Пример выполнения контрольно-курсовой работы

Размерный контроль отверстий с помощью дифракции Френеля.

При освещении лазерным коллимированным излучением круглого отверстия вдоль его оси можно наблюдать светлые и темные концентрические окружности, число которых постоянно убывает при увеличении расстояния от отверстия

Упрощенно дифракционное распределение за такой диафрагмой можно представить в виде конуса, основанием которого является сама диафрагма, а вершиной - последний минимум на оси. Любое поперечное сечение дает двумерные дифракционные картины (ДДК) - концентрические окружности в виде максимумов и минимумов интенсивности, периодически (с периодом l/2) сменяющих друг друга; у вершины конуса остается единственный последний минимум.

Очевидно, что любое изображение в ДДК однозначно определяет основные характеристики ограничивающей диафрагмы: диаметр, форму, локальные дефекты. Само измерение реализовано через относительный метод. Последний подразумевает сравнение двух дифракционных картин - от измеряемой диафрагмы R_к и эталонной диафрагмы с известным радиусом R_э , полученных с применением одних и тех же элементов устройства и лазерного зондирующего пучка. Тогда отношение радиусов измеряемого и эталонного отверстия определится через отношение расстояний до ДДК с одним и тем же числом минимумов: (расстояние S_э заранее определено для эталонного канала).

Еще одна возможность определения диаметра отверстия заключается в измерении расстояния между соседними минимумами интенсивности в трехмерных дифракционных картинах, сформированных по оси отверстия.

В измерительном устройстве деталь с контролируемым отверстием 6 устанавливается неподвижной каретке 5 вместе с эталонным отверстием 12 и уголковым отражателем 7 линейного интерферометра 2. Интерферометр предназначен для измерения расстояния между минимумами DS, а также расстояния от отверстия до минимума S_к

Отверстия 6 и 12 освещаются коллимированным когерентным светом, сформированным с помощью лазера 10, коллиматора 9, полупрозрачной пластины 8 и зеркала 11. Дифракционные изображения от отверстий посредством объективов 4 и 13 передаются на фотоприемники 3 и 14. При движении каретки в зоне фотоприемников чередуются минимумы и максимумы интенсивности изображения.

В вычислительном устройстве 1 выделяются импульсы фототоков, а промежутки между ними заполняются импульсами с интерферометра, имеющими цену деления l/2.

Поясните суть измерительной процедуры. Как связаны сигналы фототока с импульсами интерферометра?

Ответ по варианту

(Размерный контроль отверстий с помощью дифракции Френеля).
Анализ измерительной процедуры.

При перемещении каретки меняется изображение, сформированное линзами в плоскости фотодиодных блоков З и 14 (т.е., в фокальных плоскостях линз). Блок 14 регистрирует ДДК с заданным эталонным числом минимумов, причем интерферометр фиксирует расстояние S_э; затем перемещение продолжается до тех пор, пока блок З не зарегистрирует такую же ДДК, соответственно измеряется S_к (если в измерительном канале заданная ДДК появится раньше, чем в эталонном, то перемещение продолжается до появления нужной ДДК в эталонном канале, то есть на расстояние S_э). Подставляя полученное значение в формулу, приведенную в задании, получаем косвенными измерениями величину R_к.

Импульсы фототока появляются в фотодиодных блоках в те моменты, когда очередное сечение дифракционного распределения оказывается в фокусе линзы, то есть с интервалами DS; расстояние DS (так же, как S_э и S_к) можно выразить через число длин волн интерферометра: перемещаясь вместе с кареткой, уголковый отражатель 7 изменяет оптический ход лучей в рабочем плече интерферометра, следовательно, меняется оптическая разность хода, и на выходе интерферометра появляются следующие один за другим импульсы. Интервалы этих импульсов соответствуют оптической разности хода l/2. Число таких импульсов m в промежутке между двумя импульсами от пространственного дифракционного распределения и позволяет определить DS = m∙l/2. S_э или S_к = nDS, где n - число минимумов в трехмерной дифракционной картине (дифракционном конусе).

Анализ физических эффектов и закономерностей.

В основе данной схемы измерениялежит дифракция Френеля,или дифракция сферических волн (т.е. волн, для которых волновой фронт, прошедший через препятствие, представляет собой сферу).

Вообще дифракцией называется явление огибания световыми волнами малых препятствий, встречающихся на пути их распространения. Дифракция приводит к тому, что вместо резкой границы между светом и тенью получается сложная картина распределения интенсивности света. Чем меньше размеры препятствия, тем сильнее дифракция.

