Дипломная работа: Измерительный контроль

полевую диафрагму.

Полевая диафрагма 2 представляет собой металлическую деталь с внутренним отверстием, диаметр отверстия равен 0,1 мм. Она предназначена для ограничения поля зрения и формирования светящегося предмета в виде отверстия круглой формы. Полевая диафрагма расположена в фокальной плоскости объектива 5.

Для уменьшения длины L от первой поверхности до фокальной плоскости был взят телеобъектив.

Объектив формирует параллельный пучок лучей. Параллельный пучок лучей попадает на пента-призму 6.

Вращающаяся пента-призма (БП-90˚) нужна для сканирования плоскости. Эта призма имеет две отражающие грани, на которые наносится отражающее покрытие, так как углы падения меньше угла полного внутреннего отражения.

Светоделительная призма 3 используется для разделения светового пучка на два канала (визуального и измерительного канала).

Она представляет собой две склеенные призмы АР-90˚ , между которыми нанесено светоделительное покрытие.

Окуляр используется для наблюдения светового пятна на фотоприемнике 7.

Фотоприемником 7 является фотодиод ФД-К- 142 основные характеристики которого приведенными в таблице 3.

Таблица3

Основные параметры фотодиода ФД-К-142 (Т=20±5˚С)

4.1Расчет объектива

При построении оптической системы необходимо учитывать особенности синтеза сигнальной характеристики. Иначе говоря, зависимости сигнала на выходе от смещения оптической оси относительно начального значения. За начальное смещение понимается такое положение, когда оптическая ось пучка излучения попадает точно на границу раздела двух приемных площадок. Разностный сигнал при смещении пучка образуется за счет неравенства потоков излучения, приходящих на верхнюю и нижнюю приемные площадки. Высокие требования к точности измерения потоков излучения (дополнительная погрешность 0,02 мм) предполагает работу приемника излучения с высокой линейностью световой характеристики. Искажение этой характеристики происходит от двух факторов:

1. Падение эффективности приемника в краевой зоне;

2. При не точном попадании луча в вертикальной плоскости эффективный размер его уменьшается и может происходить виньетирование пучка излучения.

 Поэтому соотношение пучка светового диаметра луча и приемной площадки необходимо выбирать из условия:

Dпучка+ 2 x1,5 + 0,5 ≤ Dприемника (4)

Где 1,5 - диапазон измеряемых отклонений;

0,5- зона падения эффективности фотоприемника.

В этом соотношении не учитывается горизонтальное смещение пятна относительно приемника, вызванное погрешностью наведения. Величина погрешности наведения обычно задается частью пятна. Типовые значения бывают от (0,3 ÷0,4) Dпучка. Выходя из выше приведенных условий, выбираем размер пучка изображения.

D пучка изображения=8мм при световом диаметре приемника излучения 13,7 мм.

Для формирования на площадке фотоприемника светового пятна конечного размера в качестве предмета используем диафрагму, диаметр отверстия которой, согласно техническому заданию, равен 0,1 мм.

Dпучка предмета=0,1 мм.

Исходя из критериев уменьшения габаритов, был выбран телеобъектив.

Угол расхождения излучения находится следующим соотношением:

 (5)

где - угол расхождение излучения;

- световой диаметр изображения;

-расстояние от приемника излучения до диафрагмы.

Рассчитываем фокусное расстояние объектива.

 (6)

где - фокусное расстояние объектива;

- высота диафрагмы

На расстоянии 212,5 мм угол расхождение излучения определяется соотношением:

 (7)

где - угол расхождение пучка лучей лазерного диода;

- световой диаметр линзы;

- фокусное расстояние объектива.

Зная световой диаметр линзы, и учитывая расходимость пучка лучей лазерного диода, находим расстояние от лазерного диода до диафрагмы следующим соотношением:

 (8)

где - расстояние от лазерного диода до диафрагмы;

- высота диафрагмы

мм

Таким образом, расстояние от лазерного диода до диафрагмы составляет 2,65 мм.

По результатам габаритного расчета объектива получаем следующие величины:

Конструктивные параметры объектива:

R1=17,62 d1=33,205 тф4

R2=167,11 d2=2,0 1

R3=25,47 d3=4,0 лф5

R4= - 29,79 к8

Параксиальные характеристики объектива:

= - 212,5

= 212,5

= - 67, 7744

= 536,9299

= -144,7256

= 324,4298

4.2Расчет светоделительной призмы

Размеры светоделительной призмы и расстояние были выбраны из конструктивных соображений. С учетом допусков размер светоделительной призмы равен 8х8 мм.

4.3 Расчет пентапризмы

Расчет размеров пентапризмы ведется от последней поверхности линзы объектива до ее входной грани, расположенной на расстоянии . Так как объектив формирует параллельный пучок лучей, то световой диаметр входной и выходной грани, с учетом допусков будет равен 10,25 мм.

Находим длину хода луча в призме  из следующего соотношения:

=3,414 D (9)

= мм

4.4 Расчет окуляра

Для наблюдения и юстировки светового пятна на фотоприемнике введен наблюдательный канал. Для того чтобы глаз мог рассмотреть изображение предмета, необходимо иметь на выходе окуляр. Окуляр должен находится в фокальной плоскости объектива.

