Конструкция ИК- радиометра

1 2 3 4

Колледж приборостроения и информационных технологий

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 12.02.05

Оптические и оптико-электронные приборы и системы

на тему:

«Расчет и разработка конструкторской документации для оптики ИК-радиометра»

Выполнил студент

группы ЩОКО-01-14 (ЭО-41)

Т.В. Вдовиченко

подпись ФИО студента

Руководитель

И.С.Павлюкова

подпись ФИО руководителя

Нормоконтроль

И.М. Власова

подпись ФИО контролера

Москва 2018

ЗАДАНИЕ
на дипломную работу
студентке 4 курса группы ЩОКО-01-14 (ЭО-41)
по специальности 12.02.05

Оптические и оптико-электронные приборы и системы

Вдовиченко Тамаре Васильевне

ТЕМА ЗАДАНИЯ: «Расчет и разработка конструкторской документации для оптики ИK-радиометра»

Дипломная работа выполняется студентом колледжа в следующем объеме:

Техническое задание

Ⅰ Пояснительная записка

Введение

Анализ технического задания

Актуальность разработки

1.1 Обоснование схемы структурной ИК-радиометра

Конструкторский раздел

2.1 Энергетический расчет

2.2 Габаритный расчет оптической части следящей системы прибора

2.3 Кинематический расчет

2.4 Расчет элементов конструкции

Технологический раздел

3.1 Технология изготовления оптической детали

Заключение

Список использованных источников

Ⅱ Приложения

Дата выдачи 06.04.2018

Срок окончания 14.06.2018

Председатель ПЦК Оптических систем ________ И.С. Павлюкова

Руководитель дипломной работы ________ И.С. Павлюкова

Техническое задание

Исходные данные:

спектральный диапазон 0,3-2,4 мкм;

интервал температур 500-3000°;

3,9В;

I = 0,6А.

Необходимо произвести:

1. Расчет энергетический;

2. Габаритный расчет;

3. Кинематический расчет;

4. Расчет элементов конструкции;

5. Технологию изготовления выпукло-вогнутой линзы.

СОДЕРЖАНИЕ

Ⅰ ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………… 4

АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ……………………………………… 6

1 АКТУАЛЬНОСТЬ РАЗРАБОТКИ…………………………………………… 7

1.1 Обоснование схемы структурной ИК-радиометра…………………. 9

2 КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ………………………………………….…. 17

2.1 Энергетический расчет…………………………………………….… 17

2.2 Габаритный расчет оптической части следящей системы ………… 25

2.3 Кинематический расчет……………………………………………… 32

2.4 Расчет элементов конструкции……………………………………… 41

3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ……………………………………………. 47

3.1 Технология изготовления оптической детали………………….…... 47

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………..…... 48

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………..…...... 49

Ⅱ ПРИЛОЖЕНИЯ

Ⅰ ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

ВВЕДЕНИЕ

Научно-техническая деятельность человечества в XXI веке стала еще более ощу-
тимым фактором воздействия на окружающую среду. Тепловое, химическое, ра-
диоактивное и другие загрязнения окружающей среды
находятся под пристальным вниманием специалистов и вызывают справедливую
озабоченность, а иногда — и тревогу общественности. По многим прогнозам про-
блема защиты окружающей среды станет наиболее значимой для боль-
шинства промышленно-развитых стран. В подобной ситуации налаженная широ-
комасштабная и эффективная сеть мониторинга состояния окружающей среды, особенно в крупных городах и вокруг экологически опасных объектов, может явиться важным элементом обеспечения экологической безопасности и залогом устойчи-
вого развития общества. Основными элементами такой сети станут автоматиче-
ские станции экологического мониторинга, оснащенные аппаратурой контроля
загрязнения атмосферы вредными газами. радиоактивными веществами, пылью, а
также измерения метеорологических параметров.

Радиометр теплового излучения «ИК-метр» предназначен для измерения энергетической яркости источника по интенсивности теплового излучения (теплового потока) в инфракрасном диапазоне.

Значительные возможности дает изучение переноса ИК-излучения в облаках при помощи аппаратуры, фиксирующей особенности трансформации излучения, идущего от интенсивного источника, который может находиться и за пределами атмосферы, например, Солнца. При этом может быть определено не только общее ослабление в облаках излучения, идущего от Солнца, но и разделен вклад в ослабление поглощения и рассеяния. Условия переноса ИК-излучения в атмосфере весьма изменчивы в пространстве и времени. Это обусловлено в первую очередь географическими условиями формирования влагосодержания в атмосфере, количеством и свойствами содержащихся в ней аэрозолей, определяющих наряду с астрономическими факторами изменчивость прихода лучистой энергии Солнца.

