авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

«Мухамадиев, Айдар Асхатович.    Информационно­измерительная система атмосферного мониторинга на базе акустооптического газоанализатора  [Электронный ресурс] : дис. ... канд. ...»

-- [ Страница 2 ] --

Сигнал на выходе синхронного детектора 11 пропорционален потоку излучения Ф, на заданном, ранее выбранном множестве точек спектра A,j^ (k=l.m). Этот сигнал поступает в блок обработки и индикации 12, который может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных аналогового интегратора, аналого-цифрового преобразователя и электронно-вычислительной машины. Сигнал S, с выхода синхронного детектора И в блоке обработки и индикации 12 корректируется т (уменьшается) на значение темнового фотосигнала S, и нормируется на значение сигнала S?, полученного когда кювета была "пустая" или т заполненная чистым воздухом, и скорректированного на величину S..

Коэффициент пропускания Т, газа (газовой смеси) в к-том спектральном канале и вычисляется по формуле:

-ST), (7) Для расчета концентраций используется ослабление сигнала d(A,. ) связанное с коэффициентом пропускания соотношением (8) 1 - источник света;

2 - волоконно-оптический кабель;

3 - оптический изолятор;

4 - светоделитель;

5 - кювета с анализируемым газом;

6 уголковый отражатель;

7 - корректор спектра;

8 - акустооптический монохроматор;

9 фотоприемник;

10 - усилитель;

11 - синхронный детектор;

12 - блок обработки и индикации;

13 - тактовый генератор;

14 - блок управления на базе микроконтроллера AT90S8515;

15-синтезатор частот;

16 - усилитель мощности;

17 - трансформирующий объектив.

Рисунок 1.19 - Структурная схема газоанализатора Согласно физической модели, общее ослабление потока излучения, прошедщего через газ (газовую смесь), составит:

), (8) где ар(Х.)-сечение поглощения р-й смесью при длине волны А,. ;

Пр концентрация р-й примеси;

L - длина оптического пути потока излучения внутри кюветы;

С(?1,)- оптическое ослабление, вызванное прочими факторами (загрязнение оптических поверхностей и др.).

Определение концентрации примесей Пр сводится к разложению измеренной спектральной функции (1д(А,. )по спектрам поглощенияСТр(А,,) и определению коэффициентов разложения Пр.

в результате выполнения измерений на всех выбранных спектральных каналах задача сводится к решению системы m линейных уравнений с R неизвестными (Rm):

BRC, где элементы матрицы А определяются константами поглощения газов а, элементы вектора С измеренными данными. Вектор В содержит концентрации искомых газов Пр[78].

ВЫВОДЫ п о ГЛАВЕ 1. Анализ известной научно - технической и патентной литературы выявил применение газоанализаторов в качестве элементов информационно измерительных систем атмосферного мониторинга. Показано, что актуальной задачей является исследование характеристик и практическая реализация функциональных и эффективных газоанализаторов в информационно - измерительных системах.

2. В результате сопоставительного анализа существующих способов и средств газового анализа выявлены их особенности, приведены принципы действия, указаны достоинства и недостатки. Анализ показал необходимость создания новых газоанализаторов, т.к. известные не в полной мере отвечают комплексу возросщих требований со стороны атмосферного мониторинга.

3. Показано, что наиболее перспективным направлением для создания новых газоанализаторов является использование акустооптических эффектов и явлений. Перспективы развития данного направления позволяют проектировать ИИС, отвечающие современным требованиям предъявляемым к атмосферному мониторингу.

4. Установлено, что акустооптические газоанализаторы отличаются сравнительной простотой исполнения, большим динамическим диапазоном, высокой чувствительностью, многокомпонентностью анализа, возможностью значительного удаления вторичной аппаратуры от места измерений, универсальностью, селективностью, многофункциональностью, длительным сроком службы, простотой обслуживания, высокой надежностью, точностью, быстродействием, надежностью.

5. На основании большого объема информации, включающей научно техническую литературу и патенты зарубежных стран и Российской Федерации систематизированы принципы построения акустооптических газоанализаторов: использование оптического волокна в качестве линии связи;

использование выносного оптического элемента для дистанционного анализа газовой среды;

использование многоэлементного пьезопреобразователя в акустооптическом перестраиваемом фильтре;

выделение акустооптическим перестраиваемым спектра до анализируемой среды;

использование сигнала специальной формы для управления акустооптическим перестраиваемым фильтром;

выделение перестраиваемым фильтром спектра после анализируемой среды.

6. Разработан газоанализатор, отличающийся надежностью и более высокой точностью измерений, защищенный свидетельством на полезную модель РФ №52742 от 27.02.2006 года.

ГЛАВА II. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АКУСТООПТИЧЕСКОГО ГАЗОАНАЛИЗАТОРА (АОГА) 2.1. Структурная и принципиальная схемы АОГА Структурная и принципиальная схемы АОГА представляют собой соединение основных элементов преобразователя и отражают физические процессы, происходящие в нем при прохождении светового излучения по оптическому тракту, а ультразвуковой волны по акустическому тракту, включая АОПФ, в котором происходит взаимодействие этих сигналов.

Структурная схема АОГА приведена на рисунке 2.1. Газоанализатор работает следующим образом. Источник излучения 2 питается от источника питания 1. Создаваемый 2 оптический сигнал, представляющий собой когерентное монохроматическое излучение в виде волны с заданными параметрами (частотой и длиной волны). Излучение поступает на акустооптический перестраиваемый фильтр 3. Пьезоэлектрический преобразователь 13, питаемый генератором высокой частоты 12, создает в АОПФ акустический сигнал в виде ультразвуковой волны. При изменении частоты входного акустического сигнала происходит перестройка оптического фильтра.

При этом изменяется не только центральная частота фильтра, но и щирина полосы пропускания. Прощедщий через АОПФ сигнал проходит через кювету с исследуемой средой 5. После прохождения сквозь исследуемую среду сигнал попадает на фотоприемник 7. Выходной сигнала с фотоприемника поступает на усилитель 8, после чего поступает в аналого - цифровой преобразователь 9, непосредственно соединенный, через интерфейс 10, с персональной электронной - вычислительной мащиной 11, которая выдает конечную информацию об исследуемой среде.

Паиболее важным элементом в данной схеме является акустооптический перестраиваемый фильтр. Он предназначен для выделения из светового луча с щироким спектром, составляющей с узким спектральным диапазоном и для перестройки центральной волны этого диапазона в соответствии с управляющим сигналом. Для целей фильтрации используется селективность анизотропного брэгговского рассеяния света на акустической волне. Если на акустооптическую ячейку падает световой поток со сплошным спектром, то дифрагирует лишь та составляющая, длина волны которой удовлетворяет условию Брэгга на данно^!

акустической частоте. При фиксированном угле падения света и изменении частоты ультразвука происходит перестройка устройства, так как брэгговское условие становится справедливым уже для другой длины волны света [4, 12, 13].

10 1- источник питания;

2 - источник излучения;

3 - акустооптический перестраиваемый фильтр;

4 - оптический блок входной;

5 - исследуемая среда;

- оптический блок выходной;

7 - фотоприемник;

8 - усилитель;

9 - аналого цифровой преобразователь;

10 - интерфейс;

И - персональная электронно вычислительная машина;

12 - генератор высокочастотный;

13 пьезоэлектрический преобразователь.

Рисунок 2.1- Структурная схема АОГА Основными достоинствами акустооптической ячейки являются высокая точность выдерживания периода фазовой структуры по всей ячейке, связанная со стабильностью частоты ультразвука и однородностью упругой среды, и простата изменения этого периода. Благодаря этим свойствам акустооптические фильтры находят в последнее время все более широкое применение. Основные характеристики фильтров - полоса пропускания ДА, и разрешение N = V ^ ^ " определяются числом периодов фазовой структуры, укладывающихся на длине взаимодействия света и ультразвука[3, 31, 38].

При прохождении через одну и ту же среду световые и звуковые волны взаимодействуют друг с другом. Свет рассеивается на звуковой волне, как на дифракционной решетке, так что звуковую волну можно считать движущейся дифракционной решеткой. Физика этого явления такова. Распространяющаяся в упругой среде бегущая акустическая волна создает периодическое пространственно-временное распределение давления. Изменению давления во времени и пространстве соответствует пространственно-временное изменение плотности и, следовательно, коэффициента преломления среды. Падающая на такую среду световая волна рассеивается на вариациях коэффициента преломления, в результате чего образуется дифракционное световое поле.

Отклонение оптического пучка почти линейно зависит от частоты акустической волны, из чего следует, что световая картина, формируемая отклоненным лучом, соответствует фурье-образу модуляции акустической волны.

Дифрагированный луч поступает на фотоприемник ФП, а затем с помощью электронной схемы преобразуется в выходное напряжение 1]шк.

Принцип действия АОГА газоанализатора основан на анализе поглощения оптического излучения на специфических для каждого вещества длинах волн (рисунок 2.2).

Газоанализатор работает следующим образом. Источник излучения 1 создает световое излучение, падающее на исследуемую среду 2. Вышедший луч попадает на АОПФ 3, в котором пьезоэлектрическим преобразователем 7 за счет подачи на него управляющего сигнала 8 создается бе'гущая дифракционная решетка 6.

1 - источник излучения;

2 - исследуемая среда;

3 - акустооптический перестраиваемый фильтр;

4 - фотоприемник;

5 - дифрагированный луч;

6 звуковые волны;

7 - пьезоэлектрический преобразователь;

8 - управляющий сигнал;

9 - компьютер Рисуиок 2.2 - Прииции действия АОГА В выходной плоскости АОПФ установлен фотоприемник 4, сигнал с которого оцифровывается и поступает в компьютер 9 для дальнейшей обработки. В процессе обработки спектр излучения, сравнивается со спектром источника, в результате чего выявляются изменения, обусловленные поглощением излучения газовыми компонентами атмосферы. Поскольку каждый газ имеет свой индивидуальный спектр поглощения, анализ изменений спектра позволяет идентифицировать поглощающие газы и определять их концентрации.

