Введение. Рис. 18-8. Принцип действия пьезооптического преобразователя механических напряжений

Рис.18-8. Принцип действия пьезооптического преобразователя механических напряжений

Рис.18-7. Принцип действия интерферометра Майкельсона

Рис.18-6. Схема светодальномера

Рис.18-5, б. Интенсивности верхнего и нижнего лучей

Рис.18-5, а. Схематическое устройство прибора бесконтактного контроля диаметра проволоки

Рис.18-3. Устройство преобразователя с плоскими параллельными растрами

Рис.18-2. Схематическое устройство автоматического экспонометра для кинокамеры

Световой поток Ф_x, проходя объектив 1 и диафрагму 2 и отражаясь от зеркального об­тюратора 3, попадает на фоторезистор В в отрезок времени, когда не происходит экспонирования пленки 5. Исполнительным механиз­мом служит измерительный механизм ИМ логометра, обмотка 6 подключена к источнику питания через резистор R, а обмотка 7 — через фоторезистор В. Обмотки в и 7 создают встречные вращающие моменты, поворачивающие рамку, соединенную с диафрагмой 2. Движение диафрагмы 2 происходит до тех пор, пока сопротивле­ние фоторезистора В не станет равным сопротивлению резистора R, которое используется для установки параметров экспозиции. В ка­честве фотоприемника применяются сернистокадмневые, селениднокадмиевые и сульфидно-кадмиевые фоторезисторы, отличающиеся высокой чувствительностью, малыми габаритами и дешевизной.

Фотоэлектрические преобразователи широко используются для измерения перемещений. Особенно высокой чувствительностью обладают преобразователи с растрами. Геометрические структуры эле­ментов, образующих растр, весьма разнообразны. Устройство пре­образователя с плоскими параллельными растрами показано на рис. 18-3, а.

Между источником света и приемником располага­ются два растра, один из которых неподвижен, а второй перемеща­ется. Сопряжение двух растров позволяет получить картину идущих поперек штрихов светлых и темных полос, называемых комбина­ционными или муаровыми полосами. Высокая чувствительность к перемещению получается за счет того, что перемещение муаровых полос ΔY оказывается во много раз больше перемещения растра ΔХ. В частности, при сопряжении двух параллельных растров, развер­нутых под некоторым малым углом а, получается комбинация свет­лых и темных полос, в преувеличенном виде показанная на рис. 18-3, б.

Коэффициент оптической ре­дукции:

K_ред =ΔY/ΔХ (18.1)

такого сопряжения при равных ша­гах растров ω₁=ω ₂=ω ра­вен K_ред=1/sin α.

Измерительные цепи, поз­воляющие реализовать второй и третий алгоритмы, т. е. из­мерение отношения и разно­сти световых потоков. Однако особенность оптоэлектрическнх преобразователей заключается в том, что при со­временной технологии изготовления фотоприемников трудно подо­брать пару фотоприемников, обладающих совершенно идентичными характеристиками не только при начальных условиях, но и под дей­ствием всех влияющих факторов. Неидентичность характеристик, как известно, сводит на нет преимущества дифференциаль­ного и логометрического включений преобразователей, позволяющих существенно повысить точность измерения при использовании пре­образователей с идентичными характеристиками. Для того чтобы избежать этого недостатка, в оптоэлектрических преобразователях используются структуры с одним фотоприемником и временным разделением поступающих на пего потоков. Измерительная схема по­добного преобразования показана на рис.18-4.

Рис.18-4. Измерительная схема преобразователя

Пучок света источ­ника 1 при помощи зеркал 2 разделяется на два потока Ф₀ и Ф_x. Интенсивность потока Ф_х зависит от измеряемой величины (напри­мер, прозрачности объекта 3). С помощью модулятора осуществля­ется периодическое освещение фоторезистора ФП измеряемым Ф_x и опорным Ф₀ потоками. Синхронно с движением шторки Шт пере­ключается ключ К, с помощью которого на вход интегратора (ФП, конденсатор С, усилитель Ус) через фоторезистор ФП подается ток от положительного и отрицательного полюсов источника напряжения Е. При этом ток, пропорциональный измеряемому потоку, за­ряжает конденсатор С, а ток, пропорциональный опорному потоку, — разряжает его. В конце второго такта модуляции на выходе интегра­тора устанавливается напряжение U', которое измеряется указате­лем Ук. Напряжение:

U=Е(G₀-G_x)/(Сf_КЛ) (18.2),

где G₀=SФ₀ и G_x =SФ_x — проводимости фоторезистора при освещении потоками Ф₀ и Ф_х соответственно; S — чувствительность фоторезнстора; f_КЛ — частота переключения ключа.