Разработка дистанционных методов и аппаратуры контроля текущего состояния атмосферы с поверхности земли и со спутников в течение многих лет привлекает внимание отечественных и зарубежных ученых и инженеров. Создан широкий арсенал приборов, работающих в оптическом и микроволновом диапазонах длин волн. Эти приборы нашли широкое применение как в оперативной практике, так и в научных исследованиях, связанных с изучением строения атмосферы и динамических процессов, протекающих в ней.

Анализ технического задания

В дипломной работе будет произведен энергетический, габаритный и кинематический расчет оптической части следящей системы, а также расчет элементов конструкции ИК-радиометра. Разработан технологический процесс изготовления оптической детали.

Спектральный диапазон рассматриваемой оптики составляет 0,3–2,4 мкм. Интервал температур, в котором работает ИК-радиометр — 500–3000 °.

Актуальность темы заключается в том, что разрабатываемая система позволяет осуществлять непрерывный или периодический контроль состояния приземной атмосферы в заданной области и является ключевым элементом экологического мониторинга.

Новизна дипломной работы заключается в доведении технических характеристик ИК-установки до уровня, превосходящего уровень существующих на сегодняшний день аналогов, благодаря чему оптимизируемая ИК-установка остается вне конкуренции на рынке приборов, определяющих коэффициент прозрачности и другие параметры атмосферы.

1 АКТУАЛЬНОСТЬ РАЗРАБОТКИ

Система экологического мониторинга должна накапливать, систематизировать и анализировать информацию о:

— состоянии окружающей среды;

— причинах наблюдаемых и вероятных изменений состояния;

— допустимости изменений и нагрузок на среду в целом.

На рисунке 1 представлена блок–схема системы мониторинга.

Рисунок 1. Блок-схема системы мониторинга

Сегодня сеть наблюдений за источниками воздействия и за состоянием биосферы охватывает уже весь земной шар. Глобальная система мониторинга

окружающей среды (ГСМОС) была создана совместными усилиями мирового сообщества (основные положения и цели программы были сформулированы в 1974 году на Первом межправительственном совещании по мониторингу). Первоочередной задачей была признана организация мониторинга загрязнения окружающей природной среды и вызывающих его факторов воздействия.

Система мониторинга реализуется на нескольких уровнях, которым соответствуют специально разработанные программы:

— импактном (изучение сильных воздействий в локальном масштабе – И);

— регионнальном (проявление проблем миграции и трансформации загрязняющих веществ, совместного воздействия различных факторов, характерных для экономики региона — Р);

— фоновом (на базе биосферных заповедников, где исключена всякая хозяйственная деятельность — Ф).

Огромную роль в экологическом мониторинге играет состояние приземного слоя атмосферы. Система мониторинга атмосферы должна обеспечивать получение массивов количественных данных с требуемым пространственно–временным разрешением породообразующим параметрам (давление, температура, ветер, влажность, облака, аэрозоли, газовые компоненты).

Среди различных методов мониторинга атмосферы, включая всевозможные методы прямых контактных измерений её параметров, а также методы активного и пассивного дистанционного зондирования, особо хотелось бы отметить наблюдения за солнцем.

Суть методики заключается в постоянном автоматическом слежении за высокотемпературным источником (Солнцем), периодически перекрываемом полупрозрачными облаками. В результате происходит измерение радиационной температуры Солнца. На основе полученных данных определяются прозрачность атмосферы и параметры полупрозрачных облаков (оптическая толщина, коэффициент пропускания).

Для осуществления данной задачи требуется разработать комплекс (следящую систему) для наведения и автоматического слежения за перемещением Солнца, обеспечивающий необходимую точность. Автоматизированная следящая ИК-система должна обладать следующими качествами:

1) автономная работа;

2) легкость управления автоматизированной следящей ИК-системой;

3) возможность наведения на Солнце по времени и месту нахождения;

4) возможность сохранения данных для последующей обработки.

