Лазерный измеритель параметров дождевых капель, работающий в проходящем свете
Дипломная работа - Разное
Другие дипломы по предмету Разное
? переднее вершинное фокусное расстояние 2-линзы SF по формуле (1.10)
;
Приемная часть.
Рассчитаем двухкомпонентную систему, первой линзой которой служит исследуемый объект, а второй сферическая линза с фокусным расстоянием 60мм. Для упрощения расчетов будем считать, что капля представляет собой линзу шар.
f'=(nr)/2(n-1); (1.20)
Отсюда для капель диаметром от 1 до 6 мм получим следующие фокусные расстояния
f1=1.008мм
f2=2.015мм
f3=3.023мм
f4=4.03мм f5=5.038мм f6=6.045мм
Отсюда можно найти угол , под которым капля будет рассеивать излучение:
, (1.21)
где - диаметр капли.
Из конструктивных соображений положим, что расстояние между исследуемым объектом и объективом будет равно 40мм 5мм. Т.е капля будет падать в некотором объеме.
Рисунок 1.4. Определение диаметра объектива.
Найдем диаметр объектива. Из рисунка видно, что диаметр объектива можно найти по формуле:
;(1.20)
где - расстояние от объектива до места падения капли.
Из формулы видно, что диаметр объектива будет зависеть от диаметра капли и места ее падения.
Таблица 1.1. Определение диаметра объектива
dk,мм aпад, мм 1234563533.73732.73731.73730.73729.73728.7374038.69937.69936.69935.69934.69933.6994543.66242.66241.66240.662 39.66238.662
Диаметр объектива примем таким, чтобы вся энергия от капли попала в объектив. =50мм
Рассчитаем параметры объектива.
=50мм
Возьмем линзу с равными радиусами. Тогда формула линзы примет вид:
; (1.23)
;(1.24)
Решив уравнение, найдем, что = 59, =-59мм, =12,6мм
Найдем переднее вершинное фокусное расстояние SF из выражения (1.10)
;
;
Найдем положение фотоприемника относительно объектива.
Рисунок 1.5. Определение кружка рассеяния .
Рассчитаем кружок рассеяния от капель диаметром от 1 до 6 мм, падающих на расстоянии 35 и 45 мм от объектива. (1.25)
; (1.25)
где - расстояние до фотоприемника; Из конструктивных соображений примем равным 28мм.
Найдем угол для капли 1мм по формуле (1.26)
;(1.26)
Таблица 1.2 Определение угла
dk,мм aпад, мм 1234563537.87737.57837.27736.97336.66736.6674540.71340.43840.1639.88 39.59839.313
Таблица 1.3 Определение кружка рассеяния
dk,мм aпад, мм 123456354.9115.1775.4445.7115.9776.244452.2642.5312.7973.064 3.3313.597
-Расчет акустооптического модулятора.
Частота модуляции должна быть больше, изменения частоты падения капель. Определим частоту падения капель.
,(1.27)
где - максимальная и минимальная скорости падения капель; -толщина лазерного пучка.
Гц
Примем частоту модуляции равной Гц Выбираем в качестве материала акустооптического модулятора парателлурит со скоростью звука в среде vак = 617 м/с.
Период интерференционной картины в АОМ:
, (1.28)
где f - частота модуляции, f = 2 МГц.
Угол дифракции света на АОМ:
, (1.29)
где ? - длина волны излучения, ? = 0,65010-6 м,
Высоту кристалла АОМ h выбираем равной диаметру пучка = 5 мм. Т.к. кристалл представляет собой куб, то длина и ширина соответственно l = a = 5 мм. Край кристалла скошен под углом 10. Развернем АОМ на угол ? относительно оптической оси для того, чтобы пучок света, выходящий под углом Брэгга шел параллельно оптической оси.
;(1.30) ? = 147
1.3 Энергетический расчет
Рассмотрим энергетические соотношения в приборе. Отношение сигнал/шум на входе электронной схемы обработки измерительных импульсов:
,(1.31)
где Рполезн - уровень полезного сигнала на фотоприемной площадке;min - минимальный уровень сигнала, воспринимаемый фотоприемником.
Коэффициент пропускания линз из стекла К8 найдем из выражения (1.32)
,(1.32)
где K - число преломляющих поверхностей, К=12; d - суммарная толщина по оси.
=1,5+1,65+2,425+0,4+12,6=1,858см
=0,53
Найдем количество энергии, преломленное каплей. Для этого сначала определим мощность в рабочем пучке. Распределение энергии в пучке можно найти, зная распределение освещенности в пучке, которая представлена следующими графиками.
Рисунок 1.6 Распределение освещенности в лазерном пучке по горизонтальной оси.
Рисунок 1.7 Распределение освещенности в лазерном пучке по вертикальной оси.
Работа будет осуществляться на уровне 0,85 от максимальной энергии по горизонтальной оси.
Рисунок 1.8 Освещенность на уровне 0,85 от максимальной.
Взяв интеграл на этом уровне, найдем мощность в рабочем пучке.
,(1.33)
где - суммарная освещенность в пучке на уровне 0,85; - суммарная освещенность во всем пучке; - мощность в лазерном пучке.
=9,285мВт
Зная мощность в рабочем пучке, найдем мощность, преломляемую каплей.
;(1.34)
Таблица 1.4 Расчет мощности рассеиваемой каплей.
, мм123456, мВт0,9281,8572,7853,7144,6425,571
Теперь определим мощность на фотоприемнике.
; (1.35)
Таблица 1.5. Расчет мощности на фотоприемнике в зависимости от диаметра капли и места ее падения.
dk,мм aпад, мм 123456350,0260,0460,0620,0760,0860,095450,120,1920,2360,2630,2780,286
Для определения отношения сигнал/шум находим значение Рmin
;(1.36)
Определим соотношение сигнал шум для предельного случая: для капель падающих на расстоянии 35 мм от объектива.
Таблица1.6. Определение соотношения сигнал-шум.
dk, мм aпад, мм 12345635255460625755863950
Полученн?/p>