Под математической моделью АОГА будем понимать математическую зависимость выходного напряжения фотоприемника от количественной и качественной составляющих исследуемой среды и элементов принципиальной схемыАОГА[56, 107,108].

2.2. Математическая модель АОГА ири расиростраиеиии УЗ-волиы в АОПФ Рассмотрим задачу о распространении световой волны в планарном световоде, т.е. а»Ь (рисунок 2.3), размер которой вдоль оси Оу, перпендикулярной плоскости чертежа, b » Л, где b - толщина АОМ, Л - длина волны света, распространяется гармоническая акустическая волна частотой /2 со скоростью вдоль оси Ох. Она возбуждается на входном торце V акустооптического модулятора и проходит некоторое расстояние до х пересечения оси светового пучка, претерпевая при этом задержку во времени.

Будем считать, что частоты рассматриваемых акустических волн достаточно велики, так что длина волны мала по сравнению с поперечным сечением акустического столба. В этом случае акустическая волна ведет себя точно так же, как и когерентная оптическая волна, распространяющаяся в свободном пространстве (а не в световоде), и к ней применимы известные из оптики понятия дифракции, фокусировки и т.д.

Предположим также, что затухание звука вдоль звукопровода АОПФ не происходит, в силу его небольшой длины. Для того, чтобы акустическая волна в звукопроводе акустооптического устройства была бегущей, т.е. не происходило нежелательного отражения, к акустооптической среде должен примыкать поглотитель энергии этой волны.

Будем полагать, что взаимодействующие волны света и звука в объеме звукопровода АОПФ являются плоскими. Следует отметить, что, конечно, понятие плоских волн является не более чем физической абстракцией. Приборы имеют дело с ограниченными в пространстве световыми и звуковыми волнами и именно эти реально существующие взаимодействия определяют их параметры.

Оптические требования. Падающий световой луч должен быть когерентным как во времени, так и в пространстве. При отсутствии временной когерентности вместо любого монохроматического луча дифрагированного света появилось бы множество лучей, с длиной волны одной из множества излучаемых источником света спектральных линий. При отсутствии пространственной когерентности дифракционная картина, получающаяся для пространственно когерентного света, была бы заменена множеством перекрывающихся дифракционных картин.

УЗ-волна в соответствии с упругооптическим эффектом модулирует показатель преломления материала АОПФ и в зоне пересечения световой волны представляет собой бегущую фазовую дифракционную решетку.

Эта волна создает вариации коэффициента преломления среды по закону бегущей волны n(x,t) = n +Ancos(Qt-Kx), (2.1) где Л/ - невозмущенное значение коэффициента преломления среды;

Лп наибольшее отклонение показателя преломления от первоначального значения rij;

К = Q / V= 27Г / Л - волновое число акустической волны;

Л - длина акустической волны.

X Z Рисунок 2.3 - Акустооптический перестраиваемый фильтр Для однородной плоской акустической волны величина Лп является константой. В случае неоднородной акустической волны (например, при дифракции света на поверхностной акустической волне) Лп является меняющейся функцией.

Рассмотрим взаимодействие световой и акустической волн в изотропной среде при выполнении некоторых предположений. Первоначально пусть на вход пьезопреобразователя подается гармоническое колебание и в акустооптической ячейке возникает акустическое поле (2.2) t,x,z) = r(x)R(z)Uexp(j'(Qt-KoX)), 0.5D 0.5L,R(z) = где r(x) = О 0.5D 0.5L' где L и D - размеры акустического «столба», Q и К^- частота и волновое число акустической волны.

На оптический вход ячейки поступает плоская световая волна (2.3) где ©ь- угол между направлением распространения волны и осыо z;

со, и К, частота и волновое число падающей световой волны.

Будем считать, что затуханием и расходимостью волн в среде можно пренебречь, и что АО взаимодействие происходит в ближней зоне пьезопреобразователя.

Известно, что в результате дифракции гармонического светового пучка ei(t,x,z) с равномерным распределением амплитуд и фаз на ограниченном апертурой D акустическом столбе eo(t,x,z) длиной L образуется дифрагированная волна e2(t,x,z). Предполагается, что дифракция чисто брэгговская и параметр Кляйна - Кука Q » 4 ^ [ 140, 141].

p e2(t,x,z) e,(t,x,z) UBUX 1 2 3 • • • • eo( t,x,z) 1 - источник излучения;

2 - АОПФ;

3 - исследуемая среда;

4 - фотоприемник Рисунок 2.4 - Модель акустооптического взаимодействия АОГА При этом для e2(t,x,z) будем иметь (2.4) X exp(j(Qt - К Д х + 0.5D))) где A(Q,(o,) - комплексный коэффициент передачи акустооптического взаимодействия, который для дифракции в изотропной среде определяется в виде A(Q,co,) = A(AK,Ti) = - ^ i = ^ s i n [ L V A K 4 7 ] e ^ " ^, (2 5) Ь/АК +г| ^• ' со,.. „ 2L _ (2.7) здесь AK - параметр рассогласования, вызванный изменением частоты управляющего сигнала Q на некоторую величину нри фиксированном угле падения ©ь;

т) - параметр индекса модуляции.

В случае слабого взаимодействия выражение для (2.5) сводится к виду A(Q, со,) = А(АК, л) = л Lsinc[AKL]eJ'''' (2-8) С учетом выражении (2.6) и (2.7), формула (2.8) для A(Q,(O,) примет вид 2nvco sin© ЩQ 2nmsin©, \Q, J !

со, 2L I с ) 8 v n cofsin©,, 2cV М / h 1 \ " 8vVcu,sm©^ b После выполнения алгебраических преобразований выражение (2.9) примет вид I f I* sin O.5(co, -a,Q) rsinG^ (2.10) 0.5(co, - a. Q ) rsin©.

V CO, 1 L, „ 2L с где а„ = - J M, P, —, а, = некоторые постоянные.

СV h Из соотношения (2.10) непосредственно следует, что акустооптический элемент представляет собой полосовой оптический фильтр, средняя частота которого C Q = ajQ определяется частотой управляющего сигнала, подаваемого на O акустический вход АО элемента. Таким образом, АО ячейка действует подобно оптическому фильтру, выделяя из всего спектра оптического сигнала только те спектральные составляющие, которые попали в полосу пропускания.

определяемую A(f2,co ). Ширина полосы пропускания такого фильтра по уровню половинной мощности так же может быть определена в виде [127] 27lVCO^ /о 1 1 л А(0 = (2.11) Z—"—.

LQ sin0, Таким образом, при изменении частоты входного акустического сигнала происходит перестройка оптического фильтра. При этом изменяется не только центральная частота фильтра, но и ширина полосы пропускания и форма его АЧХ.

После выхода оптического луча из акустооптического фильтра дифрагированный свет попадает в анализируемую среду[92, 99]. Мощность излучения падающего на анализируемую среду (рисунок 2.5) света PQ, а после прохождения слоя толщиной 1 мощность излучения Р.

Рисунок 2.5 - Мощности излучения до и после исследуемой среды Поток световой энергии через некоторую поверхность Ф, численно равен энергии, переносимой световыми волнами, исходящими от источника излучения сквозь эту поверхность за единицу времени _ 0 (2.12) dS Q at где Рпон - вектор Пойнтинга (мгновенная плотность потока энергии);

т единичный вектор, нормальный к элементу поверхности dS.

Известно что, мощность излучения прямо пропорциональна изменению светового потока, определяется значением светового потока энергии АФ [81].

Количество энергии, переносимой через единицу поверхности, перпендикулярной к направлению распространения энергии, за единицу времени, определяется вектором Пойнтинга, который можно выразить через напряженности электрического и магнитного полей и который в данном случае численно равен мощности излучения (2.13) = [ЁН]=ЁН=ЕН, Р= пои где Е- напряженность электрического поля;

Н - напряженность магнитного поля.

Используя уравнения Максвелла, имеем связь между напряженностями электрического и магнитного полей где о - электрическая постоянная;

juo - магнитная постоянная. Используя зависимость С= для электродинамической постоянной, равной скорости света в вакууме, и зависимость (2.14), найдем напряженность магнитного поля Н= \^Е = (2.15) Таким образом, используя выражения (2.4), (2.13) и (2.15), получим формулу для мощности излучения, падающего на среду ' пон (2.16) •л X В соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бэра мощность излучения, попадающего на фотоприемник [42] (2.17) где К - пропускание оптической системы, слабо зависящее от частоты;

Po(v) мощность падающего монохроматического излучения;

k(v)- коэффициент поглощения исследуемого компонента, отнесенной к единице концентрации;

кj.(v)- коэффициент поглощения j - линии i - го мешающего компонента;

N, Nj - объемная концентрация определяемого и i -го мешающего компонента соответственно;

L - расстояние, пройденное излучением;

к^ коэффициент ослабления из-за рассеяний Ми и Рэлея.

При определении следов атмосферных загрязнений можно считать [118], что K,(v,) = K2(v2);

ko(v,) = k2(Vi);

T,kJv^) k ( v ) C L l. Тогда = T,k(v^);

концентрация газа выражается в виде 1 (2.18) С= Подставляя выражение (2.16) в (2.17) получим х X ехр- k(vi 2 )NL + L Статическую интегральную токовую чувствительность при монохроматическом световом потоке или мощности излучения определяют из отношения (2.20) или (2.21) где 1ф - фототок;

Ф - световой поток;

Ро - мощность излучения.