1.1 Обоснование схемы структурной ИК-радиометра

Измерение температуры осуществляется при помощи ИК-радиометра, который закреплен на автоматизированной альт–азимутальной монтировке. Обмен данными с компьютером происходит посредством интерфейса. Данные исследования сохраняются на жестком диске для последующих анализа и обработки. Результаты исследований могут также быть отображены в виде графиков. На рисунке 2 представлена конструкция следящей ИК-системы.

Источник излучения (Солнце)

Объект – полупрозрачное облако

ИК-термометр

Альт-азимутальная монтировка телескопа

Веб-камера

ПК

Рисунок 2. Следящая ИК-система

Автоматическое слежение за Солнцем обеспечивается следующим образом. Определяются текущие координаты установки (той ее части, где расположен ИК-термометр) и передаются на персональный компьютер (далее – ПК). Рассчитываются эфемериды движения Солнца в соответствии с текущей датой и местоположением. Hа основе этих данных с помощью программного обеспечения, установленного на ПК, происходит наведение ИK-термометра, установленного на альт–азимутальной монтировке, на Солнце (первоначальное наведение).

Далее данные, измеренные ИК-термометром, поступают на ПК для дальнейшей обработки.

В качестве входных данных используются температура приземного слоя атмосферы и зенитный угол Солнца, а в качестве выходных данных –коэффициент прозрачности атмосферы, оптическая плотность атмосферы в рабочем спектральном диапазоне и фактор мутности атмосферы, а также параметры полупрозрачности облаков (оптическая толщина, коэффициент пропускания).

Конструкция ИК- радиометра

На рисунке 3 представлен солнечный ИК-радиометр, предназначенный для автоматизированных измерений прямой солнечной радиации в «окнах прозрачности» атмосферы и полосах поглощения газов в целях последующего восстановления общего содержания аэрозоля («оптический аналог» — аэрозольная оптическая толща), водяного пара и озона.

Рисунок 3. Солнечный ИК-радиометр

Для корректного определения искомых характеристик и более полного геофизического анализа, этим же прибором измеряются окружающая температура, давление и влажность в месте наблюдений, а также диагностические данные прибора (температура термостата, напряжения питания, шумовые сигналы ФПУ, пространственное положение фотометра и др.).

Автоматизированные измерения осуществляются под управлением встроенного контроллера и программы внешнего компьютера, которая реализует следующие режимы работы:

- «Sun» (прозрачность) — определение ситуаций «безоблачное Солнце», автоматическое наведение-слежение за Солнцем и измерение сигналов прозрачности атмосферы;

- «Sky» (ореольная индикатриса) - автоматическое сканирование по азимуту (с остановками в заданных углах) и измерение сигналов солнечного ореола с возвратом в исходное положение;

- «Meteo» - регулярные измерения метеопараметров и диагностика фотометра;

- «Test» — управление отдельными блоками (схемами) фотометра с клавиатуры РС.

При отключении режимов оптических измерений фотометр переводится в «парковку».

В состав прибора входят следующие блоки:

1) двухкоординатный (зенит/азимут) поворотный стол с блоком координатных датчиков и схемой автоматического слежения за Солнцем;

2) многофильтровый фотометр с тремя измерительными каналами и термостатом;

3) блок электроники с микроконтроллером;

4) выносной (на удалении до 10 м) блок "Meteo" на стойке;

5) блок питания-адаптер с длинным кабелем связи до 20 м.

Технико-экономические характеристики:

1) прибор имеет широкий спектральный диапазон измерений 0,3-4 мкм;

2) дополнительно измеряются диагностические и метеорологические характеристики в точке наблюдений;

3) предусмотрена работа в составе автоматизированной сети.

Области применения. Научный мониторинг общего содержания радиационно–активных компонентов атмосферы (аэрозоль, водяной пар, озон) для решения климатических и экологических задач, а также для подспутникового обеспечения — атмосферной коррекции и валидации результатов космического зондирования.

Разработка представляет интерес для научно–исследовательских институтов (в области «Наук о Земле») и организаций мониторинга природной среды (Академии наук, Роскомгидромета и др.).

Система, следящая за Солнцем для параболического концентрирующего солнечного водяного коллектора.

Гелиотрекер дословно можно перевести как «отслеживатель пути солнца». На самом деле, его задача не отслеживать путь солнца, быть постоянно направленным на солнце. Это весьма важно для концентрирующего коллектора, чтобы обеспечить максимальную эффективность его работы.