На рис. 18-5,а показано схематическое устройство прибора бесконтактного контроля диаметра проволоки. Световой поток, соз­даваемый источником 1, делится диафрагмой 2 с двумя отвер­стиями на два луча. Верхний луч частично перекрывается проволо­кой 3, нижний луч проходит через оптический клин 6. Матовая пла­стинка 4 рассеивает свет, чтобы облучение фотоприемника ФП было равномерным. Заслонка 7 колеблется между сдвинутыми отвер­стиями диафрагмы, модулируя световой поток па входе ФП. Если интенсивности верхнего и нижнего лучей не равны (рис.18-5,6), на выходе ФП появляется переменная составляющая напряжения, управляющая двигателем Д. Двигатель перемещает клин 6 до урав­нивания интенсивностей лучей. Выходной величиной прибора слу­жит угол поворота двигателя, отсчитываемый по шкале 5.

Схемы измерения фазового сдвига на частотах оптического диа­пазона.

На рис. 18-6 приведена схема светодальномера, который состоит из генератора Г1 гармониче­ских колебаний, полупроводниково­го.лазера Г, фотоприемника ФП и фазометра. Излучение лазера Г, мо­дулированное по амплитуде, распро­страняется до уголкового отражате­ля УО, установленного на расстоя­нии D_x от дальномера. Отраженное излучение возвращается к фотоприемнику ФП. Время распространения волны до отражателя и обратно со­ставляет:

t=2D_xn/c (18.3)

За это время фаза напряжения, питающего лазер, изме­нится на величину φ_x=ω₀t=ω₀2D_xn/c, где ω₀ — частота модуля­ции; n — показатель преломления среды. Сдвиг фаз φ_x измеряется с помощью фазометра.

Порог чувствительности современных промышленных высоко­частотных фазометров составляет около 0,1⁰, что при частоте моду­ляции f₀=10 МГц и n≈1 соответствует D_xmin=4 мм. Стабиль­ность результатов измерения опреде­ляется стабильностью частоты модуля­ции и постоянством условий на пути светового потока.

На рис. 18-7 показан принцип дей­ствия интерферометра Майкельсона, в котором для измерения фазового сдви­га оптических колебаний использовано преобразование на основе явления ин­терференции фазового сдвига в интен­сивность света. Интерферометр состоит из лазера Г, светоделителя СД, двух зеркал 31 и 32. Пучок света Ф₀ проходит через светоделитель СД и разделяется на два пучка Ф₁ и Ф₂, которые, отразившись от зеркал, вновь попадают на светоделитель, где объединяются и интерферируют. Полученный в ре­зультате интерференции пучок света Ф преобразуется фотоприемником ФП. Разность фаз φ зависит от разности длин оптического пути:

φ=2π(l ₁- l ₂)/λ (18.4)

и длины волны λ излучения. Предположим, что под действием измерь величины зеркало 31 переместилось на расстояние l _x от исходного положения, определяемого расстоянием l ₀= l ₁= l ₂. В этом слу­чае фаза изменится на величину φ_x=2π l ₁/λ=2πN_x, где N_x= l _x/λ — общее число полных периодов фазы, укладывающихся на отрезке l _x.

Таким образом, считая число экстремумов функции U=0,5U₀(1+cos2π l _x/λ) и зная длину волны >. излучения, можно измерить перемещение l _x.

На рис. 18-8 показан принцип действия пьезооптического пре­образователя механических напряжений, основанного на явлении фотоупругости.