На рисунке 2.6 представлена принципиальная схема фотоприемника, состоящая из фотодиода ФД и операционного усилителя ОУ. Данная схема принята исходя из проведенного анализа характеристик различных схем фотоприемников [1, 7,15,39,80,88, 83, 93,1 Ю, 111].

ф Рисунок 2.6 - Принципиальная схема фотоприемника Фотодиод ФД действует как генератор тока, а операционный усилитель ОУ служит преобразователем этого тока в напряжение.

Напряжение на выходе Ueux операционного усилителя равно произведению тока, действующего в цепи обратной связи, на сопротивление обратной связи Roc Если коэффициент усиления Кус при разомкнутой петле намного больше единицы, то ток обратной связи становится равным фототоку /^. В этом случае напряжение на выходе усилителя (2.22) Используя выражения (2.21) и (2.22), определим напряжение на выходе фотоприемника UBb,x=Si PR,, (2.23) Ф Учитывая мощность излучения, напряжение на выходе фотоприемника запишется как Ф Ф x (2,24) X X exp- \ k(vi 2 )NL + L.i Полученное выражение является математической моделью АОГА Оно устанавливает зависимость выходного напряжения фотоприемника от количественной и качественной составляющих исследуемой среды и элементов структуры АОГА.

2.3 Сравнительный анализ расчетных результатов и натурного экенеримента Рассмотрим АОГА и основные параметры, характеризующие оптическую систему АОГА, данные приведены в Таблице 2.1. Список наиболее распространенных газов, включает 31 газовый компонент. К ним относятся такие повсеместно распространенные загрязнители атмосферы, как NO2,NO,SO2,O3,CH2O,NOHO,CS2,CH3COH,бензол, толуол, фенол и ряд других соединений из класса углеводородов.

Таблица 2.1- Основные параметры, характеризующие оптическую систему АОГА Значения Основные параметры Мощность излучателя ?о, Вт 3,2-10-^ Площадь пятна света SQ, М 0,787-10-^ Толщина АОМ h, м 0,01-0, Длина АОМ L, м 0, Ширина АОМ /, м 0, Невозмущенное значение коэффициента преломления среды III 2, Наибольшее отклонение показателя преломления от 0, первоначального значения An Скорость акустической волны V, — с Длина световой волны Я, м varia 6.10-^ Чувствительность фотоприемника S,., — * Лк Ф 8,85-10"'^ Электрическая постоянная So, — м Скорость распространения света в вакууме С, — 3-10^ с Проведем экспериментальные исследования на ряде газов и составим зависимости длины волны от оптической толш;

и, через которую проходит излучение. Сравним полученные экспериментальные данные с расчетными, полученными в результате решения математической модели (рисунок 2.7, 2.8, 2.9, 2.10).

I 0, § 0, 0, 240 245 250 255 Длина Bo.iiibi, нм Рисунок 2.7 - Экспериментальный спектр О2 (тонкие линии) в сравнении с результатами расчетов (жирные линии) O.OOOS г.10ft " зин 31 о 6 298 300 Л() -0,0002 • Длина волны, им Рисунок 2.8 - Экспериментальный спектр SO2 (тонкие линии) в сравнении с результатами расчетов (жирные линии) 0,004 г Г 0. (1, 396 40(1 4(J4 408 412 41(i ДЛННЯ в о л н ы, IIM Рисунок 2.9 - Экспериментальный спектр NO2 (тонкие линии) в сравнении с результатами расчетов (жирные линии) ом « Длина ikO.iiiM, им Рисунок 2.10 - Экспериментальный спектр NH3 (тонкие линии) в сравнении с результатами расчетов (жирные линии) Из приведенных выше зависимостей следует, что максимальная погрешность допущенная при расчетах по отношению к экспериментальным данным составила 16%.

2.4 Статистическая характеристика Все средства измерений, независимо от их конкретного исполнения, обладают рядом общих свойств, необходимых для выполнения ими их функционального назначения. Технические характеристики, описывающие эти свойства и оказывающие влияние на результаты и на погрешности измерений, называются метрологическими характеристиками [16, 19, 20, 21, 22]. Перечень важнейших из них регламентируется ГОСТ 8.009-84 "Нормируемые метрологические характеристики средств измерений". Комплекс нормируемых метрологических характеристик устанавливается таким образом, чтобы с их помощью можно было оценить погрешность измерений, осуществляемых в известных рабочих условиях эксплуатации посредством отдельных средств измерений или совокупности средств измерений.

Одной из основных метрологических характеристик измерительных преобразователей является статическая характеристика преобразования (иначе называемая функцией преобразования или градуировочной характеристикой).

Статическая характеристика представляет собой зависимость информативного параметра выходного сигнала средства измерения от информативного параметра его входного сигнала в статическом режиме.

Статическая характеристика нормируется путем задания в форме уравнения, графика или таблиц. Понятие статической характеристики применимо и к измерительным приборам, если под независимой переменной х понимать значение измеряемой величины или информативного параметра входного сигнала, а под зависимой величиной - показание прибора.

Техническое обеспечение газоанализатора включает следующие основные элементы: источник излучения;

кювету с анализируемой средой;

узкополосный фильтрующий элемент, выделяющий в спектре источника интервал, совпадающий с полосой поглощения анализируемого компонента;

приемник излучения с предварительным усилителем сигнала измерительной информации;

регистрирующий блок, в котором выделяется, преобразуется, обрабатывается и визуализируется информативный параметр сигнала измерительной информации.

Структурная схема канала представляет собой последовательное соединение перечисленных элементов. Задаваясь характеристиками элементов, можно выразить статическую характеристику (СХ) оптического канала газоанализатора (2-25) где Kj,,Ky,Kp,Tg - коэффициенты передачи соответственно приемника излучения, усилителя, регистрирующего блока, рабочей кюветы, незаполненной анализируемым веществом;

JQ(V) - спектр интенсивности зондирующего пробу излучения (источника излучения);

8ф (v) - спектральное пропускание фильтрующего элемента;

T(x,v) - спектральное пропускание анализируемого вещества, которое в приближении закона Бугера-Ламберта-Бера имеет вид (2.26) где D(x,v)- оптическая плотность анализируемого вещества;

ZX коэффициент поглощения] -го компонента;

1 - длина рабочей кюветы;

T(x,v) собственное пропускание анализируемой среды;

х-- концентрация j -го компонента;

V[CM-1]=104/A, [МКМ] - спектральная частота и длина волны (X) излучения;

^ - собственные шумы канала.

При л:=0 имеем согласно (2.25):

пухКрхТеро(у)х8ф(у)хТ(х,у)с1у + ^ = и1+^ (2.27) О где Uj - обобщенный параметр канала, зависящий от характеристик и параметров всех входящих в него звеньев и отображающий выходной сигнал канала в нулевой точке (х=0).

С учетом (2.26)-(2.27) выразим (2.25) в виде:

Z(x) = Uj X Т(х) + ^ = Ui (1 - W(x)) + ^ (2.28) ро№ф()(,) _О (2-29) О гдeW(x)=l-T(x) (2.30) - функции пропускания и поглощения соответственно.

Соотношение (2.28) определяет рабочую (недетерминированную) СХ канала.

Нормируется не рабочая, а номинальная (детерминированная) СХ, т.е. СХ канала при номинальных значениях неинформативных параметров U,;

^=0;

где символ ".т." отображает номинальное значение соответственно параметра (функции), равное обычно математическому ожиданию соответствующей случайной величины (функции).

В квазимонохроматическом режиме (у = Ур), когда функция 8ф(у) аппроксимируется прямоугольником единичной высоты и бесконечно малой ширины Дуф, соотношения (2.26)-(2.31) преобразуются к виду:

(2.32) где S- чувствительность (коэффициент преобразования) оптического канала. Из (2.32) следует, что СХ имеет экспоненциальный характер, т.е. выходной сигнал, Z(x) канала и его чувствительность S увеличиваются прямопропорционально и, и уменьшаются по экспоненте при увеличении измеряемой концентрации х.

Вместе с тем чувствительность S неоднозначно зависит от параметров хС^п^^ ^' Из (2.32) видно, что чувствительность при увеличении произведения хЬ'п) сначала растет, в точке D=l достигает экстремума, а затем падает.

Спектральная характеристика акустооптического фильтра S(^(v) аппроксимируется в зависимости от условий различными функциями, среди которых наиболее часто используют / \ ]. (2.34) где Т. - пропускание фильтра в максимуме (VQ,A,Q);

А,- ширина полосы пропускания фильтра по уровню Т. / 2.

Спектральное пропускание анализируемого газа в приближении Бугера Ламберта - Вера определяется соотношениями (2.32), Функция x-{v) имеет сложный характер, но при модельных исследованиях %.(v) обычно описываются дисперсионной кривой:

X.(v)= Г ""'"li 2V X(v) = SXi(v) (2.35) где aj = \Xi(y)^^~ интегральная интенсивность i -линии;

у. - полуширина линии;

о ^ VQ. - центр линии;

x(v) - коэффициент поглощения полосы.

Задаваясь контуром колебательно-вращательной полосы можно в принципе согласно (2.35) рассчитать x(v). Однако в связи с недостатком знаний об индивидуальных характеристиках линий x-(v) при расчете функций пропускания обычно используется метод моделей спектров, включающий гипотезы о характере расположения линий в полосе и их интенсивности. В модели Эльзассера, например, предполагается равенство интенсивностей линий а., полуширин у., и расстояний между ними d. Однако эта модель применима лишь в случае отсутствия перекрывания линий. В противном случае, более подходящей оказывается статистическая модель Гуди [81], в основе которой лежит допущение о случайном распределении положения и интенсивности линий в полосе при их одинаковой полуширине. При больцмановском распределении интенсивности линии в полосе функции поглощения всей полосы имеет вид:

аи, ^.... (2.36) где и = Рд1 - масса поглощающего газа;

Р^^- парциальное давление поглощающего газа;

1 -толщина поглощающего газа;

а, d - средняя интенсивность и среднее расстояние между линиями в полосе;

у - средняя ширина линии на уровне 0,5.