Упрощенно решение такой дифракционной задачи для дифракции Френеля может быть выполнено с помощью геометрического метода, основанного на разбиении фронта волны на кольцевые участки, называемые зонами Френеля.

Зоны Френеля являются источником вторичных когерентных волн с разностями хода l/2 (как это следует из рисунка). Так что, придя в точку наблюдения Р,волны от соседних зон, находящиеся в противоположных фазах, ослабляют друг друга в соответствии с законами интерференции. Амплитуду волны от каждой зоны Френеля в точке Рможно рассчитать графическим методом; амплитуды колебаний от различных участков (подзон) зоны Френеля складываются каквекторы:

А₀А₆ - вектор, описывающий действие шести подзон, на которые разбита первая зона;

А₀А₁₂ - вектор суммарного действия 1-й и 2-й зон (как указывалось ранее, волны ослабляют друг друга);

А₀А₁₈ - вектор суммарного действия первых трех зон, и т. д. по спирали.

Таким образом, максимум или минимум интенсивности в точке наблюдения зависит от числа зон Френеля, на которые разбит волновой фронт, то есть в конечном счете от диаметра отверстия и его площади. Согласно Френелю, действие каждого элемента волны в точке Р пропорционально площади этого элемента, Из этого принципа следует пропорциональность отношения площадей диафрагм и расстояний от диафрагм до ДДК с одинаковым числом минимумов.

Кроме главного принципа, заложенного в основу действия данного измерительного комплекса, для реализации процедуры измерения используются также и другие вспомогательные эффекты и закономерности;

1) Свойства лазерного излучения — высокая монохроматичность, когерентность, мощность, малая угловая расходимость. Эти уникальные свойства делают лазеры идеальными источниками света в приборах, в том числе, для получения ярких и четких интерференционных и дифракционных картин, что позволяет осуществлять автоматический счет интерференционных полос.

2) Законы формирования изображений в линзах и зеркалах; законы отражения (угол падения равен углу отражения; падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр к поверхности в точке падения лежат в одной плоскости); законы преломления применительно к линзам (лучи, параллельные главной оптической оси, пересекаются в точке, лежащей на этой оси — в фокусе линзы) и к призмам (двойное преломление на гранях призмы и полное внутреннее отражение в призме, если угол падения больше предельного).

Благодаря этим законам и правилам удаётся разделить пучок света от лазера на два пучка (эталонный и измерительный) с помощью зеркала, сфокусировать изображение ДДК в плоскости фотодиодных блоков с помощью линз, а также связать перемещение каретки с диафрагмами и чередование сигналов интерферометра благодаря уголковому отражателю, поворачивающему луч в рабочем плече интерферометра.

3) Законы интерференции: в результате наложения двух световых волн
испускаемых одним источником монохроматического излучения, образуется устойчивая во времени картина усиления или ослабления результирующих колебаний в различных точках пространства. Интенсивность светового потока в произвольном месте встречи волн:

DZ - разность оптических путей двух световых пучков в месте встречи.
Отсюда следует возможность выразить длину отрезка DZ через длину волны света. Эта возможность использована в интерферометре, входящем в систему, для измерения длины перемещения каретки.

4) Законы внутреннего фотоэлектрического эффекта, характерного для полупроводников, когда часть электронов под действием света из валентной электрической зоны переходит в зону проводимости, увеличивая тем самым электропроводность вещества. Контакт двух полупроводников с дырочной и электронной проводимостью, пропускающий ток в одном направлении. представляет собой р-n переход. При освещении р-n перехода нарушается равновесие электронов и дырок, и на границе двух полупроводников возникаеn фотоэдс. Фотодиоды обладают высокой чувствительностью; в данной схеме фотодиоды, объединенные в блок, позволяют регистрировать появление максимумов и минимумов интенсивностей дифракционного распределения и постоянно меняющейся интерференционной картины.

Образование зон Френеля и расчет дифракционной картины графическим методом

Приложение №2

Варианты заданий для контрольно-курсовой работы.

Вариант №1

Определение формы сечения волокна.

Известно, что спектр частот собственных колебаний волокон, закрепленных консольно, либо с двух концов, зависят от формы поперечного сечения волокон, в частности, от размеров полуосей эллипса при эллиптической форме поперечного сечения Для регистрации собственных частот изгибных колебаний использован метод регистрации и анализа лазерного излучения, рассеянного колеблющимся волокном.