Несмотря на несколько пугающее название, гелиотрекер не представляет собой ничего особо сложного. Он состоит из фотоприемника, контроллера, обрабатывающего сигнал с фотоприемника и исполнительного механизма в виде двух двигателей с трансмиссией, поворачивающих собственно гелиоколлектор и укрепленный на нем фотоприемник.

Рассмотрим каждую из составляющих частей гелиотрекера. Фотоприемник (рисунок 4) представляет собой небольшую плату с укрепленными на ней четырьмя фотодатчиками (фоторезисторами или фотодиодами).

Рисунок 4. Фотоприёмник

Все фотодатчики приспособлены воспринимать солнечный свет без выхода из строя (защищены светофильтрами). Кроме того, они все разделены между собой крестообразной перегородкой. При ориентации на солнце освещены все четыре фотодатчика. Солнце в процессе своего движения по небосводу изменит освещенность фотоприемника и два или три фотодатчика окажутся в тени. Что немедленно отследит схема управления.

Схема управления или контроллер может быть реализован в любом варианте. От дискретных элементов до программируемых микроконтроллеров. Главное, чтобы он обрабатывал алгоритм работы солнечного коллектора на основе данных фотоприемника.

Всего положений фотоприемника может быть 9, соответственно и команд тоже 9. На рисунке 4 каждый фотодатчик обозначен буквой (вид со стороны солнца). Все возможные варианты освещения датчиков можно свести в таблицу 1. «1» означает, что датчик освещен, «0» - что датчик в тени перегородки, команда для двигателя, расположенного сзади коллектора. И качестве исполнительного устройства лучше всего подойдут либо шаговые двигатели, не требующие никакой электроэнергии для удержания занятого положения, либо актуаторы. Актуатор — это своеобразный электрический домкрат, в котором вращательное движение двигателя превращается в поступательное движение тока с одновременным увеличением усилия в сотни раз.

Таблица 1

Возможные варианты освещения датчиков

Датчик A	1	0	1	1	0	0	0	0	1
Датчик B	0	1	1	0	0	1	0	0	1
Датчик C	0	0	0	0	1	1	1	0	1
Датчик D	0	0	0	1	0	0	1	1	1
Примечание	Солнце выше и западнее	Солнце выше и восточн.	Солнце выше	Солнце западн.	Солнце восточн. и ниже	Солнце восточн.	Солнце ниже	Солнце западн. и ниже	Точно на Солнце
Вертик. Двиг.	Вверх	Вверх	Вверх	Стоять	Вниз	Стоять	Вниз	Вниз	Стоять
Гориз. Двиг.	На запад	На восток	Стоять	На запад	На восток	На восток	Стоять	На запад	Стоять

Такие двигатели — актуаторы применяют для позиционирования параболических тарелок спутникового телевидения.

Гелиотрекер можно очень сильно упростить, если принять во внимание такое допущение. Солнце совершает за сутки оборот по небосводу на 360 градусов. А вот угол наклона меняет очень и очень медленно. Если исключить из гелиотрекера вертикальную «составляющую», переведя ее на «ручное управление», то можно оставить только два фотодатчика. В самом деле, не составит большого труда раз в две недели подойти к солнечному коллектору и изменить его угол наклона соответственно нынешнему положению солнца и даже с небольшим упреждением.

А вот горизонтальное перемещение в плоскости движения солнца по небосводу придется отслеживать, но таблица получается очень простой (таблица 2). Соответственно простым получится и контроллер. Это будет всего пара простейших фотореле с незамысловатой коммутацией исполнительного механизма, в качестве которого может служить всего один актуатор.

Таблица 2

Варианты освещения датчиков при горизонтальном перемещении Солнца

Датчик A	1	1	0	0
Датчик B	1	0	1	0
Примечание	Точно на Солнце	Солнце западнее	Солнце восточнее	Солнца нет
Двигатель	Стоять	На запад	На восток	На восток до конца

Если оба датчика не освещены, то концентрирующий солнечный коллектор разворачивается на восток в ожидании восхода солнца. Если же затемнение датчиков произошло в результате непогоды, то при появлении солнца он тут же развернется на него, если солнце появилось не слишком поздно по времени.

Сектор поворота солнечного коллектора вряд ли стоит делать больше 150-180 градусов. Солнце на краях этого сектора стоит над горизонтом достаточно низко, и его лучи несут уже не много тепловой энергии.

Сделав концентрический параболический солнечный коллектор, оснащенный гелиотрекером можно реально получить ощутимый выигрыш в использовании солнечной энергии для обеспечения загородного дома горячей водой. Термомеханическая самонаводящаяся система слежения за солнцем.