= - 67, 7744 мм

Световой диаметр приемника излучения  равен 14 мм.

Диаметр глаза равен 4,5 мм.

Выбираем окуляр таким образом, чтобы фокальная плоскость объектива была равна фокальной плоскости окуляра.

По результатам габаритного расчета окуляра получаем следующие величины:

Конструктивные параметры окуляра:

R1= 149,75 d1= 2,68 тф1

R2= 28,01 d2= 7,15 бк6

R3= -37,1 d3=34.42 1

 R4=137,85 d2=7,15 к8

R5= -63,01

Параксиальные характеристики окуляра:

= -49,99

= 49,99

= -21,5902

= 19,8969

= 28,4097

= -30,103

= 0,9685

5.ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Для обеспечения работоспособности любого оптико-электронного прибора важно получить определенные энергетические соотношения между полезным сигналом, т.е. сигналом от наблюдаемого объекта, и порогом чувствительности прибора - минимальным сигналом, при котором происходит надлежащее срабатывание оптико-электронного прибора. Порог чувствительности оптико-электронного прибора определяется обычно шумами. Определение этих соотношений и на их основе некоторых важнейших параметров оптико-электронного прибора (например, мощности источника, дальности действия, размера входного зрачка и.т.д.) составляет основное содержание и цель энергетических расчетов.

Последовательность энергетического расчета:

1.Расчет коэффициента использования лазера;

2.Расчет коэффициента светопропускания;

3.Расчет полного сигнала приемника;

4.Расчет крутизны сигнальной характеристики;

5. Расчет уровня сигнала соответствующий дополнительной погрешности;

6. Соотношение сигнал шум.

5.1 Расчет коэффициента использования лазера

При определении коэффициента использования лазера необходимо учитывать параметры оптической системы и светотехнические требования к обеспечению работы прибора. Прибор работает на дистанции от1м до 17м. В этом случае распределение энергии принципиально меняется. В ближней зоне определяется освещенностью входного и выходного зрачков объектива, а в дальней зоне соответствует распределению освещенности полевой диафрагмы. Для обеспечения условия равномерности освещенности необходимо отказаться от максимального использования лазера, а использовать только ту часть, когда индикатриса ( угловое распределение лазера) равномерна.

Определяем светопропускание излучателя на основании оптической схемы, которая задает расположение лазера, полевой диафрагмы, объектива. Затем находим коэффициент использования лазера, который определяет телесный угол, под которым со стороны лазера наблюдается объектив.

Находим телесный угол оптической системы:

(11)

где- телесный угол оптической системы;

-площадь выходного зрачка;

-длина оптической системы.

 (12)

Находим телесный угол излучения лазера:

 (13)

где - телесный угол излучения лазера;

Θ׀׀ – расходимость излучения в горизонтальном направлении;

Θ┴ – расходимость излучения в вертикальном направлении.

=

Находим коэффициент использования лазера:

 (14)

5.2 Расчет коэффициента светопропускания

Коэффициент светопропускания можно вычислить по формуле (15):

 (15)

где - коэффициент отражения от поверхности деталей на границе воздух- стекло для непросветленных деталей из стекла с показателем преломления ; ;

-коэффициент поглощения стекла оптических деталей системы;

- длина хода осевого луча в деталях (см);

-коэффициент отражения зеркальных непрозрачных покрытий и светоделительных покрытий;

- коэффициент пропускания светоделительных покрытий;

- число деталей системы;

- число поверхностей, граничащих с воздухом, кроме поверхностей со светоделительным и зеркальным покрытием;

-число поверхностей со светоделительным покрытием в условиях работы на пропускание.

0,29

5.3 Расчет полного сигнала приемника

Находим эффективный поток лазера по формуле (15):

(15)

где - эффективный поток лазера;

- полный поток без учета пропускания системы.

 Вт

Поток, приходящий на приемник излучения уменьшается в зависимости коэффициента светопропускания. Тогда полный поток с учетом пропускания системы будет равен:

 (16)

 Вт

5.4 Расчет крутизны сигнальной характеристики

Величина тока сигнала приемника, попадающего на одну из половин, будет равна:

(17)

Из параметров приемника токовая чувствительность -  равна 0,4 А / Вт, а относительная чувствительность - - 0,75

 А

В качестве согласующего усилителя используем преобразователь ток – напряжения с  ом

 (18)

В

Далее необходимо найти крутизну сигнальной характеристики при смещении пятна на приемной площадке. Для этого находим приращение сигнала при смещении на 1 мм. Величину приращения сигнала находим из условия пропорционального изменения сигнала и изменения засвечиваемой площадке приемника.

Площадь засветки приемника равна 50,26 мм.

При смещении пятна на 1 мм приращение площади будет 8 мм, тогда приращение сигнала будет:

 (19)

В

5.5 Расчет уровня сигнала соответствующий дополнительной погрешности

Находим величину электрического сигнала, соответствующей дополнительной погрешности:

 (20)

В

5.6 Соотношение сигнал шум

Находим напряжение шума.

Шум определяется дробовым током фотоприемника с учетом .

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7