Луч лазера 1 направлен на волокно 6 перпендикулярно его оси. Волокно закреплено зажимом 5 на пьезоэлектрическом вибраторе 4, который сообщает ему механические изгибные колебания с частотой задающего генератора 3. Зеркало 7 пропускает основной пучок света от лазера (сплошная линия), а рассеянный свет (штриховые линии) поворачивает и направляет через формирующую систему 8 на фотоприемник 9, электрический сигнал с которого поступает на анализатор спектра 10. При совпадении задающей частоты генератора 3 с одной из собственных частот изгибных колебаний волокна наступает резонанс, и на экране анализатора наблюдается резкое увеличение сигнала. Значение соответствующей частоты снимают с экрана цифрового частотомера 2.

Вариант №2

Фрагмент прибора для контроля качества поверхностных вод.

Мостовая схема, показанная на рис.1, предназначена для измерения температуры и глубины погружения. В одно из плеч моста попеременно, в зависимости от измеряемого параметра, включается либо датчик температуры 9, либо датчик глубины 10. Для получения линейных характеристик измеряемых параметров напряжения, снимаемое с диагонали моста, подается на дифференциальный усилитель 11.

Датчик температуры представляет собой стандартный медный термометр сопротивления ТК-4. Схема датчика глубины приведена на рис.2. Сжатие сильфона 1 передается пружине 3, помещенной в корпус 2, что, в свою очередь, вызывает перемещение контакта 5 резистора 4.

Вариант №3

Интерференционный преобразователь давления.

Метод измерения переменного давления в жидких и газообразных средах основан на взаимосвязи давления с плотностью среды, и плотности - с показателем преломления. Реализуется с помощью двухлучевого интерферометра, при этом опорное плечо находится в среде с неизменным давлением и плотностью, а рабочее плечо помещают в объект измерения.

На схеме 2 - светоделитель; 3 - опорное зеркало; 5 - рабочее зеркала; 6 - фотоприемник; 7 - объект измерения

Смещение интерференционной картины перед щелью фотоприемника свидетельствует об изменении давления. Опишите ход интерферирующих лучей и поясните, почему смещается интерференционная картина.

Вариант №4

Лазерный доплеровский анемометр.

Схема дифференциального доплеровского анемометра (измерителя виброскорости) показана на рисунке. Пучок излучения от лазера 1 разделяется светоделительной призмой 2 на параллельные пучки, которые фокусируются на поверхности вибрирующего объекта 5 объективом 4. Рассеянное объектом излучение (штриховые линии) проходит через светофильтр 3 и поступает в световод 6. Детектирование оптического сигнала происходит в фотодиоде 7. Система обработки сигнала сводится к измерению его частоты.

Вариант №5

Измеритель малых уровней мощности оптического излучения.

Конструкция первичного преобразователя показана на рисунке. Он имеет дюралевый корпус 2, помещенный в теплоизолирующий чехол из эбонита 1. К съемному днищу корпуса 5 крепится П - образный кронштейн из оргстекла 7, в торцевых пазах которого установлены рабочий (слева) и компенсационный (справа) приемные элементы 8. К тыльным сторонам дисков приклеены одинаковые термисторы. Рабочий и компенсационный чувствительные элементы разделены медным экраном 4. Электрические соединения осуществляются через разъем 6.

В процессе измерения поглощенная чувствительным элементом мощность оптического излучения автоматически замещается на эквивалентную ей по тепловому воздействию на термочувствительный элемент мощностью постоянного тока, которая фиксируется измерителем мощности.

Вариант №6

Магнитоупругий измерительный преобразователь на основе тонкой ферромагнитной пленки с управляемой доменной границей.

Магнитное поле создается переменным током, протекающим по обмотке возбуждения 1, расположенной в основании П - образного магнитопровода 2. Магнитный поток, проходя по магнитопроводу, создает потоки рассеяния, которые пронизывают тонкую ферромагнитную пленку 3, расположенную на немагнитном силовоспринимающем упругом элементе 5. Выходной сигнал снимается с помощью измерительной обмотки 6, которая прошивает пленку в продольном направлении. Положение доменной границы 4 в пленке определяется координатой х_с.

Размеры силовоспринимающего элемента выбираются таким образом, чтобы обеспечить работу пленки в области малых упругих деформаций. Измеряемая сила Р создает механические напряжения в пленке, и, соответственно, перемещение доменной границы.