Использование: в гелиотехнике, в качестве следящей системы в установках, преобразующих лучистую энергию Солнца в электроэнергию, тепло и другие формы; в солнечных коллекторах и батареях; зеркалах солнечных тепловых электростанций; солнечном компасе; в метеорологических гелиографах и т.д. Сущность изобретения: система работает от направленного солнечного потока, нагревающего термочувствительные элементы (далее – ТЧЭ) с большим температурным коэффициентом линейного (объемного) расширения.

Ориентируемые по эклиптике, ТЧЭ скомпонованы в два узла слежения за Солнцем, образующих: относительно вертикальной оси — механизм отслеживания по сторонам света; относительно горизонтальной оси – механизм отслеживания по высоте над горизонтом. Из-за разности температур концы удлиняющих ТЧЭ создают крен площадок перекоса, соответствующий движению Солнца, который отслеживается роликами скатывания и механически передается ориентируемым осям, с которыми связан технологический гелио орган.

Описание установки:

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в качестве следящей системы в установках, преобразующих лучистую энергию Солнца в электроэнергию, тепло и другие формы: в ориентируемых солнечных коллекторах; солнечных батареях; зеркалах солнечных тепловых электростанций; солнечном компасе; метеорологических гелиографах и т.д.

Известны устройства слежения за Солнцем с применением оптико-электронных и тепловых датчиков, электромеханических приводов, часовых механизмов.

Известны также устройства по принципу работы регуляторов прямого действия с применением термочувствительных элементов, основанных на тепловом расширении (удлинении) жидкостей, газов, твердых тел, деформации биметаллических элементов, элементов из материалов с термопамятью. При их работе непосредственно используется тепловая энергия регулируемой среды или источника тепловой энергии. Датчик температуры или ТЧЭ является одновременно исполнительным механизмом устройства.

Наиболее близким аналогом из числа известных устройств вышеуказанных типов является термомеханическая, самонаводящаяся система слежения за Солнцем, состоящая из механизма отслеживания по сторонам света, имеющего стационарное горизонтальное основание с неподвижно закрепленной перпендикулярной ему осью и сопряженную с ней, через шарикоподшипники, вертикально ориентируемую ось, а также из установленного на последней механизма отслеживания по высоте над горизонтом, имеющего основание и перпендикулярную его плоскости и сопряженную с ним, через шарикоподшипники, горизонтально ориентируемую ось, к которой крепится технологический гелиоэлемент, при этом каждый механизм отслеживания снабжен термочувствительными элементами, содержащими материал с большим удельным коэффициентом температурного расширения.

2 КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ

2.1 Энергетический расчет

Целью энергетического расчета является выбор подходящего светофильтра.

Используемый в дипломной работе ИК-радиометр TI-315Е позволяет измерять радиационную температуру высокотемпературных объектов в диапазоне от 500°С до 3000°С в диапазоне 2,1-2,4 мкм.

Инфракрасный термометр является оптическим измерительным прибором, построенным на оптических элементах. Он собирает инфракрасное излучение объектов, расположенных в поле обзора, и передает это излучение на приемник. Затем приемник излучения превращает энергию в последовательность электрических сигналов. После усиления с помощью электрической цепи, эти сигналы собираются и обрабатываются микропроцессором и отображаются на ЖК-дисплее, в виде цифрового значения температуры. На рисунке 5 представлена структурная схема ИК-радиометра.

Преобразование V-F

Усиление электрических сигналов

АЦП

ЦАП

Центральный процессор

Отображение цифрового значения

Команда кодирования

Поправка на температуру

Клавиши настройки и их функции

Электрически стираемая память

Преобразование V-I

Оптическое ИК-излучение

ИК преобразователь

Рисунок 5. Структурная схема ИK-радиометра

Температура поверхности Солнца примерно равна 6000°К, но с учетом ослабления его атмосферой получается примерно 5000°К. Следовательно, поток, попадающий на приемник будет превышать предельно допустимый (соответствующий 3000°С), и прибор не сможет показать температуру. Для уменьшения падающего на приемник излучения необходимо использовать светофильтр.

Рассчитаем поток, падающий на входной зрачок, от источника температурой 5000°К, то есть соответствующему Солнцу при чистом небе.