Выражение (2.36) имеет следующие асимптотические приближения:

прии«1 P ^ ^ (2.37) прии»1, F Соотношения (2.36), (2.37) однако не могут быть использованы для конкретизации вида СХ канала газоанализатора (2.28), (2.31), поскольку при их получении не учитывались спектральные характеристики источника JQ(V) И фильтра S,(v).

Для получения модели СХ полихроматического канала сделаем следующие упрощающие допущения:

1) Спектр интенсивности источника JQ(V) В полосе пропускания канала принимаем постоянным J Q ( V ) = J ^ = const 2) Для ноглощающего газа введем регулярную зависимость gr(v), учитывающую вид контура линии ноглощения:

V-V )=e ^ (2.38) где v^g - частота, соответствующая центру полосы поглощения, 5 - полуширина полосы на уровне 0,5.

Тогда пропускание газовой смеси в соответствии с (2.36):

Tp=l-Pv(U)xj,(v), (2.39) 3) Пропускание фильтра нринимаем в виде:

8ф(^) = Тф.е Д (2.40) где VQ. - частота, соответствующая центру полосы пропускания фильтра,А полуширина полосы фильтра на уровне 0,5.

С учетом (2.27)-(2.30) и (2.38)-(2.40) выразим СХ онтического канала газоанализатора:

:nxKyxKpx]sф(v)x(l-P^(U)xgг(v))dv = О (2-41) 00 хе dv], и, = обобщенный нараметр где газоанализатора.

Второе слагаемое в (2.41) носле интегрирования преобразуется к виду (2.42) где J - фактор спектральной настройки канала, равный:

-1 (2.43) М = А/б - соотношение полуширин фильтра и контура нолосы анализируемого газа;

- безразмерная расстройка фильтра.

с учетом (2.42) рабочая СХ канала имеет вид ) + ^, (2.44) где Р^(и),Р^(и„) - функции поглощения соответственно измеряемого и неизмеряемого комнонентов в нолосе канала;

J - фактор спектральной настройки канала;

и, - обобщенный параметр газоанализатора.

Полученное в (2.43) разделение переменных (информативного параметра U или д;

и параметров спектральной настройки J) является следствием сделанных выше упрощающих допущений и вследствие этого лишь приближенно отображает картину явлений в оптическом канале.

Чувствительность оптического канала S к информативному параметру (х, U) при принятых выше допущениях ^M2, (2.44) dU ^ dU При (U^O) согласно (2.44) имеем (2.45) Т.е. при фиксированном уровне Uj чувствительность зависит от параметров спектральной настройки J. Проследим, например, зависимость S от полуширины пропускания оптического фильтра А при нулевых расстройках (N-0). В этом случае при фиксированном уровне x(U) относительная чувствительность канала имеет вид:

Ui dP,, А Q С/ А dU А/8+ Рабочая СХ оптического канала при наличии в анализируемой газовой смеси нескольких компонентов с частично перекрывающимися полосами поглощения видоизменяется и в простейшем случае при наличии одного измеряемого и одного не измеряемого компонентов согласно (2.41)-(2.43) может быть представлена в виде:

(2.46) -PV(UH)JH] + ^, где Py(U),Py(Uji) - функции поглощения соответственно измеряемого и не измеряемого компонентов в полосе канала, J и 1„, определяемые согласно (2.20) фактору спектральной настройки для указанных компонентов;

Ui - обобщенный параметр газоанализатора, зависящий от характеристик и параметров всех входящих в него звеньев.

ВЫВОДЫ п о ГЛАВЕ II 1.Разработана структурная и принципиальная схемы АОГА. Описан алгоритм работы АОГА и основные элементы его конструкции. Проведен анализ взаимодействие сигналов (акустического и светового) в динамическом режиме работы АОГА.

2.Разработана математическая модель АОГА устанавливающая зависимость выходного напряжения фотоприемника от количественной и качественной составляющих исследуемой среды и элементов структуры АОГА.

З.С учетом статической интегральной токовой чувствительности фотоприемника, интенсивности светового потока, вектора Пойнтинга выведены аналитические зависимости, связывающие выходное напряжение фотоприемника от количественной и качественной составляющих исследуемой среды и элементов структуры АОГА.

4.Проверена адекватность полученной математической модели в результате сравнения расчетных данных и натурных экспериментов.

5.Получена статическая характеристика, представляющая собой зависимость информативного параметра выходного сигнала средства измерения от информативного параметра его входного сигнала в статическом режиме.

Глава III. Исследование основных характеристик акустоойтического газоанализатора 3.1 Критерии сравнения сиектральных ириборов Идеальным следует считать такой спектральный прибор, распределение энергии на выходе которого не зависит от его конструкции и особенностей, а определяется только свойствами источника излучения. В действительности и спектральный прибор, и приемник излучения вносят в спектр искажения.

Очевидно, что к приборам обрабатывающим оптические излучения предъявляются следующие требования:

а) диапазон анализа длин волн Х\ - А,2, то есть та рабочая область длин волн, в которой будет работать прибор;

б) разрешающая способность 6А, - способность прибора разрешить две близко расположенные спектральные линии;

в) коэффициент передачи К или светосила прибора - величина, которая характеризует ту часть общей энергии, испускаемой источником, которая пройдя спектральный прибор попадает на фотоприемник;

г) динамический диапазон характеризует способность прибора обрабатывать излучения разной интенсивности;

д) быстродействие прибора Т - тот временной интервал, в течение которого прибор способен проанализировать весь диапазон анализа;

е) угловая апертура устройства А0 определяет тот диапазон углов падения оптического излучения на прибор, в котором остальные его характеристики существенно не ухудшатся;

ж) вес, габариты, стабильность параметров при воздействии температуры и вибраций, удобство при эксплуатации.

Из характеристик предлагаем выделить аппаратную функцию или инструментальный отклик прибора на монохроматическое входное воздействие и спектральную характеристику как отклик прибора на излучение с равномерным широким спектром[46,47].

Наилучшим будет прибор, регистрирующий за наименьшее время наибольший участок спектра наименее яркого источника с наилучшим разрешением с наибольшей точностью и т.п. Однако, создание спектрального прибора оптимального во всех отношениях невозможно в силу противоречивости требований.

Был сделан ряд попыток, найти числовую характеристику, которая учитывала бы все главные свойства прибора и позволяла сопоставлять возможности спектральных приборов разного типа [14, 15]. Однако ни один из этих критериев не получил широкого применения в спектроскопической практике.

В некоторых задачах основной характеристикой является разрешающая способность, а светосила практически не играет роли. В других - важны светосила и быстродействие. Иногда решающей характеристикой является вес прибора (спектрометры для космических исследований), и приходится для его уменьшения жертвовать разрешающей способностью и светосилой. В ряде случаев важны габариты прибора, и для их уменьшения идут на ухудшение оптических характеристик. Таким образом, при оценке спектрального прибора необходимо учитывать все оптические, эксплуатационные, механические и другие свойства, существенные для решаемой задачи. Подменить их совокупность одной числовой константой практически невозможно[113].

При осуществлении анализа отечественной и зарубежной научно технической литературы в виде монографий, журнальных статей, патентов и авторских свидетельств была выявлена важность двух характеристик: аппаратной функции и быстродействия прибора.

3.2. Основные задачи и характеристики акустооитического газоанализатора Задача каждого измерительного прибора - получение максимальной информации об исследуемом объекте. При анализе спектров таким объектом являются энергетические уровни атома или молекулы, определяющие структуру вещества. При спектральном анализе, целью которого является определение химического состава вещества, объектом исследования также являются энергетические уровни излучающих частиц;

по положению данного уровня судят о принадлежности его к тому или иному атому, а по интенсивности излучения - о процентном составе исследуемой пробы.

На первых стадиях любого исследования основной задачей является получение максимума возможной информации, безотносительно к ее составу. В дальнейшем целью становится получения максимума информации уже определенного содержания. Поэтому, говоря о максимуме информации, получаемой от прибора, целесообразно рассматривать два понятия: абсолютный максимум информации - когда требования к получаемой информации (иначе говоря, требования к допустимым искажениям спектра) не оговорены, и относительный максимум информации - максимальное ее количество при заданных допустимых искажениях спектра прибором.

К понятию количества информации рационально предъявить два требования:

1) количество информации должно быть тем больше, чем больше общее число спектров, которое в состоянии зарегистрировать данный прибор;

2) количество информации должно обладать свойством аддитивности:

информация от двух приборов должна быть равна сумме информации от каждого прибора в отдельности.

Сам процесс излучения и условия, при которых оно происходит, приводят к тому, что положение энергетических уровней в принципе не может быть определено сколь угодно точно. Это проявляются в конечной ширине спектральных линий излучения, поступающего на вход прибора. Кроме того, сказывается нестабильность излучения во времени. Все эти факторы ограничивают количество информации, поступающей в прибор[62].

Искажения формы спектральных линий, вызываемые прибором, ведут к дальнейшей потере информации о положении и количестве энергетических уровней;

при этом крайне существенно найти такие условия работы прибора, при которых была бы потеряна менее ценная информация. Эти условия являются оптимальными условиями работы прибора.