Проходя под витками измерительной обмотки, доменная граница индуцирует в них электрические импульсы, количество которых определяется числом витков, охваченных перемагниченной областью (т.е. областью, определяемой положением границы).

Вариант №7

Высокотемпературный фотоэлектрический дилатометр.

Предназначен для исследования температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) веществ при температурах выше 1800 К.

Исследуемый образец 4 помещают в вакуумную камеру 2 и нагревают токами высокой частоты в индукторе 3 генератора 1. Камера имеет два окна 5 с кварцевыми стеклами для измерения удлинения образца и его температуры. Увеличенное в три раза изображение образца формируется объективом 6. Метки образца, между которыми определяют его удлинение, должны быть равноудалены от оптической оси объектива. Для выполнения этого условия оптическую ось с помощью лазера 21 совмещают с юстировочным отверстием в средней части образца; при этом лазерный пучок проходит через юстировочное отверстие, а оптическая ось объектива перпендикулярна окну камеры.

Изображение меток образца перемещается перед фотоприемником вращающимся зеркалом 8. Для фиксации моментов прохождения меток перед фотоприемником 12 его входной окно выполнено в виде щелевой диафрагмы 9. Таким образом, расстояние между метками образца преобразуется в длительность электрического сигнала при периодическом перемещении образца с метками перед фотоприемником.

Температуру образца измеряют эталонным пирометром 24, который наводят на модель черного тела, выполненную в торце образца.

Вариант №8

Мембранно-емкостный вакуумметр.

С помощью высоковакуумной системы откачки 1 проводят откачку сравнительной камеры 2 и измерительной камеры 6 при открытом клапане 5 и закрытом клапане 7. Мембрана 3 и неподвижный электрод 4, образующие конденсатор, включены в плечо емкостного моста блока 9. При равенстве давлений в камерах 2 и 6 уравновешивают мост, перекрывают клапан 5 и открывают клапан 7. При этом в камере 6 устанавливается давление р_х, равное измеряемому давлению в замкнутом резервуаре 8. Под действием разности давлений в камерах 6 и 2 мембрана прогибается и вызывает неравновесие моста. Тогда между мембраной и электродом с помощью блока 9 создают разность потенциалов до уравновешивания моста. Мембрана возвращается в исходное положение.

Вариант №9

Прибор для измерения микроперемещений

при дилатометрических исследованиях.

На рис.1 приведена схема первичного преобразователя.

К неподвижному горизонтальному основанию 4 снизу крепится термокамера 2 с исследуемым образцом 1, а сверху - корпус 12 с установленным в нем микрометрическим винтом 8, вдоль которого перемещается каретка 6 с первичным преобразователем. Последний состоит из основания 10 с закрепленными на нем оптическими шторками Ш1, Ш3 и металлического стержня 7, используемого для крепления шторки Ш2 и снабженного пружиной 9. Шторки Ш1 - Ш3 образуют две оптические щели Щ1 и Щ2. При измерениях под действием пружины 9 стержень 7 нижним концом прижимается к штоку 3, и таким образом, связан с образцом 1.

При увеличении или уменьшении под влиянием температуры размеров образца стержень 7 со шторкой Ш2 будет совершать вертикальные перемещения, в результате чего одна из щелей сужается, а другая расширяется.

Вторичный преобразователь показан на рис.2.

Лампа Л излучает световые потоки Ф1 и Ф2, которые через световоды и оптические щели попадают на фотодиоды ФД1 и ФД2, включенные в мостовую схему вместе с резисторами R3 и R5. Нагрузочные резисторы R1 и R2 обеспечивают линейность вольт-амперной характеристики. Сигнал, появляющийся в диагонали моста при его разбалансе – напряжение U_вых.

Рис.1 Рис.2

Вариант №10

Реверсивный датчик силы с винтовой намоткой тензорезисторов.

Конструктивная схема упругого элемента показана на рисунке. В нейтральной плоскости пластины 10 по внешнему и внутреннему контурам предусмотрены противоположно ориентированные бортики 5 и 9, которыми пластина опирается на соответствующие кольцевые призмы 1 корпуса. Измеряемое осевое усилие Р передается с помощью цилиндрической оболочки 2. Преобразователь, состоящий из двух симметричных относительно срединной плоскости пластины кольцевых ребер 7, на которых намотаны тензорезисторы 3 и 6, располагается с внешней стороны силопроводящей оболочки. При сжимающем воздействии пластина изгибается, опираясь по внутреннему контуру, а при растягивающем - по внешнему. В обоих случаях тензорезисторы 3 растягиваются, 6 - сжимаются, т.е. работают в постоянном режиме деформирования. Какой будет схема деформации пластины в обоих случаях? Изобразите графически.

