Автореферат (Радиотехнические приёмно-преобразующие устройства оптико-электронных систем), страница 7

Расчет светорассеяния воздухом основан на теорииРелея, для применимости которой размеры рассеивающих объектов (в данном случае молекулвоздуха) должны быть много меньше длины волны падающего электромагнитного излучения.26а)б)Рис. 4-1. Зависимость спектральной плотности оптической мощности, рассеянной аэрозольнымичастицами а) и воздухом б), от длины волны и угла рассеянияЗависимость спектральной плотности мощности, рассеянной аэрозольными частицами а) ивоздухом b) электромагнитной волны, падающей на фотодетектор ППУ, от длины волны и угларассеяния представлена на рис. 4-1. На рис.

4-2 приведена зависимость угла рассеяния, прикотором спектральная плотность мощностирассеянного излучения воздухом и аэрозольнойчастицей равны, от длины волны оптическогоизлучения.Наилучшиерезультатыпочувствительности газоанализатора на МоЯК кдетектируемым веществам достигаются прииспользованииРис 4-2. Зависимость угла рассеяния, при которомспектральная плотность мощности рассеянногоизлучения воздухом и аэрозольной частицей равны, отдлины волны оптического излучения.белосветногосветодиода.вфотометреяркогосуперлюминесцентногоСпектральнаяхарактеристикатаких светодиодов имеет ярко выраженныймаксимум в области излучения сине-фиолетового цвета.

Проведенное сравнение показало также,что светорассеяние одной аэрозольной частицей, в центре которой находится молекуладетектируемой примеси, в 1015 раз превышает светорассеяние самой молекулы детектируемойпримеси.Коптико-электронным параметрам детектора МоЯК, определяющим предельнуюспособность газоанализатора к определению концентрации детектируемых веществ, относятсячувствительностьфотоприёмногоустройстванефелометра,светорассеяниевоздухомвфотометрируемом объеме и светорассеяние одной аэрозольной частицей, в центре которойнаходится молекула вредного детектируемого вещества. Темновой фототок, светорассеяниевоздухом и аэрозольными частицами измерены на базовом детекторе МоЯК, подробно описанномв разделе 4.6 диссертации.

Результаты расчетов и экспериментальных измерений сведены вТаблицу 4-1:27Таблица 4-1. Сравнение экспериментальных и расчетных значений.ПороговаячувствительностьСветорассеяние воздухомСветорассеяние однойаэрозольной частицейЭкспериментальноТеорияЭкспериментPпор теор  0.59 1015 ВтPпор эксп  0.66 1015 ВтPвоздух теор  0.11012 ВтPвоздуха эксп  0.111012 ВтPчастицы теор  0.35 1012 ВтPчастицы эксп  0.38 1012 Втизмеренныезначениямощностисветорассеянияаэрозольнымичастицами и воздухом в фотометрируемом объеме малогабаритного аэрозольного фотометра ППУдетектора МоЯК превышают теоретически рассчитанные значения всего на 8-10%, что длятермодинамических величин, каковыми являются молекулярное светорассеяние аэрозольнымичастицами и воздухом, считается измерениями с высокой степенью точности.Программно-аппаратный блок управления, регистрации и обработки информации (УРОИ),входящий в состав ППУ газоанализатора, управляет временем интегрирования фототока, измеряеттемновой ток фотоприёмного устройства, фототок светорассеяния от фона спонтанногоядрообразования и фототок светорассеяния аэрозольными частицами в фотометре иавтоматически вычисляет измеряемую концентрацию целевого компонента.

На персональномкомпьютере реализован экранный интерфейс для установки и контроля режимов, температур,параметров блоков газоанализатора и вывода на график фототока светорассеяния аэрозольнымичастицами. Блок УРОИ осуществляет передачу данных на персональный компьютер по локальнойсети Ethernet и протоколу RS-232. В случае превышения ПДКр.з. блок УРОИ выдает звуковой исветовой сигналы тревоги.Блок УРОИ управляет также конденсационными устройствами,охладителем, ГХ-колонкой, термореактором, краном-переключателем, дозатором, фотометром,устройством пробоотбора и десорбции, осветителем, контролирует основные параметры ГА.Функциональная схема интегратора фототока ППУ с контроллером газоанализатора имеетвид, приведенный на рис.

4-3. Для обеспечениячувствительности газоанализатора ниже уровнейПДКвинтеграторефототокапримененоизмерение с последующим усреднением тангенсаугла наклона зависимости фототока от времени, атакже усреднение результатов измерений. Данныйалгоритм был реализован в процессоре блокаУРОИ и позволил регистрировать фототокиРис.

4-3. Функциональная схема интеграторафототока ППУ с управлением от блока УРОИгазоанализаторасветорассеянияаэрозольнымиуровне десятков фА.частицамина28Глава 5 «Шумовое согласование приборов на поверхностных акустических волнах вприемно-преобразующихустройствах»посвященаразработкеметодикикомплекснойоптимизации параметров акустоэлектронных приборов на ПАВ и усилителей с целью достиженияминимального коэффициента шума ППУ при удовлетворении технических требований к данномуклассу устройств на ПАВ.Экспериментальные исследования эквивалентного шумового тока встречно-штыревогопреобразователя (ВШП) показывают, что спектральная плотность среднеквадратичного значенияшумового тока ВШП описывается выражением In 2  4kTGa , где Ga - проводимость излученияВШП. Для обоснования выявленной связи разработан малошумящий усилитель, позволяющийввести в ППУ противошумовую коррекцию, снизить уровень трехпролетного эхо-сигналаповерхностной акустической волны за счет включения входного транзистора усилителя по схемес общей базой.