Из сказанного формулируются две основные задачи теории спектральных приборов:

1) восстановление информации, потерянной в приборе, путем использования информации об искажающих свойствах самого прибора;

2) нахождение таких условий работы прибора, при которых он дал бы максимальное количество информации, необходимой для решения данной конкретной задачи, иными словами, нахождение условий получения относительного максимума информации.

Эти задачи можно сформулировать следующим образом: определение истинного контура спектральной линии по наблюдаемому;

нахождение оптимальных условий работы спектрального прибора [65, 95, 114].

Для решения обеих задач необходимо иметь сведения об искажающих свойствах данного прибора. Характеристикой их служит так называемая аппаратная функция, описывающая наблюдаемое спектральное распределение интенсивности излучения на выходе излучения на выходе прибора, при подаче на вход прибора строго монохроматического излучения (т.е. излучения, находящегося в спектральном интервале, шириной которого в пределах данной задачи можно пренебречь).

Аппаратная функция спектрального прибора определяется искажениями, вносимыми физическими свойствами его диспергирующего элемента, абберациями, инерционностью приемно - регистрирующей системы, ее шумами и несовершенством изготовления и юстировки отдельных оптических и механических элементов прибора. В нашем случае диспергирующим элементом является акустооптический перестраиваемый фильтр[26,27].

В идеальном спектральном приборе имеет место только первая причина искажений, в - реальном все остальное, поэтому влияния этих искажений рассматриваются раздельно. Аппаратную функцию идеального спектрального прибора можно определить на основе теории основных диспергирующих элементов, применяемых в современных спектральных приборах. Знание ее дает возможность восстановить потерянную информацию не только в идеальном, но и в реальном приборе, если искажающие свойства реального прибора известны и могут быть представлены в аналитическом виде. Правильный выбор оптической схемы, выбор конструкции прибора и выбор режима работы приемно - регистрирующей части обеспечивает наименьшую величину потерь информации в реальном приборе.

Рассмотрим структурную схему акустооптического спектрометра, являющегося составной частью акустооптического газоанализатора. Основным элементом акустооптического спектрометра является акустооптический перестраиваемый фильтр 3, выполненный в той или иной форме (рисунок 3.1) [145,146, 149, 151,152].Формы выполнения входной и выходной оптических систем (2 и 4) конкретизируются в зависимости от назначения спектрометра, требуемых параметров и особенностей перестраиваемого фильтра. Фотоприемник предназначен для преобразования оптического сигнала в сигнал электрический и должен обладать приемлемой чувствительностью в широком спектральном диапазоне. Электронный блок 6 формирует сигнал управления для перестраиваемого фильтра и должен предусматривать вариации параметров управляющего сигнала в зависимости от назначения и требований, предъявляемых к спектрометру. Этот блок должен быть синхронизирован с блоком обработки и отображения информации 7. Проектирование отдельных элементов и устройства в целом связано с решением разнообразных, порой сложных и противоречивых задач.

1 - входное оптическое излучение, 2 - входной оптический блок, 3 акустооптический перестраиваемый фильтр, 4 - выходная оптическая система, фотоприемник, 6 - генератор управляющего сигнала, 7 - блок обработки и отображения Рисунок 3.1 - Акустооптический спектрометр Разрешающая способность спектрометра, в основном, определяется разрешающей способностью акустооптического перестраиваемого фильтра, но при одновременном задании других предельных параметров (полосы анализа, быстродействия, например) может соответственно ухудшаться.

Полоса анализируемых длин волн АХ в спектрометре ограничивается, в основном, частотной полосой Af пьезопреобразователя в составе акустооптического фильтра и спектральной характеристикой фотоприемника. Для коллинеарной формы устройства полоса анализируемых длин волн А^ зависит от частотной полосы пьезопреобразователя Af Af (3.1) АП(А,) 5n где A,a(fo) - v/fo - длина акустической волны на средней частоте fo в полосе анализа, Ап(Я,о) - среднее значение двулучепреломления кристалла, вычисленное на длине оптической волны XQ, 5П = An(A,i)-An(A,2) - дисперсия двулучепреломления в полосе анализа АА, = Х2-Х\. В общем случае полоса анализа А^ должна определяться по форме отклика устройства (спектральной характеристике {Х) на широкополосное оптическое воздействие с равномерным спектром). Спектральная характеристика определяется, в основном, тремя компонентами (|), (3.2) Т fAnv^ 7 1 " где F^ - спектральная компонента, определяемая формой частотной \ XJ характеристики пьезопреобразователя, Fph(A.)- спектральная характеристика фотоприемника, FgJ— = s i n n — ^ j M j — ^ | - спектральная компонента, 2Lh \Xj ух \ определяемая амплитудной зависимостью акустооптического взаимодействия.

Весьма важен для спектрометра коэффициент Г{Х), характеризующий меру использования мощности падающей световой волны. Этот коэффициент в значительной степени зависит от функции Fao(K/A,), а также от угловой апертуры перестраиваемого фильтра и конструктивных особенностей реализации входного и выходного оптических блоков. Иногда этот коэффициент выражают в форме FaofflAQ r(?,) = -AAi—Щ^ (3.3) а где А - площадь поперечного сечения акустического пучка, Q - пространственная угловая апертура фильтра, В(А,) - функция, характеризующая коэффициент передачи оптической мощности для оптических элементов системы. Характерно, что если учитывать связь между угловой апертурой фильтра и его разрешающей силой (для коллинеарного фильтра в форме (Х/ЬХ)О.=пп, то коэффициент использования Г{Х) будет впрямую зависеть от разрешающей способности l^ (3.4) Полное время анализа Т заданного спектрального диапазона характеризующее быстродействие устройства, определяется временной апертурой фильтра т = 1/v и числом разрешаемых положений в диапазоне анализа N = Af/5f.

Таким образом, Т Ni = Afc^, где Af - диапазон перестройки управляющего сигнала, сопряженный со спектральным диапазоном анализа А^, 5f - частотное разрешение фильтра 5f = {f/X)8X = v/1.

При анализе "слабых" оптических сигналов уровень действующей на фотоприемник оптической мощности в каждый момент времени оказывается весьма малым, и в некоторых случаях отклик фотоприемника на слабый оптический сигнал становится соизмеримым с уровнем собственных шумов (темновым шумом) фотоприемника. В этом случае может быть использован эффект когерентного накопления сигнала для повышения отношения сигнал/шум на выходе фотоприемника q,Р Р (3.5) q, где tnak - время накопления, Трь - постоянная времени фотоприемника.

Очевидно, что в этом случае общее время анализа должно быть пропорционально увеличено. Интересно, что режим накопления фотосигнала можно использовать и при регистрации нестационарных онтических спектров, однако результат в этом случае будет представлять усредненный за время t, K,a энергетический спектр оптического сигнала.

3.3 Основная характернстика газоанализатора анпаратная функция Ранее нами было отмечено, что характеристикой искажающих свойств прибора является аппаратная функция разрабатываемого устройства. Рассмотрим, что представляет собой аппаратная функция и основное ее назначение. Аппаратная функция (АФ) спектрального прибора характеризует наблюдаемое распределение интенсивности по спектру при освещении прибора «идеально» монохроматическим источником излучения. Таким образом, АФ дает возможность количественно описать искажения волнового фронта, с одной стороны, обусловленные волновой природой света и физическими свойствами диспергирующего элемента, и с другой стороны, вносимые реальным спектральным прибором. Речь идет в первом случае об АФ идеального спектрального прибора, во втором - реального прибора.

Пусть имеется истинное распределение интенсивности излучения исследуемого источника по спектру в виде функции f (А). В этом разделении можно выделить некоторую монохроматическую составляющую f(X)dA, т.е. значение функции f(A) в бесконечно малом интервале длин волн dA. Наблюдаемое распределение интенсивности в спектре для этой составляющей определяется АФ так, что в некоторой произвольной точке спектра с длиной волны X' вместо распределения вида f(A)dA будем иметь а (А'- А) f(A), где а (А) - АФ спектрального прибора.

Другие монохроматические составляющие также дадут соответствующий вклад в общую интенсивность в точке А'.наблюдаемое с помощью спектрального прибора распределение интенсивности по спектру F(A') определяется интегралом + г ( Л ) = 1а(Л-A)i(A)dr (3.6) - Выражение вида (6) называется сверткой функции а^(Х,) и f{X)..

Нормируя АФ, т.е. считая, что + (3.7) =l - и интегрируя (3.6) по А,', получим + +00 +00 + (3.8) -00 -00 -00 - Таким образом, из выражений (3.7) и (3.8) следует, во - первых, что влияние АФ сводится только к перераспределению интенсивности в спектре и, во - вторых, к истинному распределению энергии источника приписывается энергия наблюдаемого распределения.

3.4 Построение математической модели аппаратной функции нрибора Как известно, аппаратная функция устройства обработки играет решающую роль. Эта характеристика определяет такие основные параметры, как разрешающую способности и динамический диапазон анализируемых оптических сигналов. Под динамическим диапазоном следует понимать способность устройства одновременно обрабатывать оптические сигналы большой и малой интенсивности, наиболее близко (на ширине разрешающей способности) расположенные между собой по спектру, и отображать их раздельно [57].

Учитывая важность описанной выше характеристики - аппаратной функции устройства, и ввиду её недостаточно полного исследования в известной литературе построим математическую модель аппаратной функции устройства.


Для построения данной математической модели используем общую теорию вероятности и случайных процессов, теорию статистической оптики и теорию систем и преобразований[б5, 87, 115].

В данном случае уместно рассмотреть падение оптического излучения на акустооптическую ячейку, находящуюся в брэгговском режиме слабого акустооптического взаимодействия, на управляющий вход которой подан сигнал в виде ЛЧМ-радиоимпульса S(t) = R (t)cos(Q (3.9) 0.5T ^ ^ 2AQ, Q - средняя частота, В = скорость изменения 0.5Т ^ Т о ^ "^ частоты, AQ - девиация частоты, Т - длительность импульса, U - его амплитуда.

