изменения длин волн и квадратично зависит от длины волны и определяется по формуле
, 2
АХ =
X
D sin ©
(5)
b
Рис. 4. Зависимость разрешающей способности пирометра от размера оптической апертуры ячейки и длины волны
требуемой числовой апертуры СВ пара стекол должна иметь определенную разность квадратов показателей преломления стекол световедущей жилы и светоизолирующей оболочки.
Чувствительность акустооптического пирометра можно определить графически. На рис. 3 представлена зависимость чувствительности от температуры Т при различных значениях числовой апертуры СВ, NA = (0,25...0,9) для диаметра СВ 250 мкм, построенная с учетом выражения (4).
Из анализа выражения (4) и рис. 3 следует, что для увеличения чувствительности необходимо уве-
где D — размер оптической апертуры ячейки, м; ©b — фиксированный угол падения световой волны.
Из анализа выражения (5) и рис. 4 следует, что для улучшения разрешающей способности необходимо увеличивать размер оптической апертуры ячейки D.
Проведенные исследования ряда характеристик акустооптического пирометра позволяют при проектировании провести их анализ на этапе опытно-конструкторских работ и тем самым получить устройство с улучшенными функциональными и технико-эксплуатационными показателями.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. РФ № 88801 на полезную модель МПК-8 G01J15/10. Устройство дистанционного измерения температуры / Р. Г. Фаррахов, А. А. Мухамадиев; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Уфимский гос. авиационный тех. ун-т // Бюл. - 2009. - № 12.
2. Фаррахов Р. Г. Информационно-измерительная система с оптическим преобразователем для контроля температуры объектов: Автореф. дис... канд. техн. наук. — Астрахань: АГУ, 2007. — 146 с.
Работа выполнена в ГОУ ВПО "Уфимская государственная академия экономики и сервиса".
Айдар Асхатович Мухамадиев — канд. техн. наук, доцент кафедры "Машины, аппараты, приборы и технологии сервиса";
® + 7-927-33-33-625
E-mail: Aidar80@mail.ru
Рузиль Галиевич Фаррахов — канд. техн. наук, доцент кафедры "Теоретические основы электротехники".
® + 7-927-23-77-167
E-mail: frg1982@mail.ru □
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.