Вариант №11

Измерение температуры резания при алмазном точении.

Выбор метода объясняется тем, что измерение температуры контактным методом затруднительно ввиду небольшой электропроводности сверхтвердых синтетических материалов, а также из-за малых сечений среза при алмазном точении.

На рис.1 фотодиод 1, воспринимающий излучение в инфракрасном диапазоне, заключенный в волноводе 2, укреплен на резце3 с помощью кронштейна 4. Генерируемая под действием излучения фото-ЭДС усиливается преобразователем ИП.

В основу тарирования прибора положен принцип одновременного измерения температуры образца стандартной термопарой и бесконтактным прибором (рис.2). На переднюю поверхность резца 1 накладывали стружку 2, полученную при исследуемых режимах резания. К вершине резца прижимали упором 4 серебряную каплю 3 с зачеканенной в неё термопарой. Между каплей и упором закладывалась нихромовая пластина 5, которая нагревалась током от автотрансформатора 6. По показаниям прибора и термопары строился тарировочный график.

Вариант №12

Магнитоупругий акселерометр для измерения ускорения вибрации.

Основной элемент преобразователя - магнитопровод, содержащий два ярма 1 и 5, соединенных боковыми перемычками. В перемычках имеются сквозные окна, благодаря которым образуются боковые стержневые магнитопроводы. На этих стержнях расположены измерительные обмотки 2, 4, 6, 7, на которые намотаны обмотки возбуждения 3 и 8.

Акселерометр крепится на исследуемом объекте одним ярмом, второе при этом является инерционной массой, воспринимающей ускорение, действующее перпендикулярно плоскости магнитопровода. Измерительные обмотки соединены по мостовой схеме.

Магнитный поток, создаваемый обмотками возбуждения, пронизывает магнитопровод и, проходя по стержням боковых перемычек, наводит ЭДС в измерительных обмотках. При условии магнитной симметрии все они равны. При воздействии вибрационного ускорения будет оказывать на боковые перемычки магнитопровода изгибающие усилия, которые вызывают в стержнях перемычек механические напряжения сжатия и растяжения. Что будет происходить дальше? Закончите описание принципа действия.

Вариант №13

Устройство для измерения линейных перемещений.

На пьезопластины 1, 5 нанесены преобразователи 4,8 и поглотители 3. Верхняя пьезопластина может перемещаться относительно нижней зазор между пластинами меньше длины поверхностной звуковой волны. При подаче возбуждающего напряжения от генератора Г преобразователь 4 возбуждает поверхностные акустические волны, распространяющиеся в обе стороны. Одна волна переходит в пьезопластину 1, принимается преобразователем 8 и подается на вход фазометра Ф. На другой его вход подается сигнал с частотой w от генератора Г. Выход фазометра подключен к входу блока регистрации БР. Измеренный фазовый угол прямо пропорционален линейному расстоянию между преобразователями 4 и 8. При перемещении подвижной пьезопластины по поверхности неподвижной разность фаз между излученным и принятым сигналами:

j = wt = wL/V,

где L - расстояние между излучающим и приемным преобразователями,

V - скорость поверхностных акустических волн.

Вариант №14

Лазерный измеритель виброперемещений.

Интерферометр состоит из лазера ЛГ, светоделительного куба СК, двух уголковых отражателей УО1 и УО2 и фотодиода ФД. Луч лазера разделяется светоделительным кубом на два пучка I и II приблизительно равной интенсивности, которые далее направляются на уголковые отражатели. Первый отражатель неподвижен, а второй закреплен на вибростоле ВС. Смещенные и отраженные пучки вновь объединяются светоделительной плоскостью в один пучок и, интерферируя, падают на фотодиод. Преобразованный фотоприемником оптический сигнал представляет собой чередование максимумов и минимумов тока с периодом, соответствующим перемещению отражателя на половину длины волны излучения. Таким образом, количество импульсов, подсчитанное за период колебания вибростола, связано с размахом колебаний вибростола соотношением:

где S - размах колебаний вибростола,

N - число импульсов, подсчитанное за один период колебаний вибростола.

