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

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

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

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