Первоначально изотропный упругий чувствительный элемент в виде прямоугольной прозрачной призмы 3 находится в условиях одноос­ного напряженного состояния под действием силы F_x, Пучок света от источника 1 поляризуется поляризатором 2 (например, поляроидной пленкой) в плоскости, наклоненной под углом 45° к направле­нию главной деформации, которое в данном случае совпадает с на­правлением действия силы F_x. Поляризованные лучи А и В проходят через упругий элемент 3 и фазовую пластину 4 на анализаторы 5_А и 5_В, один из которых скрещен с поляризатором 2, а второй парал­лелен ему. После анализаторов лучи А и В падают соответственно на фотоприемники 6_А и 6_В.

Интенсивность света, попадающего па приемник 6_В, определяется выраже­нием

I₁=I₀sin²[(2πΔ/λ+α₀)/2] (18.5).

Интенсивность света, попадаю­щего на приемник 6_B — как I₂=I₀cos²[(2πΔ/λ+α₀)/2], где α ₀ — фазовый сдвиг, вносимый пластиной 4. Зависимость разности хода Δ от деформации ε₁₁ определяется как:

(18.6),

где n₀ - показатель преломления фотоупругого материала в ненапряженном состоянии; l - длина образца в направлении просвечивания; р₁₁ и р₁₂ — упругооптические коэффициенты, являющиеся тензорами четвертого ранга. Выходное напряжение диагонали моста, в который включены фотоприемники, пропорционально разности их освещенностей:

U_BЫХ=U_A-U_B=kI₀cos(2πΔ/λ+α₀) (18.7)

При α₀=π/2 и малых α=2πΔ/λ можно считать cos(π/2+α)≈α и.

На основе пьезооптических преобразователей в МГУ им. М. В. Ло­моносова (Институт механики) разработан ряд приборов: датчики давления, акселерометры, силоизмерители, тензометры. В частности, пьезооптические акселерометры имеют предел измерений 50—1000 g при собственной частоте 4—15 кГц, порог чувствитель­ности около 10^-4 (от предела измерений) и погрешности 0,2—1,5%. При измерении статических величин температурная погрешность cоставляет 0,1 % /К (дрейф нуля) и 0,05—0,1 % /К (изменение чув­ствительности).

На рис. 18-9 показан принцип действия устройства “Трансоптик”, предназначенного для дистанцион­ного измерения тока в линиях электропередачи.

Рис.18-9. Принцип действия устройства “Трансоптик”

“Трансоптик” представляет со­бой измерительную систему с фарадеевским датчиком 1 (стеклян­ный стержень из тяжелого флинта), размещенным вблизи провода 2 линии электропередачи, в которой требуется измерить ток I_Х. Плоскополяризованное излучение Ф₀ от лазера 3 проходит в стержень 1 и, отразившись от торца с зеркаль­ным покрытием, возвращается на землю к приемной части.

Приемная часть системы содер­жит компенсационный фарадеевский датчик 4 с обмоткой, подклю­ченной через резистор 5 и ампер­метр к выходу усилителя 6; два фотодиода 7 и 8, подключенных к ин­вертирующему и неинвертирующему входам усилителя 6, и бианализатор 9, световые потоки Ф₁ и Ф₂ на выходе которого равны, если в системе не происходит поворота плоскости поляризации. При про­хождении светового луча че­рез датчик 1 плоскость по­ляризации луча поворачива­ется на угол ψ, пропорцио­нальный напряженности Н_x и, следовательно, току I_x. В компенсационном дат­чике 4 ток I_к направлен так, что сводит эффект вра­щения плоскости поляризации в датчике 1 к нулю, т. е. ψ_х-ψ_к =0. При идентичных оптических элементах датчиков 1 и 4 ψ_х=ψ_к при I_к=I_x/ω_к, где ω_к — число витков датчика 4. Подобные системы называют иногда оптикоэлектронными трансформаторами тока.

Схема измерения частоты и длины волны излучения оптического диапазона. На рис. 18-10 показана структурная схема преобразо­вателя с гетеродинным преобразованием частоты.

Рис.18-10. Структурная схема преобразователя с гетероидным преобразованием частоты

Преобразователь содержит источник опорного сигнала ИОС частоты ν₀, светодели­тель СД, фотоприемник ФП, усилитель Ус и частотомер. На свето­делитель поступают два пучка света: пучок света, частоту кото­рого ν _х нужно определить, и опорный пучок. Эти пучки складываются и посылаются на фотоприемник. Световой поток, поступающий на фотоприемник, кроме постоянной составляющей Ф, содержит низко­частотную составляющую:

Ф(t)=Ф_mcos(ν_x-ν ₀)t (18.8).