Определим интегральную плотность излучения:

(1)

где Т — температура, ε =1 — коэффициент черноты, σ = 5,67* -коэффициент Стефана-Больцмана.

Интегральная плотность излучения для температуры 5000K:

Максимум длины волны излучения для температуры Т вычисляется по формуле:

(2)

Для температуры Т=5000°К максимуму длины волны излучения составляет 0,58 мкм.

Рассчитаем плотность излучения для спектрального интервала 2,1-2,4 мкм с использованием безразмерных коэффициентов.

(3)

0,58 мкм

для 2,1 мкм;

для 2,4 мкм.

Определяем :

Тогда:

(4)

Поток определяется по формуле:

(5)

А поток с учетом атмосферы:

Определим коэффициент пропускания атмосферы

, (6)

где — коэффициент пропускания углекислого газа;

— коэффициент пропускания воды;

— коэффициент пропускания озона.

Коэффициент зависит от содержания водяного пара в подоблачном слое, который неравномерно распределен по высоте. Для того чтобы более точно определить данный параметр, необходимо разбить высоту подоблачного слоя на подслои, в которых содержание водяного пара можно считать постоянным.

Разбиваем подоблачный слой от 100 до 10000 м на 50 одинаковых подслоев, толщина которых составляет 200 метров. Относительное содержание водяного пара в каждом из подслоев определим по таблице по средней высотной точке, учитывая, что относительная влажность в приземном слое атмосферы составляет 60%, а температура воздуха 17С° (290 К), для каждого подслоя рассчитываем и суммируем относительное содержание водяного пара, упругость насыщенных паров и толщину осажденных паров.

Определяем толщину слоя осажденной воды для каждого подслоя, учитывая средний зенитный угол зондирования θ=61,62 °

, (7)

где – температура воздуха для каждого подслоя (К);

– относительная влажность каждого подслоя;

- упругость насыщенных паров (Па) для температуры воздуха;

- толщина каждого подслоя (Н = 0,2км).

мм

Сложим толщины каждого слоя, чтобы определить общую толщину осажденной воды подоблачного слоя:

мм.

По таблице 3 спектральных коэффициентов пропускания излучения парами воды для количества осажденной воды с учетом интерполяции определяем приближенно коэффициент пропускания атмосферы в спектральном диапазоне 2,1-2,4 мкм.

Таблица 3

Коэффициент пропускания атмосферы

𝜆	2,1	2,2	2,2	2,3
	0,9363	0,9683	0,9363	0,6882

Для определения коэффициента пропускания диапазона вычислим среднее арифметическое =0,882.

Определим эквивалентную толщину каждого подслоя по формуле:

, (8)

где h – толщина подслоя равно 200 м.

Определяем спектральные коэффициенты пропускания излучения углекислым газом по таблице 4.

Таблица 4

Спектральные коэффициенты пропускания излучения углекислым газом

𝜆	2,1	2,2	2,3	2,4
	0,989	1	1	1

Для определения коэффициента пропускания диапазона вычислим среднее арифметическое =0,9973.

Слой озона простирается от тропопаузы до 60-70 км с центром тяжести слоя от 20 до 30 км, положение которого зависит от географической широты и времени года. Основные полосы поглощения лучистой энергии приведены на рисунке 6. Наиболее важная полоса поглощения озоном ультрафиолетового излучения Солнца (полоса Хартли) располагается в области длин волн от 0,200 до 0,320 мкм. К полосе Хартли прилегает более слабая полоса Хеггинса, простирающаяся до 0,360 мкм. В полосе Хартли максимум приходится на 𝜆 = 0,255 мкм. Поглощение в нем настолько велико, что слой озона, приведенный к нормальным условиям (ρ =1000 гПа и t = 0°С), толщиной 0,25 мм ослабляет излучение вдвое.

Озон имеет несколько полос поглощения в инфракрасной области спектра, но они перекрываются более интенсивными полосами углекислого газа и водяного пара. Существенное значение имеет лишь узкая полоса 9,4-9,9 мкм с центром 9,65 мкм. Но т.к. рабочий диапазон пирометра, используемого в комплексе, 2,1-2,4 мкм, то в дипломной работе влиянием озона можно пренебречь.

Рисунок 6. Основные полосы поглощения излучения в атмосфере

Определим коэффициент пропускания атмосферы по формуле:

, (9)

где — коэффициент пропускания, обусловленный явлением рассеяния, который можно принять равным единице.