Применение предложенного усилителя понизило спектральную плотностьмощности шума усилителя настолько, что спектральная плотность мощности шума ВШП в 3 - 5раз превосходила значение спектральной плотности мощности шума собственно усилителя. Такимобразом, впервые было экспериментально подтверждено, что динамический диапазонпьезокристаллических устройств на ПАВ с малошумящим предварительным усилителем ипротивошумовой коррекцией определяется, в основном, именно шумами пьезокристаллическихустройств, а не шумами предварительного усилителя.Выражение для коэффициента шума прибора на ПАВ с усилителем, полученное наосновании предложенной эквивалентной шумовой схемы прибора на ПАВ с усилителем ипротивошумовыми коррекциями, имеет вид:F  1  2wFampl  1 Fampl  1  Bi  BL1  B112  G11 Gi1   1wFamplwFampl2Gi G11  G11B 22  BL 2 2Gn RnG 221 G 22G 22(5.1) B 22  BL 22  RnGn  2 RnGnG 22где Y11=G11+jB11, Y22=G22+jB22, Yi=Gi+jBi – проводимости излучения входного и выходного ВШПи источника сигнала соответственно; Rn, Gn и γ=α+jβ – рациональная система шумовыхпараметров усилителя; BL1 и BL2 – проводимости противошумовых коррекций входного ивыходного ВШП; w=G11G22/|Y21|2 – параметр направленности, определяемый конструкциейприбора на ПАВ.

Минимальное значение параметра направленности w в случае двунаправленныхВШП на частоте акустического синхронизма равно двум. В случае идеальных однонаправленныхВШП w=1. Минимальное значение собственного коэффициента шума при согласованномисточнике сигнала для двунаправленных ВШП, в соответствии с полученным выражением приFampl=1, может составлять величину около 7 дБ.29Обеспечение режима полного шумового согласования в пьезокристаллических устройствахна ПАВ со встроенными транзисторными усилителями должно проводиться при удовлетворенииосновных рабочих характеристик, присущих каждому конкретному классу устройств на ПАВ.Например, к радиочастотным линиям задержки на ПАВ предъявляются требования пообеспечению заданной полосы пропускания и уровню подавления трехпролётного эхо-сигнала.Для фильтров на ПАВ к этим требованиям добавляются заданный уровень селективности побоковым лепесткам, коэффициент прямоугольности АЧХ.

Таким образом, задача минимизацииобщего уровня шума пьезокристаллических устройств на ПАВ, работающих совместно странзисторным усилителем, сводится к минимизации функционала (5.1) при ограничениях,наложение которых связано с удовлетворением характерных для данного класса устройствтехнических параметров. Решение поставленной задачи может быть осуществлено методомнелинейногопрограммированияприсоответствующихклассуустройствнелинейныхограничениях. Для демонстрации указанной возможности проведена комплексная оптимизациясовокупности параметров радиочастотных линий задержки (РЛЗ) и фильтров с усилителемметодом нелинейного программирования с ограничениями.

Наложение ограничений связано са)F, дБ; параметры оптимизации20удовлетворением заданной полосе пропусканияминимизированный коэффициент шума, дБапертура ВШП, ммток эмиттера транзистора, мА15устройства и уровню подавления трехпролётногоэхо-сигнала, а также техническими ограничениями10на оптимизирующие параметры прибора на ПАВ иусилителя (апертура и количество электродов5ВШП,00,050,5Ri, кОм550F, дБ; параметры оптимизацииРис. 5-1. Зависимость коэффициента шума иб)оптимизирующихпараметровфильтрас20однонаправленнымиВШП на ниобате лития отсопротивленияисточникасигналаприаподизованномвыходном ВШП15токвходногокаскадаусилителя).Результаты расчетов представлены в виде графиков(рис.5-1)исогласуютсясполученнымиэкспериментальными данными с точностью 5%.РасчетыпроизводилисьвсредеLabVIEW,использующейскрипты нелинейной оптимизации пакета MATLab.10Коэффициент шума пассивных устройств, к которым относятся приборы на ПАВ, равен5обратной величине коэффициента передачи по мощности.

Поэтому коэффициент шума приборана ПАВс усилителемможет достигать40 дБ.Применение предложенной в диссертации методики00,050,5550R , кОмiоптимизации позволяетконструировать ППУ с использованием приборов на ПАВ сминимизированным коэффициентом шума 10 дБ при двунаправленных ВШП и 5 дБ приоднонаправленных ВШП. Для того, чтобы использование прибора на ПАВ, обладающегозначительными потерями, не увеличивало коэффициент шума всего ППУ, необходимовыполнение условия, следующего из формулы Фрииса Kp > F, где Kp - номинальный коэффициентпередачи по мощности предусилителя, F - коэффициент шума фильтра на ПАВ с выходным30усилителем.