Моделью падения оптического излучения является волновой гауссовский эргодический случайный процесс, допускающий представление в виде интеграла Фурье - Стильтьеса (ЗЛО) n,(t,z,x) = — J ехр jco t - - + - t g 0, dN(co), 2л_а, 1, с с v ^JJ где п (t,z,x) - изменение показателя коэффициента преломления;

со - частота падающей световой волны;

0, - угол между направлением распространения волны b и осью Z.

Представим выражение (3.11) в виде интеграла Фурье. В результате получим выражение (3.11) (3.12) Q^-AQQ I,, 0, при других Q Режим слабого АО взаимодействия позволяет воспользоваться принципом суперпозиции и пользуясь (2.4) и (3.11) записать выражение для световой волны в дифракционном порядке на выходе ячейки,x,z) = r(x)exp[j(o),t-I (3.13) X— jS(Q)A(co,,Q)exp j d t V —00 _ ^ При подстановке (2.8) и (3.12) в (3.13) интеграл может быть вычислен приближенно с использованием метода стационарной фазы. В результате X + 0.5D t-- X (3.14) + 0.5D' X + 0.5D' •pt хА -3 t Очевидно, что пользуясь принципом суперпозиции и полученным выражением (3.14) дифрагированную световую волну можно записать в виде интегральной суммы 0.5D' X + 0.5D' -pt t-- ^0 t 2% (3.15) 0.5D' X fA exp[j(cot - K,z + -B t — 1 0.5D 0.5L где r(x) =, L и D - размеры акустического 0 zl 0.5L X|0.5D' «столба», О и Ко- частота и волновое число акустической волны.

Случайная световая волна дифракционного порядка (3.15) воздействует на фотоприемник, на выходе которого формируется сигнал (3.16) где R, ( t - t o ) =, to - отсчет времени, TR - время [О, при других t регистрации, а - коэффициент пропорциональности.

Рассмотрим случай, когда Т » TR и Т » D/v, что соответствует медленно меняющемуся по частоте ЛЧМ - управляющему сигналу. При этом в пределах TR коэффициент передачи оптического фильтра меняется незначительно, то случайный процесс n2(t,x,z) в пределах этого интервала времени можно считать стационарным эргодическим. Очевидно, что формула (3.16) есть не что иное, как средняя мощность по времени для данного процесса. Известно, что эквивалентный результат дает усреднение по ансамблю реализаций.

(3.17) (^n,(t,x,zfyx.

Учитывая известное соотношение для гауссовского эргодического случайного процесса dN(ci)i)dN*(co2)=W(coi)5(coi-co2)dcoidco2, где W((o) - спектр мощности случайного процесса, оценим среднее по ансамблю значение случайной функции dco (3.18) -В t После подстановки (3.18) в (3.19) и принимая во внимание, что длительность ЛЧМ - радиоимпульса много больше временной апертуры устройства и много больше постоянной фотоприемника Г » TR. (тогда приближенно можно D/v иТ»

считать, что в подынтегральном выражении (3.17) функции г(х) близка к 5 функции) запишем выражение для тока фотоприемника I(tJ=]w(co)F[co,tJdco (3.19) аппаратная функция где устройства.

Выражение (3.19) связывает выходной сигнал фотоприемника I(to), спектр мощности оптического сигнала на входе W((o) и полную исчерпывающую характеристику устройства - его энергетическую аппаратную функцию F(u),to) при условии медленного изменения частоты управляющего ЛЧМ - сигнала. Из приведенного соотношения следует, что рассматриваемое устройство является анализатором спектра мощности оптического излучения, падающего на АО ячейку.

Строго говоря, сигнал фотоприемника является оценкой энергетического спектра оптического сигнала. Этот вывод также следует из сходства структуры описываемого устройства и работы известной структуры анализатора спектра мощности. Очевидно, что в рассматриваемом случае точность воспроизведения спектра мощности оптического сигнала целиком определяется аппаратной функцией, которая в идеале должна быть близка к 5 - функции, 3.5 Максимально допустимая скорость спектра Необходимо знать не только предельные возможности прибора (которые часто могут быть реализованы при очень медленных скоростях сканирования спектра), но и максимальная скорость получения информации при заданных допустимых искажениях контура спектральной линии. При этом могут быть поставлены требования сохранения заданного отношения сигнала к шуму. Выясним, от чего зависит максимальная допустимая скорость регистрации спектра[138,139,147,148,154].

Рассмотрим следующий случай. В качестве первого из исходных условий примем, что аппаратная функция монохроматора, из которого излучение поступает на приемно-регистрирующую систему, описывается кривой Гаусса и имеет полуширину АЛ,. В качестве второго условия примем, что приемно регистрирующая система характеризуется экспоненциальной переходной функцией вида h(t) = l - e \ (3.20) где t - время;

т - постоянная времени системы, т.е. отрезок времени, в течении которого ответ системы на единичный скачок сигнала достигает величины 1 - 1/е = 0,63.

В том случае, если и спектральная линия и аппаратная функция спектрального прибора имеют форму кривых Гаусса с полуширинами АЯ и АЯ, то после прохождения через прибор форма спектральной также опишется кривой Гаусса, X ^ ), НО уже с полушириной (АЯ ^ ) = ( А Я набл'^ ^ ап ^ нет На выходе приемно-регистрирующей системы мы получим запись вида F(t)= Jl(^o,X^)-ih(t-t,)dt,. (3.21) -00 at Это выражение называют общим временным уравнением спектрометра. Искажения, вносимые приемно-регистрирующей системой, зависят от скорости сканирования спектра и сводятся к уширению линии, уменьшению и смещению максимума, причем решение уравнения (3.21) может быть в виде / А1 \ Я (3.22) = АЯ, V г, АЯ.

•J/ J ск / Здесь первый множитель представляет гауссов контур полосы, воспринимаемой приемно - регистрирующей системой с выхода монохроматора.

Второй сомножитель имеет вид 2f2,35A 1[2,35Я 0,425A/lj J АЯ.

J = 0,425- (3.23) - CK и является мерой искажения приемно - регистрирующей системой формы спектральной линии, получаемой на выходе монохроматора;

здесь AA,j спектральная полуширина полосы на входе приемно - регистрирующей системы.

Из выражения (3.23) видно, что искажения определяются не самой скоростью сканирования v^^, а отношением времени At = АЯ^ / v^^ регистрации спектрального интервала AA,j к постоянной времени т системы.

В качестве параметра, определяющего величину допустимых искажений, введем G = v г/АЯ = r / A t. (3.24) ск J ^ ^ Это величина показывает, во сколько раз постоянная т приемно -регистрирующей системы больше времени At записи полуширины спектрального участка пропускаемой монохроматором.

Искажения, вызванные инерционностью приемно -регистрирующей системы, проявятся в снижении максимальной интенсивности спектральной полосы и в • соответствующем увеличении ее полуширины. При гауссовой форме истинного и аппаратного контуров jjpp, (3.25) где Ij и Ip - максимальные значения интенсивности полосы на входе и выходе приемно - регистрирующей системы;

АХ^- полуширина полосы на выходе системы.

При других формах истинного и аппаратного контуров соотношение (3.25) выполняется только грубо приближенно. Считая все же, что этого приближения достаточно, введем для оценки снижения максимальной интенсивности полосы (и ее уширения) параметр s = Ip/Ij=AXj/AXp. (3.26) Зависимость этого параметра от параметра допустимых искажений G может быть выражена соотношениями:

8=l-0,42G при G 0,284;

(3.27) 1/8 = 0,97G +0,86 при 0,284 G 8,5 (3.28) Смещение максимума полосы, вызванное инерционностью системы, грубо приближенно можно принять равным s = v г. (3.29) СК ^ '' Если задачей исследования поставить разрешение спектральных линий и принять, что разрешающей силы приемно - регистрирующей системой на 10% допустимо, то Согласно формуле (3.27) G = 0,238 и максимально допустимая скорость сканирования V = СК Иначе говоря, время At = AA,J/T, необходимое для записи спектрального участка, равного полуширине линии на выходе монохроматора, должно быть по крайней мере в 4 раза больше постоянной времени т приемно - регистрирующей системы.

Однако следует учесть, что при этой скорости сканирования величина интенсивности в максимуме снизится на 10%. Если по условиям опыта такое снижение недопустимо, то скорость сканирования должна быть соответствзоощим образом уменьшена.

При больших скоростях сканирования из формул (3.26) - (3.28) следует, что т.е. полуширина наблюдаемых в записи линий не может быть меньше АЯ = v г. (3.30) г ск ^ •' Это дает основание величину АА, назвать пределом разрешения приемно регистрирующей системы, а отношение R =Л/АЯ (3.31) =Я/{у т) г г ^ ск '^ ^ ^ - временной разрешающей силой приемно - регистрирующей системы.

Если на вход монохроматора поступает узкая спектральная линия (АЯ = АЯ ), то формулы (3.27) и (3.28) дают возможность установить связь между разрешающей силой монохроматора R,разрешающей силой приемно регистрирующей системы R и разрешающей силой всего прибора в целом Rp:

При V г0,284АЯ '^ ск ' ап R (l-0,42R /R );

(3.32) ап^ ' an т^ ^ ^ при 0,284 АЯ v г8,5АЯ ^ ап ск ап Rp=R R/(0,97R +0,90R )«R [1-R /(R +R )]. (3.33) r an T^ an an • • an ^ an т' Z''-' ^ ^ Исследуем зависимость разрешающей способности от быстродействия прибора.