Таким образом

Получаем:

Определим коэффициент пропускания оптической системы:

где 0,5 – коэффициент пропускания светоделительного покрытия в призме.

(10)

Поток на выходном зрачке без фильтра:

Определим минимальный коэффициент пропускания облака, которое можно измерить нашей ИК-системой:

2.2 Габаритный расчет

В этом подразделе определим габариты оптической части следящей ИК-системы, которой является ИК-радиометр Time Group TI 315Е. Оптическая схема радиометра показана на рисунке 7.

Рисунок 7. Оптическая схема следящей ИК-системы

1 — светофильтр НС-3; 2 — объектив; 3 — призма–куб; 4 — светофильтр 𝜆=2.1-2.4 мкм; 5 — приёмник излучения; 6 — призма Акр-90; 7 — окуляр.

Оптическая часть состоит из двух каналов: основного и вспомогательного. Основной канал служит для передачи излучения диапазона 2,1-2,4 мкм на приёмник, а вспомогательный передает видимое излучение в окуляр и служит для наведения.

Поток излучения проходит через объектив, попадает на призму–куб и разделяется на два потока. Основной поток, проходящий через призму в прямом направлении, далее проходит через узкополосный ИК-фильтр, который выделяет диапазон длин волн 2,1-2,4 мкм, и падает на приемник излучения. Вспомогательный поток отражается от делительной грани призмы–куба в меридиональной плоскости и попадает на призму с крышей, в которой происходит отражение в сагиттальной плоскости. Затем поток попадает в окуляр, через который пользователь может наблюдать необходимый объект.

Исходными параметрами габаритного расчета являются:

Г = 3˟ - видимое увеличение;

= 24 мм - световой диаметр объектива;

разрешающая способность 1:120.

Зная разрешающую способность, находим половинный угол поля зрения

Тогда угол поля зрения равен 2 w = 8,333 рад или 0,477 градусов.

Находим фокусное расстояние объектива (при малом угле поля зрения)

Для определения параметров реального объектива выбираем по основным критериям (угол поля зрения, относительное отверстие) табличный объектив из справочника ГОИ:

Объектив является двухлинзовой склейкой, марка стекла первой линзы К8, второй линзы ТФ1.

Пересчитываем конструктивные данные (r и d) выбранного объектива. Для этого нужно разделить фокусное расстояние табличного объектива на фокусное расстояние расчетного, определив коэффициент

А затем умножить получившийся коэффициент на r и d. Это будут конструктивные параметры системы, удовлетворяющей требованиям расчета:

мм

мм .5163

мм .6475

мм

Рассчитываем положение задней главной плоскости объектива в прямом ходе лучей:

(11)

Вт

(12)

Вт

(13)

Вт

°;

(14)

(15)

(16)

(17)

;

(18)

;

– задний фокальный отрезок

(19)

– положение задней главной плоскости объектива

Рассчитываем положение передней главной плоскости объектива в обратном ходе лучей:

;

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

– передний фокальный отрезок

(25)

мм – положение передней главной плоскости

Зная видимое увеличение, определяем фокусное расстояние и угол поля зрения окуляра

В справочнике ГОИ есть окуляр с такими же параметрами, поэтому пересчет не нужен. Конструктивные параметры окуляра:

мм

мм мм

мм

мм мм

мм

Так как основной канал предназначен для ИК-излучения, а объектив рассчитан для вспомогательного канала, то есть для видимого излучения, необходимо пересчитать фокусное расстояние для длинноволнового диапазона 2,1-2,4 мкм, чтобы определить место, в которое должен быть уста-
новлен приемник излучения. Для этого нужно вычислить показатели прелом-
ления линз объектива для длины волны 2,25 мкм (2250 нм).

Используем формулу Гартмана:

, (26)

где – некоторые определенные для данного сорта стекла постоянные величины, определяемые из опыта.

Заметим, что величина a близка к единице и может быть во многих случаях заменена единицей. Таким образом, можно считать, что разность n- обратно пропорциональна разности длин волн . Как известно, красные лучи имеют большую длину волны, чем синие, поэтому их показатель преломления меньше, чем показатель преломления синих лучей. Чтобы вычислить коэффициенты составим систему из трех уравнений для трех известных п и 𝜆.

Итак, определим показатель преломления для длины волны 2250 нм для первой линзы объектива, изготовленной из стекла марки К8.