Если разност­ная частота ν_BЫХ=ν_x-ν ₀ находится в полосе пропускания элек­тронной схемы, то измерение этой частоты частотомером при извест­ном значении ν₀ позволяет найти ν_x=ν _ВЫХ +ν₀.

Устройства с интерференционным преобразованием частоты стро­ятся на базе интерферометров с использованием модуляции излуче­ния по частоте.

В принципе в перевозке почти каждого вида груза уча­ствует не один вид транспорта. Перевозку морем, по реке, железной дорогой, самолетом, как правило, дополняет дос­тавка груза автомобилем.

Перевозкой груза в смешанном сообщении сегодня счита­ют ту, в которой доставку груза от отправителя к получате­лю осуществляют, по крайней мере, два различных вида транспорта, когда она выполняется на этом маршруте под ответственностью только одного перевозчика, по единому транспортному документу, подтверждающему заключение договора перевозки, и оплачивается по единой сквозной та­рифной ставке. Такая перевозка определя­ется еще термином — «прямое смешанное сообщение».

В Конвенции Организации Объединенных Наций о международных смешанных (multimodal) перевозках грузов используется термин " международная смешанная перевозка ", определяемая как "перевозка грузов по меньшей мере двумя разными видами транспорта на основании договора смешанной перевозки из места в одной стране, где грузы поступают в ведение оператора смешанной перевозки, до обусловленного места доставки в другой стране".

За рубе­жом они получили наименование «комбинированных» (от англ, глагола to combine — смешивать) или «мультимодальных» (от словосочетания «multi-modal»; «много» — multi; modal — вид, форма) в отличие от перевозок, выполняемых одним видом транспорта — «singlemodal», «unimodal» — «пе­ревозки в прямом (железнодорожном, водном и т. п.) сооб­щении».

Европейская конференция министров транспорта (ЕКМТ) определяет:

a. мультимодальные перевозки как "перевозки грузов по меньшей мере двумя разными видами транспорта";

b. интермодальные перевозки как перевозки грузов (в одной и той же грузовой единице или на одном и том же транспортном средстве) последовательно используемыми видами транспорта без обработки самих грузов при изменении вида транспорта.

Термин " комбинированные перевозки " используется ЕЭК ООН в том же значении, что и вышеприведенное определение интермодальных перевозок.

В соответствии с правилами применения Рекомендации № 19 ЕЭК/ФАЛ "Классификатор видов транспорта" используется следующее определение: "Комбинированные перевозки: Комбинированное использование транспортных средств, когда одно (пассивное) транспортное средство перевозится на другом (активном) транспортном средстве, которое является таковым и потребляет энергию".

Для целей транспортной политики ЕКМТ ограничивает значение термина "комбинированные перевозки" "интермодальными перевозками, в рамках которых бoльшая часть европейского рейса приходится на железнодорожный, внутренний водный или морской транспорт и любой первоначальный и/или конечный отрезок пути, на котором используется автомобильный транспорт, является максимально коротким".

Транспортно-технологическая система интермодальных перевозок оперирует не с грузом вообще, а с определенной его массой, консолидированной (consolidated) в опреде­ленном весовом, объемном, штучном количестве и разме­щенной (юнитизированной) в или на грузовом модуле — укрупненной грузовой единице УГЕ, которую принято обозначать также аббревиатурой — УЛД (Unit Load Device). К УЛД относят: контейнеры, трейлеры, съемный кузов автомобиля, лихтеры (lighters), контейнерные платформы — флеты (flats). В авиации к ка­тегории УЛД причисляют также поддоны (pallets).

Таким образом, ин­термодальным сообщением называется транспортно-технологическая система организации перевозок с использова­нием в перевозочном процессе нескольких видов транспор­та, при которой перевозка «грузового места», т. е. груза в грузовом модуле или самого модуля порожнем, выполняет­ся под ответственностью одного перевозчика, по единому документу, по варианту «от двери до двери» и «точно в срок», оплачивается по единой сквозной ставке, с освобождением грузоотправителя от забот в части выбора марш­рута, средств транспорта, портов, складских помещений, перегрузочного оборудования.