Вариант №15

Двухканальный рефрактометр жидкости

Предназначен для измерения абсолютного показателя преломления (АПП) оптически прозрачных жидкостей.

Выполнен в виде блока кювет: вакуумируемой кюветы 2 и кюветы 6, заполняемой исследуемой жидкостью.

Световой пучок лазера, проходящий через окно 1, последовательно делится пластинами 21-19 с образованием нескольких световых пучков. Ход лучей показан на схеме. Интерференционная картина измерительного оптического канала регистрируется с помощью пластины 17 и фотоприемников 15, 16. Интерференционная картина контрольного оптического канала регистрируется с помощью пластины 18 и фотоприемников 13, 14.

Процедура измерения АПП заключается в следующем. После заполнения кюветы 6 исследуемой жидкостью и вакууммирования кюветы 2 (полость штока 11 заполнена средой кюветы 2 для каждого оптического канала определяется исходное пространственное положение интерференционной картины с определенным значением порядка интерференции. Затем перемещают шток 7 на заданное расстояние и вновь определяют значение порядка интерференции для обоих каналов.

На заключительном этапе рассчитывается изменение порядка интерференции для измерительного N₁ и контрольного N₂ каналов и определяется АПП:

n = n₀N₁/N₂

n₀ - АПП среды в кювете 2 (вакуумированной).

Поясните, почему происходит изменение порядка интерференции и как это связано с показателем преломления исследуемой жидкости.

Вариант №16

Пьезоэлектрические приборы для измерения отклонения

от вертикали технологических каналов ядерных реакторов

Корпус прибора 1 выполнен в виде двух сообщающихся сосудов. Нижняя часть имеет широкое, а верхняя 5 - узкое сечения. Пьезоэлементы 4 закреплены в нижней части сосудов с узким сечением. Сосуды заполнены жидкостями 2 и 3 разной плотности. При изменении угла наклона корпуса прибора происходит вытеснение более легкой жидкости под действием тяжелой в узкую часть сосуда, что приводит к приращению высоты столба жидкости в узком сечении пропорционально отношению сечений в узкой и широкой частях сосудов.

Поясните, каким образом время-импульсным методом определяется смещение уровня жидкости.

Вариант №17

Лазерный измеритель диаметра волокна

Предназначен для бесконтактного измерения образцов цилиндрического сечения.

В приборе используется сканирование по гармоническому закону с помощью сканера 6 электромагнитного типа, имеющего зеркало, жестко связанное с рамкой, помещенной в постоянное магнитное поле. К рамке подводится переменный ток. На зеркало направляется параллельный пучок лучей от He-Ne лазера. Колеблющееся зеркало обеспечивает пучку периодическую возвратно-поступательную развертку по углу с частотой переменного тока (с этой частотой соответственно колеблется и зеркало).

Объектив 7 фокусирует пучок лучей, отраженных от зеркала в своей задней фокальной плоскости х-х. В области вблизи х-х помещается исследуемый образец цилиндрического сечения. Он перекрывает луч света на время, пропорциональное диаметру образца, формируя оптический сигнал соответствующей длительности. В те интервалы времени, когда пучок света минует образец, он проходит через оптическую систему 8-9-10-11 и направляется на фотодиод 12.

Вариант №18

Абсолютный криогенный радиометр

для высокоточных фотометрических измерений

Использование криогенных радиометров позволило повысить точность измерений, так как в области сверхнизких температур снижаются потери на излучение от приемной полости от самой приемной полости в 10⁵ раз; кроме того в 10³ раз снижается удельная теплоемкость меди, из которой изготовлен приемный элемент, что повышает температурную чувствительность приемника. Использование при гелиевых температурах проводов из сверхпроводящих материалов позволяет исключить нагрев от электрического тока замещения и снизить влияние тепловых потерь по проводам.

Структурная схема приемника показана на рисунке. Приемный элемент представляет собой тонкостенный медный конус 2, внутренняя поверхность которого покрыта поглощающей краской. На внешней поверхности размещены 2 нагревательные обмотки 1. К основанию конуса припаяно медное кольцо 4, на котором размещен полупроводниковый термометр сопротивления 5 (датчик температуры приемника). Кольцо соединяется с медным теплостоком 10 с помощью теплоотвода 3, выполненного в виде 4-х тонких стальных пластин.