3.6 Исследование зависимости разрешающей способности от быстродействия Применительно к спектрометру Т означает время анализа прибором заданного диапазона длин волн. В случае большого времени анализа аппаратная функция прибора определяется АЧХ АО взаимодействия, а при уменьшении времени анализа аппаратная функция деформируется. Для спектрометра, данные о котором помещены в таблицу 3.1, на рисунке 3.2 построено семейство временных откликов при разных скоростях сканирования.


Таблица 3. 1 - Основные характеристики спектрометра Среда взаимодействия ТеОз квазиколлинеарный Режим Длина взаимодействия L 15 мм временная апертура D/v 5 МКС постоянная фотоприемника TR 2 0 МКС ЛЧМ-радиоимпульс управляющий сигнал 0.6- 1.2 мкм диапазон анализа АХ 28 - 56 МГц частотный диапазон AF var время перестройки Т Анализ показывает, что при увеличении скорости сканирования (сокращения времени анализа Т) происходит расширение аппаратной функции, а также заплывают боковые лепестки.

Lt) Чх 0,8 ^* 0, 0, 0, 0,6 1,2 1, 1 - 1 = ЗОмс;

2 -1 = 5мс;

3 - 1 = 2мс;

1 -1 = 1мс;

Рисунок 5 - Временные отклики спектрометра По расчетным данным определено минимальное время анализа, при котором разрешающая способность спектрометра ухудшается не более чем на 10%. В данном случае это время составляет 5 мс. В отличие от аналогов скорость выше на 21%.

3.7 Исследование методов реализации еиектральиого отклика с малым уровием боковых леиестков (УБЛ) Акустооптический элемент может работать, используя два принципиально различных механизма дифракции: планарный и объемный. При этом в первом приближении в режиме планарной дифракции аппаратная функция АО спектрометра представляет собой квадрат преобразования Фурье от распределения амплитуды акустического поля в направлении, поперечном направлению распространения падающего света. А в режиме объемной дифракции аппаратная функция есть квадрат преобразования Фурье от распределения амплитуды акустического поля в направлении распространения падающего света. И для равномерных распределений акустического поля аппаратная функция как в одном, так и в другом случае близка по форме к функции sine (х).

В случае планарной дифракции фильтрация осуществляется за счет угловой дисперсии АО ячейки. При этом разрешение в значительной степени зависит от размера выходной диафрагмы и потенциально определяется числом штрихов дифракционной решетки.

При использовании объемной дифракции фильтрация осуществляется за счет угло-частотной селективности, которая присуща любой объемной периодической структуре. И для ортогональных форм взаимодействия разрешение зависит от дифракционной расходимости акустической и оптической волн. Как правило, акустическая расходимость имеет доминирующее значение.

Спектральный отклик как в одном, так и в другом случае имеет вид [156]:

(3.33) Sine TtR где R - разрешающая сила, fo - центральная частота, соответствующая условию синхронизма для данной длины волны падающего излучения.

Используя известную [157] квазиколлинеарную дифракцию на парателлурите в фильтровом режиме взаимодействия, аппаратная функция для А,=633 пш была достигнута экспериментально (рисунок 3.3). Для аппаратной функции такого типа очевидно, что динамический диапазон определяется отношением уровня первого бокового лепестка (как самого сильного и который лежит на интервале разрешения) к главному лепестку спектрального отклика и составляет-13.3 dB.

120 kHz 82 kHz -13dB a) Рисунок 3.3 - Отклики спектрометра на базе АОПФ на парателлурите в квазиколлинеарном режиме взаимодействия на лазерное воздействие А,=633 nm (fo=56 МГц) для традиционной (а) и автоколлимационной (б) схемы включения АО элемента.

3.7.1 Автоколлимационная схема включения АО ячейки Одним из методов, позволяющих увеличить динамический диапазон и уменьшить уровень боковых лепестков спектрального отклика является каскадное включение ячеек. Действительно, если к примеру, взять два одинаковых акустооптических перестраиваемых фильтра с оптическим коэффициентом передачи вида каждый, и расположить их друг за другом, то результирующий спектральный отклик будет представлять собой произведение и иметь форму sine (х). У такой аппаратной функции кроме уменьшения уровня боковых лепестков (до -26.6 dB) наблюдается сужение главного лепестка (по уровню 0.5 в 1.5 раза).

Однако необходимость двух ячеек несколько ограничивает эти достижения.

Так же следует отметить, что с ростом числа ячеек растут и оптические потери на отражение, т.к. число отражающих граней увеличивается, а использование просветляющих покрытий в спектрометрах оптических сигналов нецелесообразно из-за их спектральной селективности [159]. Брюстеровское просветление также * малоперспективно, так как неэффективно использует материал ячейки.

Тем не менее, явление каскадирования может быть использовано при помощи только одной ячейки. Таким свойством, например, обладает так называемая автоколлимационная схема включения АО ячейки.

В такой схеме (рисунок 3.4) световой поток дважды проходит через ячейку, отражаясь от тыльной оптической грани. Геометрия АО взаимодействия подобрана таким образом, что условие фазового синхронизма на данной акустической частоте справедливо как для прямого, так и для отраженного света. Следовательно, такая схема эквивалентна каскадному соединению двух ячеек.

[001] Рисунок 3.4 - Диаграмма волновых векторов автоколлимационной схемы включения акустооптической ячейки При использовании анизотропной геометрии взаимодействия (рисунок 3.4) поляризация света дифракционного порядка {Kai) ортогональна падающему {Кц).

Если дифрагированный порядок нормально отразить (^Й), ТО В силу симметрии зависимости показателей преломления векторный треугольник волнового синхронизма сохранится замкнутым на одном и том же акустическом векторе {К^.

Однако, при нормальном отражении (оптимальном с точки зрения выполнения условия синхронизма) место расположения фотоприемника совпадает с местом расположения источника излучения. Их, конечно, легко разделить при помощи полупрозрачного зеркала, но полупрозрачное зеркало вносит дополнительные оптические потери, которые в лучшем случае составляют 75% от падающего света.

Поэтому разделение более удобно осуществить, выполнив отражающую грань под некоторым малым углом в плоскости, ортогональной плоскости взаимодействия.

Оценку влияния угла наклона отражающей грани на работу спектрометра можно вынести исходя из зависимости частоты брэгговского синхронизма от угла падения света в плоскости, ортогональной плоскости взаимодействия. Очевидно, что при малых отклонениях (до 1°) угол Р слабо влияет на условие настройки.

3.7.2 Использование планарного и объемного механнзмов фильтрации Еще одна возможность получения аппаратной функции вида sinc'*(x) заключается в использовании двух механизмов фильтрации: планарного и объемного в одной ячейке.

Действительно, в этом случае АО элемент с одной стороны представляет из себя спектрально-селективный фильтр с оптическим коэффициентом передачи вида sinc^(x) и с другой стороны обладает угловой дисперсией динамической дифракционной решетки так же с коэффициентом передачи вида s i ^, (3.35) g(f)~ sine sine Для того, чтобы результирующий спектральный отклик имел вид sinc'*(x) необходимо ввести определенное соотношение между оптической апертурой ячейки D и длиной АО взаимодействия L, то есть подобрать параметры устройства таким образом, чтобы обеспечить равенство разрешающих сил каждого из механизмов Rs-Ro. [160] Если же обеспечить Rs=0.7 Ro, то результирующая аппаратная функция будет иметь уровень боковых лепестков (УБЛ) -32 дБ и по ширине на 30% шире сравнительно с sinc^x).

На рисунке 3.5 приведены графики аппаратных функций устройств, использующих: один механизм фильтрации (пунктирная линия);

два механизма фильтрации Rs=Ro (точечная линия) и два механизма фильтрации Rs=0.7 Ro (сплошная линия).

f, МГц 56. \ 56. 56.4 N.

56. 2 Р, град -3 -2 -1 Рисунок 3.5 - Угло-частотная зависимость квазиколлинеарной дифракции в плоскости ортогональной плоскости взаимодействия - - Рисунок 3.6 - Аппаратные функции устройств, использующих различные механизмы фильтрации (пунктирная - один механизм УБЛ=-13 дБ;

точечная - два механизма Я5=КоУБЛ=-26 дБ;

сплошная - два механизма Rs=0.7 Ro УБЛ=-32дБ) 3.7.3.Методы реализации взвешиваиня Следует заметить, что для получения аппаратной функции с малым уровнем боковых лепестков возможно использование взвешивания распределений амплитуды либо акустической, либо оптической волны в области взаимодействия.

Взвешивающие функции могут быть самые разнообразные, их теория достаточно развита[91]. Важно, что все они кроме уменьшения уровня боковых лепестков аппаратной функции дают расширение главного лепестка.

В планарных спектрометрах легко осуществимо взвешивание оптической волны, например, при помощи оптического транспаранта-маски, помещаемого перед ячейкой. Заметим, что такой же метод взвешивания применяется и в спектрометрах на дифракционных решетках [98].

В спектрометрах, которые используют селективность брэгговского взаимодействия, удобнее осуществлять взвешивание амплитуды акустической волны. Рассмотрим некоторые методы реализации этого взвешивания.

а) подвергнуть амплитудной модуляции в соответствии со взвешивающей функцией управляющий сигнал. Исследование этого вопроса весьма перспективно принимая во внимание его чрезвычайную простоту выполнения.

На рисунке 3.7 изображена структурная схема устройства на базе коллинеарного АОПФ, реализующего данный алгоритм. Следует отметить, что динамический характер акустической волны приводит к тому, что взвешенное распределение не является статичным и меняется во времени. Следовательно, во времени меняется и спектральный отклик фильтра.