Составим систему из трех уравнений для следующих показателей преломления:

Тогда , . Полученные значения подставляем в формулу Гартмана для 𝜆=2250 нм

Таким же способом определяем показатель преломления для второй линзы объектива, изготовленной из стекла марки ТФ1.

Составим систему из трех уравнений для следующих показателей преломления:

Тогда получаем Полученные значения подставляем в формулу Гартмана для 𝜆=2250 нм

Зная габаритные размеры обеих линз объектива и их показатели преломления для длины волны 2,25 мкм, находим оптические силы линз:

, (27)

где n — показатель преломления,

— радиусы кривизны линзы,
d — толщина линзы по оптической оси.

Тогда:

для первой линзы

для второй линзы

Вычисляем фокусное расстояние объектива по формуле:

Приемник излучения располагается в фокусе объектива. Рассчитанного для диапазона 2,1-2,4 мкм.

Призма–куб, установленная за объективом, делит поток на основной и вспомогательный в соотношение один к одному. Призма–куб изготовлена из стекла марки К8, показатели преломления =1,5183 для 𝜆=546,1 нм, =1,5163 для 𝜆=589,3 нм, = 1,521949 для 𝜆=486,1 нм. Для диапазона 2,1-2,4 мкм показатели преломления были посчитаны выше: 1,502.

Отразившись от делительной грани призмы–куба, поток попадет на призму с крышей -90°, её параметры:

Рассчитаем длину визира, через которого проходит вспомогательный поток, без призм:

Для расчета реальной длины визира, то есть с учетом призм, рассчитываем осевое смещение, которое они вызывают:

- осевое смещение, вызываемое призмой–кубом

- осевое смещение, вызываемое призмой с крышей

суммарное осевое смещение

Рассчитаем положение объектива, призмы–куба, призмы с крышей и окуляра относительно друг друга. Для этого составим систему из трех уравнений:

, (28)

где — расстояние от объектива до грани призмы-куба;

— расстояние от призмы до окуляра;

— расстояние от призмы-куба до призмы.

Получаем, =10 мм, =20 мм.

Предел измерений ИК-радиометра составляет 3273 К, а температура фотосферы Солнца, ослабленная его атмосферой, равна 5000 К, поэтому при наведении на солнечный диск при чистом небе, то есть в случае минимального ослабления атмосферой, световой поток, попадающий на приемник, будет превышать максимально допустимый, и прибор не сможет его зарегистрировать. Для того чтобы этого не происходило, необходимо слабить поток с помощью светофильтра. Нами был выбран нейтральный светофильтр НС-З. Способ его выбора подробно описан в подразделе 2.1 (энергетический расчет), а в данном разделе укажем только его основные параметры.

Нейтральный светофильтр НС-3:

-коэффициент пропускания для диапазона 2,1-2,4 мкм = 0,494;

-оптическая плотность = 0,306;

-ширина = 40мм;

-высота = 40мм;

-толщина по оптической оси = 2мм.

Нейтральный светофильтр НС-3 должен быть установлен непосредственно перед объективом. Но ввиду особенностей конструкции оправы объектива, а именно линзы утоплены на 30 мм относительно торца оправы объектива, расположить светофильтр подобным образом невозможно. Поэтому он закреплен в рамке, упирающейся в торец оправы объектива, и удален от линз на 30 мм.

2.3 Кинематический расчет

Цель кинематического расчета — разработать электропривод для обеспечения наведения ИК-системы на объект (Солнце) и сопровождение его в дневное время суток (от восхода до заката Солнца).

Для решения этой задачи необходимо два электропривода:

- азимутальный, осуществляющий горизонтальное вращение измерительной системы;

- угломестный, осуществляющий поворот измерительной системы в вертикальной плоскости.

По техническому заданию угловая скорость перемещения Солнца в азимутальной плоскости

обусловленная суточным вращением Земли вокруг своей оси.

Угловая скорость перемещения Солнца в вертикальной плоскости (по углу места)

Определяется по двум параметрам: в день равноденствия (21 марта и 21 сентября) от восхода до заката Солнца ровно 12 часов, в полдень (без учета летнего времени) зенитный угол Солнца

(29)

где — географическая широта точки наблюдения (для г. Москвы = 55,4°).

Весь кинематический узел должен располагаться (по конструктивным соображениям) в корпусе альт–азимутальной установки, размеры которой составляют 30,8 х 23,5 х 18 см.

Угол поля зрения ИК-термометра составляет