Температура теплостока поддерживается постоянной с помощью автоматической системы 8, содержащей мост постоянного тока и аналоговый регулятор. Термометр сопротивления 6 (датчик температуры теплостока) подсоединен к одному из плеч моста; к другому плечу подсоединен магазин сопротивлений, с помощью которого задается необходимая температура стабилизации теплостока. Измерительная диагональ моста соединена с входом регулятора; выход регулятора подключен к нагревателю теплостока 9.

Схема автоматической системы замещения 7 также содержит мост постоянного тока и аналоговый регулятор. Датчик температуры приемника соединен с мостом, а выход регулятора - с обмоткой замещения.

При подаче радиационной мощности в приемник балансируется первый мост (сопротивление магазина будет равно сопротивлению датчика 6), на регулятор, а от него на нагреватель поступает сигнал на стабилизацию температуры теплостока. Тем самым восстанавливается прежняя температура приемной полости.

Балансировка второго моста происходит после прекращения подачи радиационной мощности благодаря регулированию напряжения на обмотке замещения: в результате прохождения эл. тока по обмотке замещения (сигнал на неё поступает с регулятора автоматической системы замещения) приемный элемент нагревается до той же температуры, которую имел при подаче радиационной мощности, и сопротивление датчика 5 принимает значение, соответствующее сбалансированному мосту.

Таким образом мощность излучения замещается на эквивалентную ей по тепловому воздействию мощность эл. тока.

Вариант №19

Автоматический контроль показателя преломления

жидкостей в капиллярах

В основе метода лежит представление капилляра с жидкостью как коллектива оптических линз, где стенки капилляра - цилиндрическая линза с показателем преломления (ПП) стекла n₁, а его канал - цилиндрическая линза с ПП жидкости n₂ . Линзы обладают различными коэффициентами линейного увеличения.

В режиме автоматического контроля капилляр освещают двумя сходящимися пучками, которые взаимодействуют с образованием интерференционных полос (ИП), локализованных в переднем фокусе линзы-капилляра (интерференция происходит на светоделительной плоскости куба 3). В плоскости изображения формируются 2 системы ИП: боковая с периодом Н_в (образована лучами, проходящими только через оболочку) и центральная с периодом Н_с (образована лучами, проходящими через оболочку и канал капилляра).

Показатель преломления находится из формулы линзы для двухкомпонентной оптической системы, которой является капилляр с жидкостью. Фокусное расстояние линзы зависит от n₂, т.к. n₁ - величина постоянная. С другой стороны, фокусное расстояние рассчитывается по формуле, в которую входит период ИП*.

При сдвиге ИП их период в плоскости регистрации изменяется. Таким образом, определить n₂ можно, вычисляя изменение периода полос по сравнению с номинальным периодом.

Способ реализован с помощью устройства, изображенного на рисунке. Оно содержит лазер 1, коллиматор 2, светоделитель 3 и зеркало5, закрепленное на пьезодвигателе 6. По обе стороны от светоделителя 3 размещены второе 11 и третье 4 зеркала. Оптический капилляр ОК размещен на пересечении оптических осей зеркал 11 и 4; за ним в плоскости изображения ИП размещены фотоприемники 7, 8, 9, 10.

От источника излучения формируются два сходящихся под углом a друг к другу когерентных пучка, которыми освещают капилляр с исследуемой жидкостью. При пересечении пучки интерферируют. Зеркало 5 колеблется с частотой 1Гц под воздействием пьезодвигателя 6. Колебания зеркала приводят к движению ИП в плоскости изображений (объясните, почему это происходит). Фотоприемники 7 - 10, установленные в лоскости изображений, регистрируют их, и по изменению периода, выраженного появлением сдвига фаз Dj₁ (для боковой картины) и Dj₂ (для центральной картины) с помощью аналитического выражения (здесь не приводится) вычисляется искомый ПП жидкости n₂.

Измерение сдвига фаз Dj₁ нужно для внесения поправки в результат Dj₂: D_Dj = Dj₂ - Dj₁, т.к. преломление в линзе-капилляре зависит и от жидкости, и от стекла, а в оболочке - только от стекла.

Вариант №20

Поляризационный датчик давления на основе световодов.