Из свойств преобразования Фурье следует, что для того, чтобы воспользоваться эффектом взвешивания, возможно сформировать последовательность импульсов с внутриимпульсной амплитудной модуляцией (рисунок 3.8) с периодом повторения Тп, большим или равным длительности временной апертуры ячейки Та, и длительностью т„, меньшей Та.

При этом в работе устройства можно выделить два ключевых чередующихся интервала времени:

1) Траб - рабочий интервал, в течении которого неизменный по форме импульс "движется" в апертуре ячейки. Очевидно, что в течении этого интервала спектральный коэффициент передачи фильтра неизменен во времени;

2) Тпср - интервал переходного процесса, в течении которого импульс "входит - выходит" из апертуры ячейки. Во время этого интервала происходит существенное изменение формы спектрального коэффициента передачи.

Спектрометр на АОПФ является прибором последовательного анализа.

Следовательно, во время сканирования происходит не только перестройка центральной длины волны фильтра, но и периодические деформации формы спектрального коэффициента передачи, связанные с переходными процессами.

Временные интервалы Траб и Тпер связаны между собой и зависят от Т и Тп.

и Например, при Тп=Та '^пер ~ 'Ги, Траб ~ 1 а " Ти При Э О очевидное стремление заполнить акустическую апертуру полностью ТМ Т -^ Та приводит К тому, ЧТО длительность переходного процесса, который при этом и возникает Тпер, становится сравнимой с временем существования необходимого распределения Траб и может превышать ее. На рисунке 3.9 показано, как во времени себя ведет коэффициент передачи оптического фильтра. Проанализировав поведение спектрального отклика можно сделать вывод о необходимости бланкирования сигнала фотоприемника в течении переходного процесса. В этом случае спектральный отклик всей системы имеет крайне малый уровень боковых лепестков, определяющийся формой взвешивающей функции [78].

На рисунке ЗЛО изображены расчетные аппаратные функции одного и того же устройства, находящегося в различных режимах работы в соответствии с управляющим сигналом: точечная линия - традиционный непрерывный режим без амплитудной модуляции;

пунктирная линия - управляющий сигнал представляет собой последовательность прямоугольных радиоимпульсов и сплошная линия радиоимпульсы «взвешены» функцией Хэмминга [127].

Применение управляющего сигнала в виде последовательности прямоугольных импульсов с параметрами за счет уменьшения эффективной длины взаимодействия приводит к ухудшению разрешающей способности фильтра в 2 раза сравнительно с непрерывным режимом, а также наблюдается уменьшение коэффициента передачи устройства на 6 дБ как за счет уменьшения эффективной длины взаимодействия, так и за счет неиспользования интервалов времени в течении переходных процессов. Использование управляющего сигнала в виде последовательности модулированных импульсов (рис. 35) позволяет уменьшить УБЛ до -42 дБ, но сопровождается дальнейшим ухудшением как разрешения в 1. раза, так и коэффициента передачи на 2 дБ сравнительно с последовательностью прямоугольных импульсов.

3 4 -• t t 8 t t 10 t 12 1 - падающий световой поток;

2 - входная оптика;

3 акустооптическая ячейка;

4 - выходная оптика;

5 фотоприемник;

6 - ключ А;

7 - выходной сигнал;

8 - ключ Б;

- триггер;

10 - амплитудный модулятор;

11 - компаратор;

12 ВЧ генератор;

13 - НЧ генератор Рисунок 3.7 Структурная схема АО спектрометра, реализующего «взвешивание»

при помощи модуляции управляющего сигнала Рисунок - 3.8 «Взвешенный» управляющий сигнал Рисунок 3.9 - Динамика изменения спектрального коэффициента передачи фильтра во времени Б) использование дифракционной расходимости и затухания акустической волны в ячейке.

дБ у^А / '''•- 1 ч 1 V i /••* • '•"•/\ : Л / \\ \ А /Л • • \ / \/ ii ' /\v/ ^ 1 • / I ;

1 ;

• : ! • \ 1f • и : \ «• • •• 1 • 5 :

• : \ II :

1 •1 1 S !

;

\ Л \ / ' J ;

i Рисунок 3.10 - Аппаратные функции АО спектрометра Рассмотрим коллинеарный АОПФ, включенный по традиционной схеме.

Очевидно, что в этом случае вид аппаратной функции устройства в значительной степени будет определяться осевым распределением амплитуды звукового поля в направлении распространения звука. Это распределение зависит от формы и размеров пьезоизлучателя, акустической частоты и от свойств материала звукопровода. В большинстве практических случаев можно полагать, что данное распределение равномерное в среде взаимодействия. При этом аппаратная функция устройства очевидно по форме близка к sinc^(x). Однако, при определенном выборе параметров может возникнуть такая ситуация, что осевое распределение амплитуды ультразвука по своей форме окажется весьма близко к некой взвешивающей функции, то есть оно будет иметь максимум в центре апертуры и спад к ее краям.

Следует ожидать, что такое осевое распределение приведет к уменьшению уровня боковых лепестков аппаратной функции по сравнению с традиционным равномерным распределением. Вопрос об оптимальном выборе параметров пьезоизлучателя и звукопровода весьма перспективен и требует проведения дальнейших исследований.

ВЫВОДЫ п о ГЛАВЕ III 1. При осуществлении анализа отечественной и зарубежной научно - технической литературы в виде монографий, журнальных статей, патентов и авторских свидетельств были выявлены две наиболее важные двух характеристики:

аппаратная функция и быстродействие.

2. Разработана математическая модель аппаратной функции устройства. Получено соотношение, связывающее выходной сигнал фотоприемника, спектр мощности оптического сигнала на входе и полную исчерпывающую характеристику устройства - его энергетическую аппаратную функцию при условии медленного изменения частоты управляющего ЛЧМ - сигнала. Из приведенного соотношения следует, что рассматриваемое устройство является анализатором спектра мощности оптического излучения, падающего на АО ячейку.

3. В случае большого времени анализа аппаратная функция прибора определяется АЧХ АО взаимодействия, а при сокращении времени анализа происходит расширение аппаратной функции и наблюдается заплывание боковых лепестков.

Определена максимально допустимая скорость сканирования для спектрометра в квазиколлинеарном режиме взаимодействия, при котором разрешающая способность спектрометра ухудшается не более чем на 10%.

4. Определены два различных механизма спектральной фильтрации оптического излучения в режим дифракции Брэгга: планарный механизм, который использует угловую дисперсию АО ячейки, и объемный механизм, при котором ячейка действует подобно оптическому фильтру. Однако в данном случае более перспективен объемный механизм. Это связано с тем, что анизотропный вид взаимодействия потенциально обладает большей угло-частотной селективностью, чем изотропный.

ГЛАВА IV. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ «АКУСТООНТИЧЕСКОГО ГАЗОАНАЛИЗАТОРА 4.1. Точность АОГА и методы ее нормирования Одной из основных частей газоаналитического устройства является измерительный преобразователь, который предопределяет структуру как средств обработки измерительной информации, так газоанализатора в целом.

Метрологические характеристики имеют основополагающее значение для измерительного преобразователя. Они определяют структуру, конструкцию, технологию производства и характер эксплуатации преобразователей и газоаналитического устройства в целом.

К основным метрологическим характеристикам относятся:

а) статические [основная погрешность;

сходимость;

избирательность (селективность);

дополнительные погрешности;

временная нестабильность;

дрейф нуля (аддитивная погрешность);

дрейф чувствительности (мультипликативная погрешность);

точность преобразований, диапазон преобразований];

б) динамические [динамическая погрешность преобразования;

время установления показаний].

Под погрешностью преобразований измерительного преобразователя (статической и динамической) подразумевается отклонение выходного сигнала от значения, соответствующего истинному значению входной величины.

В соответствии с ГОСТ 16263-70 «ГСИ. Метрология. Термины и определения» под точностью будем понимать степень соответствия между действительным значением входной величины и таким ее расчетным значением, которое согласно статической характеристике преобразователя соответствует действительному значению выходной величины [20].

Согласно [64] точность А определяется математически в виде выражения (4.1) А = ^.

I где ^ - значение входной величины преобразователя;

у/ - соответствующая этому значению ^ширина зоны неопределенности.

Обычно считают [102], что точность преобразователя тем выше, чем ниже его погрешность, т.е. с целью увеличения точности преобразователя, необходимо уменьшать его погрешности. С учетом этого, погрешность АОГА является важнейшей характеристикой, определяющей его качество и в итоге возможность его применения в тех или иных системах.

Точность преобразования входной величины в выходную определяется общей погрешностью, которая может быть найдена путем суммирования отдельных ее составляющих. Эта точность определяется систематическими и случайными ошибками измерений, причем целесообразно рассматривать отдельно систематические ошибки, вносимые оптической частью прибора (монохроматором), и систематические ошибки, вносимые ее регистрирующей частью (рисунок 4.1) Истинный Измеренный спектр спектр Е Монохроматор Фотоприемник Рисунок 4.1 - Основные составляющие устройства При нахождении общей погрешности АОГА необходимо учитывать не только максимальные значения отдельных составляющих погрешности, но и характер изменения.

По характеру изменения составляющие погрешности можно разделить на систематические и случайные [28,91].

Систематические погрешности - это погрешности постоянные или изменяющиеся по определенному закону, который может быть установлен экспериментально.

Случайные погрешности - это погрешности, изменяющиеся случайным образом, обусловленные одновременным воздействием на результат измерения ряда различных, независимых друг от друга факторов.

Систематические ошибки, вносимые монохроматором, характеризуются его аппаратной функцией, которая определяется аппаратной функцией диспергирующей системы, аберрациями коллиматоров и искажениями, вносимыми входной и выходной диафрагмами коллиматоров.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.