Рассматриваемый одноволоконный поляризационный датчик на основе волоконных световодов обладает средним и малым значениями двулучепреломления, которое определяется внутренними напряжениями в структуре. Известно, что при нарушении симметрии сердцевины световодов возникает вырождение ( равенство условий распространения) по поляризации излучения, и возникают две основные моды, у которых поперечное электрическое параллельно определенным направлениям х и y. Мощности этих мод Р_х и Р_у зависят от значения двойного лучепреломления и от так называемого коэффициента связи мод.

Конструкция и схема обработки сигнала датчика приведены на рисунке. При размещении чувствительного элемента датчика в области меняющегося гидростатического давления в световоде возникают аксиальные напряжения, приводящие к изменению двулучепреломления и соответственно мощностей мод Р_х и Р_у . Разность Р_х - Р_у = DР_пор является пороговым приращением мощности на фотодиоде (ФД), вызывающем приращение сигнала на его нагрузке.

Источником излучения является полупроводниковый лазер 1, генерирующий серию импульсов; излучение через микрообъектив 2 поступает в торец световода 4, и далее – к чувствительному элементу 6. Чувствительный элемент помещается в сосуд 3, наполненный водой с меняющимся гидростатическим давлением и представляет собой намотанную на цилиндрическую катушку часть световода. При воздействии внешнего гидростатического давления световод 4 на катушке либо прогибается, либо сжимается между ребрами жесткости; при этом в нем возникают аксиальные напряжения, приводящие к изменению двулчепреломления и, соответственно, DР. Приращенный по мощности сигнал излучения направляется микрообъективом 5 на фотоприемное устройство (фотодиод) 7, и далее – на блок регистрации для отображения значения гидростатического давления.

Вариант №21

Бесконтактный магниторезистивный датчик перемещений.

Датчик представляет собой устройство, осуществляющее аналоговое преобразование перемещения сигнального магнита (СМ), установленного на исследуемом объекте, в напряжение. Измерительное устройство выполнено на основе магниторезисторов, включенных в мостовую схему, и обеспечивает регистрацию местоположения объекта с высоким разрешением в области ±25 см.

Функциональная схема показана на рисунке 1а. Два магниторезистора МР1 и МР2 вместе с сопротивлением R₀ образуют мост, питание которого осуществляется постоянным током в пропускном направлении в точках 1 и 2. Мост уравновешивается с помощью R₀ при координате сигнального магнита х₀. Выходное напряжение снимается в точках 3 и 4.

Взаимное расположение элементов устройства показано на рис.1б. Магниторезисторы расположены в торцах магнитопровода МП (им может быть отожженная пермаллоевая проволока). Сигнальный магнит NS, представляющий собой ферритовый кубик, перемещается вдоль магнитопровода; между ними существует постоянный зазор. Регистрируемый сигнал U_вых подается на вход двухкоординатного самопишущего прибора; разверткой служит сигнал, пропорциональный смещению сигнального магнита.

На рис. 2 показана кривая зависимости U_вых(х). Объясните характер кривой на основании принципа действия данного средства измерений. Почему при смещении сигнального магнита вдоль магнитопровода появляется выходной сигнал, показанный на рис.2?

Вариант 22

Инфракрасный фильтровый газоанализатор

Принцип действия прибора основан на методе селективного поглощения инфракрасного (ИК) излучения различными газами. Так окись углерода (СО) имеет полосу поглощения ИК-излучения с длиной волны 4,72 мкм, а углеводороды (СН) – с длиной волны 3,41 мкм. По степени поглощения ИК-излучения определяется содержание каждого компонента. Монохроматизация излучения осуществляется узкополосными фильтрами, имеющими максимум пропускания на указанных выше длинах волн.

Прибор состоит из двух источников ИК-излучения (нихромовые спирали), двух ИК-фильтров с длинами волн максимума пропускания 4,72 и 3,41 мкм, двух газовых кювет и двух фоконов для фокусировки ИК-потока на пироприёмники, выполненные в виде отдельных модулей с предварительными усилителями.

Сформированные отражателями параллельные пучки ИК-излучения от источников поступают в измерительные оптические кюветы, и, пройдя в каждом из каналов излучения свой селектирующий ИК-фильтр, попадают на пироприемники. Оптические кюветы состоят из двух половин, через одну из которых прокачивается насосом исследуемый газ, а вторая половина кювет заполнена окружающим воздухом. Сигнал об интенсивности излучения получают с пироприемника.

* Н_с=b₂e, где b₂ - коэффициент линейного увеличения, e - действительная ширина ИП в единицах длины волны. b₂ = S/ f₂ . S - известное расстояние до плоскости изображения.